綜合物探方法在評價巖溶區(qū)穩(wěn)定性中的應(yīng)用★

葉 青 劉秀敏

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

巖溶區(qū)地表塌陷作為一種常見的自然災(zāi)害，會對人民生命財產(chǎn)安全造成極大危害。由于其在時間上的突發(fā)性，空間上的隱蔽性和影響因素的復(fù)雜性[1]，使用以高密度電阻率法、地震反射法、地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)方法為代表的物探方法，對探測已存在的巖溶塌陷跡象，預(yù)防工程災(zāi)害有重大意義。董浩斌等[2-4]對高密度電阻率法的發(fā)展進(jìn)程、工作原理及工程實例作了概括。何國全等[5-9]在工程實踐中總結(jié)出高密度電阻率法有分辨率高、數(shù)據(jù)采集高效便捷、抗干擾能力強，但探測深度淺，對地形要求高的特點；郭玉華等[6,10-12]認(rèn)為等地震反射法有較高的精度和較好的探測效果，甚至能對地底層面、巖體起伏、細(xì)小斷層等精確定位，但抗干擾能力弱，易受外界影響；茹瑞典等[13-16]在工程應(yīng)用中認(rèn)為地質(zhì)雷達(dá)作為一種較先進(jìn)的無損探測方法，具有高精度、高效率、高抗干擾能力，但探測深度有限。

由于各物探方法存在多解性，且自身均具有一定局限性，使用單一方法難以解決實際應(yīng)用中遇到的綜合問題，為了提高探測巖溶塌陷隱患的可靠性，綜合運用多種探測技術(shù)，多個結(jié)果相互印證，是提高探測技術(shù)的準(zhǔn)確度，得到更為可靠的探測結(jié)果的行之有效的方法,黃毓銘等[17-20]通過在工程案例中的應(yīng)用驗證了綜合物探方法的可行性。

本文通過將高密度電阻率法、地震反射法和地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合，對湖北黃石市鐵山鄉(xiāng)三岔路村老土橋巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行了針對性的探測，圈定該地的巖溶土洞發(fā)育區(qū)域，并與勘察鉆孔資料相互比對綜合分析，取得了較好的勘察效果。

1 綜合探測方法原理

在巖溶塌陷區(qū)域探測工作中，探測方法的選擇尤為重要。以高密度電阻率法、地震反射法、地質(zhì)雷達(dá)等為代表的諸多物探方法在理論上均可行。但由于物探方法存在多解性，以及各方法應(yīng)用到工程實地時所面對的復(fù)雜情況下的局限性，某一種探測方法難以取得全面準(zhǔn)確的探測結(jié)果。故本次綜合探測方法采用基于三種不同工作原理的探測方法，將所得結(jié)果互相驗證，以期達(dá)到更精確的探測效果。

1.1 高密度電阻率法

常規(guī)電法的基本原理為以巖、土導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，研究供電電場在空間上的分布特點以及變化規(guī)律，尋找地下電阻率異常體，從而解決地質(zhì)問題。高密度電阻率法與常規(guī)點法原理相同，不同的是在觀測中設(shè)置測點密度更高，實際測量時，先將全部電極布置在間距相同的測點上，由主機控制供電電極和接受電極的變化，自動完成測量。由于使用了大量的電極，且電極之間可自由組合，使用此法可獲取更多的地電信息。

高密度電阻率法工作原理如圖1所示，一次性將全部電極布設(shè)在觀測剖面各測點上將數(shù)十或數(shù)百根電極一次性布設(shè)完畢，利用由程序控制的電極轉(zhuǎn)換裝置選擇不同的電極排列組合方式，形成全自動的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對所取得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過特定程序傳輸主電測主機進(jìn)行處理和自動反演成像，得到特定剖面的地電信息圖。

測定地下電阻率的公式為:

(1)

(2)

其中，ρs為視電阻率;ΔV為M與N間的電位差;I為供電電流；K為裝置系數(shù)；AM，AN，BM和BN均為各電極間的距離。

測區(qū)采用對稱四級裝置方式(溫納裝置)及A，B，M，N等距排列，其中A和B為供電電極，M和N為測量電極，電極間距為一個電極距，隨隔離系數(shù)等間隔增加。工作原理如圖2所示。

