高密度電阻率法在輸水隧洞工程巖溶勘察中的應(yīng)用

馬強

摘要：高密度電阻率法效率高，信息數(shù)據(jù)采集豐富，顯示直觀而被廣泛運用于巖溶、采空區(qū)、滲漏檢測、滑坡勘察等領(lǐng)域。某輸水隧洞在前期施工過程中，出現(xiàn)巖溶塌陷、突水、突泥等危險情況，在選擇應(yīng)用了高密度電阻率法實地勘察后，發(fā)現(xiàn)幾處明顯物探異常，結(jié)合地質(zhì)資料分析后，在后期施工過程中采取防護措施，避免的危險情況的發(fā)生。通過開挖，驗證了高密度電阻率法成果與實際情況一致，證實了高密度電阻率法在巖溶勘察中的有效性。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法；巖溶；物探異常

1.引言

貴州位于西南卡斯特的斜坡和腹心地帶，巖溶十分發(fā)育，給各類工程建設(shè)活動帶來嚴(yán)重的影響。近年來，水利行業(yè)發(fā)展迅猛，各地興修水庫、大壩、濕地公園等，給當(dāng)?shù)貛砭薮蠼?jīng)濟效益與社會效益。然而，在這些水利工程建設(shè)過程中，常常會遇到一些困難。尤其是在輸水隧洞施工階段，遇到巖溶塌陷、突水、突泥等危險情況，給現(xiàn)場施工帶來了嚴(yán)重影響，甚至威脅到人的生命安全。因此，查明這些巖溶的位置，埋深，分布等特征，對整個隧洞施工顯得尤為重要。

測區(qū)地形陡峭，切割強烈，覆蓋層一般厚度在幾米左右，覆蓋層下面為灰?guī)r，水的長期溶蝕作用，巖溶十分發(fā)育。巖溶發(fā)育的巖石及溶洞與完整巖石相比，其電阻率存在較大差異，這為高密度電阻率法的應(yīng)用提供了條件。實踐證明運用高密度電阻率法對貴州某輸水隧洞工程進行巖溶勘察取得了良好的效果，查明了隧洞軸線上方巖溶的位置及分布情況，為下一步工作提供了可靠依據(jù)。

2.方法原理

高密度電阻率法實質(zhì)上是電阻率法，其理論、方法及應(yīng)用與電阻率法是一致的。高密度電阻率法是一種陣列式勘探方法，是電剖面和電測深的有機組合。野外測量時多根電極（幾十根至百根）一次布設(shè)在測點上，通過程控開關(guān)按一定的裝置形式逐點測量。因其效率高，數(shù)據(jù)采集信息豐富，顯示直觀而被廣泛運用于巖溶、采空區(qū)、滲漏檢測、滑坡勘察等領(lǐng)域[2]。

高密度電阻率法有多種裝置，不同裝置形式探測效果有所區(qū)別。例如：溫納裝置（α）對于地質(zhì)分層效果好，斯倫貝爾裝置對于孤立地質(zhì)體識別效果好。

3.應(yīng)用實例

3.1地質(zhì)概況

測區(qū)位于黔北高原北東部，大婁山脈東北分支南側(cè)，地勢總體南西、西部及北部高、東部及中部低，南西及西北高坡陡，叢山連綿；山頂高程多在1000m左右，山間谷壩高程多在700m～800m左右。測區(qū)碳酸鹽巖分布面積廣泛，約占85%以上，地貌以巖溶地貌為主，侵蝕地貌次之，碳酸鹽巖分布區(qū)組合形態(tài)有裂隙狀溶洞、落水洞、暗河、天窗、巖溶洼地等。

測區(qū)出露地層從老到新依次為寒武系中上統(tǒng)（∈2-3 ls）至三疊系中統(tǒng)松子坎組（T2s）及第四系（Q）地層，碳酸鹽巖類與碎屑巖類相間分布，其中碳酸鹽巖類主要由寒武系婁山關(guān)群、奧陶系桐梓紅花園組、志留系石牛欄群、二疊系棲霞茅口組、吳家坪組、長興組、三疊系茅草鋪組、夜郎組玉龍山段等的灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r組成。碎屑巖類則主要由寒武系金頂山組、明心寺組、奧陶系湄潭組、志留系龍馬溪群、韓家店群、三疊系夜郎組九級灘段、松子坎組等泥頁巖、砂巖組成。

3.2地球物理特征

通常情況下，干的溶洞被空氣充滿，而空氣的電阻率無窮大，因此干洞呈現(xiàn)出高阻特征；當(dāng)溶洞被水或泥質(zhì)充滿時，水或泥質(zhì)增強了溶洞的導(dǎo)電性，因此充滿水或泥質(zhì)的溶洞呈現(xiàn)出低阻特征；完整灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r的電阻率高，完整性差或節(jié)理裂隙發(fā)育、風(fēng)化破碎的灰?guī)r電阻率較低[3]。測區(qū)主要巖土介質(zhì)電阻率特征值見表1。

