刻畫巖溶含水層非均質(zhì)性的探測方法對比研究

摘要：本文著重介紹了高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法（電磁法）及水力層析掃描法在地層非均質(zhì)特征探測方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并基于巖溶含水層的探測應(yīng)用方面對比分析了幾種方法的原理、優(yōu)劣勢和適用條件。

關(guān)鍵詞：巖溶含水層;非均質(zhì)性;探測方法

引言

我國西南地區(qū)巖溶地貌發(fā)育程度較高且分布廣泛，約占我國陸地面積的三分之一，總分布面積達(dá)340×104 km2，出露面積有91×104 km2。帶來了許多工程和水文地質(zhì)問題，如水庫壩址、水庫鄰谷、水庫庫區(qū)發(fā)生大規(guī)模的管道型滲漏或涌水等問題，致使工程建設(shè)推遲、費(fèi)用增加，甚至有相當(dāng)數(shù)量的小水庫成為廢庫。由于巖溶介質(zhì)具有極大的不均勻性，是評價(jià)復(fù)雜地下水系統(tǒng)時(shí)所面臨困難的最根本原因。[ ]因此，在地下含水層模擬研究中，如何能有效地將含水層的非均質(zhì)特性精確地刻畫出來，是目前需要解決的科研問題之一。本文著重探究三種物探方法，包括高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法（電磁法）、層析掃描法在含水層結(jié)構(gòu)特征探測方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對比分析了以下兩種方法的優(yōu)劣勢和適用條件。

1 巖溶含水層非均質(zhì)特征

在傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)流體力學(xué)中，區(qū)分確認(rèn)非均質(zhì)性和均質(zhì)性兩個(gè)概念的反映指標(biāo)是滲透率。[ ]巖溶含水層的非均質(zhì)性表現(xiàn)在其復(fù)雜的地質(zhì)形態(tài)，尤其是巖溶發(fā)育程度較高的我國西南區(qū)域，常常具有孔隙-裂隙-裂縫-管道-溶洞-地下河等多種形態(tài)中的幾種耦合組成。由于孔隙、裂隙、裂縫、管道、溶洞、地下河的含水率較高，且大小不等，形狀不一，含水量不同，孔隙率和滲透率也不同，且碳酸鹽巖自身的孔隙率和滲透率很低，因而在巖溶含水層的不同結(jié)構(gòu)面來看，不同區(qū)域、高度的滲透系數(shù)相差很大，甚至能夠達(dá)到相差幾個(gè)數(shù)量級的程度。因而可知，根據(jù)巖溶含水層的非均質(zhì)特性，也為了避免鉆探損害淺層地下空間，利用其地質(zhì)參數(shù)差異化的分布特征，通過刻畫其滲透系數(shù)場或電阻率場是較為高效的選擇。

2 探測方法研究進(jìn)展

2.1 探地雷達(dá)探測

探地雷達(dá)法是利用了天線發(fā)射和接收高頻電磁波來探測地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性和分布規(guī)律。趙忠海[ ]把探地雷達(dá)應(yīng)用于地裂縫、巖溶塌陷、滑坡以及活動(dòng)斷裂的調(diào)查，并說明了探地雷達(dá)的方法在地質(zhì)災(zāi)害的探測中具有無損、快速、準(zhǔn)確的工作特點(diǎn)。楊耀，羊春華，曾國[ ]等利用探地雷達(dá)查明了廣西某隧道巖溶性質(zhì)及其在空間上的發(fā)育形態(tài)，并說明使用探地雷達(dá)方法時(shí)一定要注意控制客觀環(huán)境，因?yàn)槠湟笙喈?dāng)苛刻，例如地質(zhì)形態(tài)中如若有金屬類、機(jī)具類、電纜類或者側(cè)壁和電磁信號(hào)等，將對雷達(dá)的有效信號(hào)造成一定程度的干擾。趙云威，朱自強(qiáng)，魯光銀[ ]等以瓊北地區(qū)某高速公路溶洞探測為例，對所獲取的溶洞探測結(jié)果的典型異常特征及判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并說明探地雷達(dá)的方法可以很好地應(yīng)用在地表破碎嚴(yán)重且導(dǎo)電性很差的區(qū)域。鐘世航，孫宏志[ ]等通過探地雷達(dá)設(shè)備探測和預(yù)報(bào)了巖溶裂隙水、溶洞等隱患，并得出結(jié)論：將陸地聲納法、瞬變電磁法和探地雷達(dá)組合起來，這種基于探地雷達(dá)的組合式方法，能夠較好地探測和預(yù)報(bào)斷層及地下水、溶洞、暗河等的位置。劉文峰，張振勇[ ]等采用探地雷達(dá)調(diào)查了巖溶的發(fā)育情況，并說明探地雷達(dá)探測應(yīng)用在探測巖溶裂隙的發(fā)育情況效果快速有效，如果將工程鉆探與探地雷達(dá)的方法相結(jié)合的話效果更佳。吳昊，楊曉華，溫世儒[ ]等對巖溶區(qū)富水破碎帶的探地雷達(dá)頻譜特進(jìn)行了定量分析，證明探地雷達(dá)方法能夠較好地應(yīng)用在富水破碎帶。葛顏慧等[ ]在滬蓉西高速公路烏池壩隧道聯(lián)合應(yīng)用高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)法精確預(yù)報(bào)了巖溶水，并且說明探地雷達(dá)法能夠很好地應(yīng)用在斷裂帶，特別是能夠很好地識(shí)別含水的破碎帶。