由表1可見，本次勘探的目標(biāo)體與圍巖存在著明顯的電性差異，完全具備開展高密度電阻率法工作的地球物理前提條件。因此，利用高密度電阻率法查明工程區(qū)巖溶及其分布是完全有效和可行的。

3.3野外工作方法

本次工作選用重慶精凡科技有限公司生產(chǎn)的N2高密度電法儀，電極距10m，電極道數(shù)120道，采用斯倫貝爾裝置，滾動測量。測線沿輸水隧洞中軸線方向布置，測線長度1400m。每個電極采用中海達RTK儀器實地定點并做好標(biāo)記。

遇水泥路面、公路或巖石出露時，用鹽袋代替電極或在電極處加鹽水等措施，以改變接地條件，獲取高質(zhì)量的采集數(shù)據(jù)。

3.4資料處理與解釋

3.4.1數(shù)據(jù)處理

高密度電法的數(shù)據(jù)處理主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)反演兩個過程。數(shù)據(jù)預(yù)處理就是將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，然后對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編輯和合成，剔除跳躍點、數(shù)據(jù)圓滑等。

數(shù)據(jù)處理完成后，再將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入RES2DINV進行反演，反演采用最小二乘法，迭代次數(shù)5次。第5次均方根誤差等于9.9%。將反演結(jié)果數(shù)據(jù)保存，成圖。

3.4.2資料解釋

根據(jù)圖3所示，整條剖面巖層完整性較差，共存在5處明顯異常，分別編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，各個異常分別解釋如下：Ⅰ號異常為一低阻異常，視電阻率值約500Ω·m～1000Ω·m，兩側(cè)巖石視電阻率高，大于3500Ω·m，該異常從地表一直延伸到深部，異常上部窄，下部寬，異常寬度10m～80m，推測該段為溶蝕破碎帶，并被泥質(zhì)所填充；Ⅱ號異常為一高阻異常，視電阻率值約大于10000Ω·m，該異常為一圈閉異常，異常深度約36m～90m，異常寬度約58m，推測該處為干洞或半填充的溶洞；Ⅲ號異常為一高阻異常，視電阻率值約大于30000Ω·m，該異常從埋深40m一直延伸到深部，異常寬度約36m，推測該處巖溶發(fā)育；Ⅳ號異常為一低阻異常，視電阻率值約300Ω·m～500Ω·m，兩側(cè)巖石視電阻率高，大于1000Ω·m，該異常從地表一直延伸到深部，異常寬度約100m，推測該處為溶蝕破碎帶，含泥質(zhì)或水；Ⅴ號異常為一較低阻異常，視電阻率值約2000Ω·m，兩側(cè)巖石視電阻率高，大于5000Ω·m，該異常從地表一直延伸到深部約60m處，異常寬度約25m；推測該處巖溶發(fā)育。結(jié)合地質(zhì)資料以及隧洞開挖情況等綜合分析，得到地質(zhì)推斷成果圖，見圖4。

為了保障施工安全，在整個隧洞施工過程中，對各個物探異常段做了安全防護。當(dāng)隧洞開挖至K1+303（對應(yīng)物探Ⅰ號異常）、K1+865（對應(yīng)物探Ⅲ號異常）時，周圍巖石破碎，夾雜黏土，并有少量地下水滲出，與物探低阻異常解釋成果較一致；當(dāng)開挖至K1+705時，隧洞上方出現(xiàn)一溶洞，該溶洞未填充，與物探高阻異常相對應(yīng)；當(dāng)開挖至K2+162（對應(yīng)物探Ⅴ號異常）時，出現(xiàn)巖溶塌陷，地表出現(xiàn)直徑約1.5m的大坑，與物探解釋成果較一致。通過開挖情況，驗證了物探方法的有效性，避免了施工過程中出現(xiàn)安全事故。

4.結(jié)論與建議

通過上述實地應(yīng)用及隧洞開挖情況，證實了高密度電阻率法在輸水隧洞巖溶勘察中的有效性，經(jīng)過研究分析，總結(jié)出幾點經(jīng)驗與建議。

4.1高密度電阻率法在灰?guī)r地區(qū)查找溶洞、溶蝕破碎帶等效果較好，空洞或半填充的溶洞一般呈現(xiàn)出高視電阻率特征，溶蝕破碎或全填充的溶洞一般呈現(xiàn)出低視電阻率特征。

4.2高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集效率高，信息量豐富，適合淺部巖溶勘察。對于大深度的勘察，高密度電阻率法效率大大降低，因此大深度的勘察，建議使用電磁法類的方法，例如MT，AMT。

4.3建議在布置物探測線時，運用RTK實地定點，以便后期進行K值矯正，異常驗證等。

4.4對于推斷的異常應(yīng)加強驗證，以便利用驗證資料進一步指導(dǎo)物探的解釋工作。

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