2.2 高密度電法

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，利用巖石或土體的導(dǎo)電性差異，通過人工施加穩(wěn)定電流/電阻率場，探測淺層電流/電阻率分布規(guī)律。劉曉東等 例舉了高密度電法在江西省新余市某中的找水工程的實(shí)際應(yīng)用，并指出高密度電法具有測量精度高，效率高的優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用于管線探測巖溶調(diào)查和找水工程中。嚴(yán)加永等 指出高密度電法高分辨率能有效地應(yīng)用在淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且同時(shí)指出，二維反演仍是目前應(yīng)用高密度電法的主流反演方式，但三維反演方法的應(yīng)用在不斷地增加，三維反演乃至四維反演是未來高密度電法更好地應(yīng)用在工程實(shí)際的發(fā)展趨勢。郭志東[ 將高密度電法應(yīng)用于遼陽弓長嶺露天礦邊坡勘察。蔡晶晶等[ ]采用高密度電法對南京地鐵3號(hào)線進(jìn)行巖溶勘察，并指出接地條件太差會(huì)影響到高密度電法的實(shí)施。江玉樂等[ ]等應(yīng)用高密度電法在某高速公路進(jìn)行巖溶勘察，并指出高密度電法更適合初期勘測，后期勘測要結(jié)合適量的鉆探。

3 結(jié)論

綜合以上3種傳統(tǒng)物探方法的研究進(jìn)展進(jìn)行對比分析，本節(jié)將從優(yōu)勢、缺陷、適用條件三個(gè)方面總結(jié)上述各個(gè)方法的特點(diǎn)。探地雷達(dá)對斷裂帶、溶洞等形態(tài)的巖溶含水層具有良好的探測性能，但雷達(dá)容易受到干擾，處理數(shù)據(jù)時(shí)相對繁瑣，探測精度與探測深度成反比，適用于淺層富水含水層，且適用于探測規(guī)模和位置。高密度電法對地質(zhì)條件有一定要求，存在電極極化問題，但探測精度較高，效率較高，應(yīng)用于探測較小溶洞時(shí)效果較差。

參考文獻(xiàn)：

束龍倉，張穎，魯程鵬.管道-裂隙巖溶含水介質(zhì)非均質(zhì)性的水文效應(yīng)[J].南水北調(diào)與水利科技，2013，11（01）：115-121.

滲透性參數(shù)非均質(zhì)特征的研究進(jìn)展

趙忠海.探地雷達(dá)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方面的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2002，13（2）：100-102.

楊耀，羊春華.探地雷達(dá)在隧道巖溶普查中的應(yīng)用[J]. 物探與化探， 2010，34（3）：410-414.

趙云威，朱自強(qiáng)，魯光銀，等.地質(zhì)雷達(dá)在玄武巖地區(qū)溶洞勘察中的應(yīng)用[J]. 公路工程， 2012，37（3）：204-208.

鐘世航，孫宏志，李術(shù)才，等.隧道及地下工程施工中巖溶裂隙水及斷層、溶洞等隱患的探查、預(yù)報(bào)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2012，31（z1）：3298-3327.

劉文峰，張振勇.探地雷達(dá)在巖溶地基探測中的應(yīng)用[J]. 物探與化探， 2014，（3）：624-628.

吳昊，楊曉華，溫世儒.巖溶區(qū)富水破碎帶探地雷達(dá)頻譜特征研究[J]. 公路交通科技， 2018，35（12）：90-94.

葛顏慧，李術(shù)才，張慶松，李利平，劉斌.基于風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（07）：1124-1130.

劉曉東，張虎生，朱偉忠.高密度電法在工程物探中的應(yīng)用[J].工程勘察，2001（04）：64-66.

嚴(yán)加永，孟貴祥，呂慶田，張昆，陳向斌.高密度電法的進(jìn)展與展望[J].物探與化探，2012，36（04）：576-584.

郭志東.高密度電阻率法在露天采場邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中的應(yīng)用[J].科技資訊，2014，12（15）：75-76.

蔡晶晶，閻長虹，王寧，邵勇，鄭軍，湯志剛.高密度電法在地鐵巖溶勘察中的應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，19（06）：935-940.

江玉樂，康萬福，張楠，張朝霞.高密度電法在巖溶勘察中的應(yīng)用[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（04）：452-455.

作者簡介：馬琛（1995.4-）女，漢族，籍貫：新疆昌吉州，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：水利工程災(zāi)害形成機(jī)理及防治。