1.2 地震反射法

淺層地震反射法是工程地質(zhì)勘察工作中的重要方法，其原理利用地震波在巖、土介質(zhì)中的傳播理論，通過人工在地面激發(fā)的地震波，傳到淺部地層不同構(gòu)造分布后產(chǎn)生的反射波，通過檢波器接收反射波信號，淺層地震儀接收反射地震波，通過反射波在時間剖面上的不同分布形態(tài)分析各個地質(zhì)層的起伏變化情況和地質(zhì)構(gòu)造分布。

地震波在介質(zhì)中的傳播遵循惠更斯原理和費馬定律，在遇到不同的均質(zhì)分解面時，波會產(chǎn)生反射和透射。根據(jù)斯奈爾定律，地面上某點接收到的反射波信號實際為反射波、折射波和直達(dá)波的綜合反映，需要對所研究的波組進(jìn)行分離。

1.3 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)是將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，在地面經(jīng)發(fā)射天線(T)將信號傳入地下，到達(dá)地層界面或地質(zhì)異常體之后反射回地面的接收天線(R)，通過分析電磁波反射信號的時頻與振幅特征，得到目標(biāo)地層或地質(zhì)異常體的特征信息。其測試原理示意圖如圖3所示。

圖3中,T為發(fā)射天線，R為接收天線，X為兩者間距，H為反射點埋深，電磁波從T出發(fā)，經(jīng)層面或目標(biāo)體后反射回地面接收天線R耗時t，設(shè)電磁波在介質(zhì)中傳播速度為V，得到時距公式:

(3)

該式體現(xiàn)層面或目標(biāo)體位置與時間之間的關(guān)系。

2 研究區(qū)物探工作布置及結(jié)果解釋分析

2.1 工區(qū)地質(zhì)概況

巖溶塌陷區(qū)位于湖北省黃石市鐵山礦區(qū)西部。地勢東高西低，地面高程大多在51 m～55 m間。

根據(jù)本次勘察鉆探施工結(jié)果，在勘探深度范圍內(nèi)，該區(qū)域土層自上而下分為六層。

2.2 物探工作布置

針對研究區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害所進(jìn)行的物探工作，為查明老土橋區(qū)(主要是村民集中居住生活區(qū)域)地下50 m內(nèi)可能存在的溶(土)洞位置和大小，研究其是否與研究區(qū)地表塌陷間存在聯(lián)系，服務(wù)于之后的巖溶塌陷預(yù)測及防治工作，研究區(qū)域開展了以高密度電阻率法、地震反射法和地質(zhì)雷達(dá)探測相組合的綜合物探方法。其中探測范圍和測線布置如圖4所示，物探工作量如表1所示。

表1 實物工作量統(tǒng)計一覽表

2.2.1高密度電阻率法

本次物探工作高密度電阻率法部分使用由重慶奔騰數(shù)控研究所研發(fā)生產(chǎn)的WDJD-2型號高密度電法儀以及和該儀器配套的分析處理軟件，采用對稱四級裝置方式(溫納裝置)對各個測線剖面進(jìn)行測量。

2.2.2淺層地震反射法

本次探測工作采用地震等偏移反射測量法(COD法)，采用由中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研發(fā)的FDE24一體化地震儀，針對現(xiàn)場實際情況，設(shè)置偏移距δx=2 m，點距Δx=2 m，記錄時窗400 ms。物探工作嚴(yán)格按DZ/T 0170淺層地震勘探技術(shù)規(guī)程等國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.2.3地質(zhì)雷達(dá)

除沿測線布置的高密度電阻率法和地震反射法測點外，同時還采用地質(zhì)雷達(dá)探測研究區(qū)域內(nèi)民用建筑下的巖溶分布情況。設(shè)備選用瑞典ABEM公司設(shè)計制造的RAM-AC/GPR地質(zhì)雷達(dá)，天線對50 MHz，天線間距為24 m，自動疊加，點距50 cm自動觸發(fā)采集。

2.3 物探資料解釋

由于物探工作量較多，選取其中C3測線以及8號房屋的探測結(jié)果為例進(jìn)行資料分析解釋。

如圖5，圖6所示，從電阻率反演剖面圖分析，C3測線覆蓋層電阻率普遍在15 Ω·m～250 Ω·m間，土層電阻率等值線沿水平方向間斷不連續(xù)，成層性差，分布不均勻，土層厚度沿測線呈波浪形，起伏較大，說明此段土層沿測線方向分布不均勻，基巖電阻率等值線到達(dá)完整巖石電阻率的跨度較大，說明該區(qū)域基巖面較為起伏，完整基巖埋深約為10 m～20 m，淺部巖溶有一定的發(fā)育。在測線18 m～42 m處，有一閉合低電阻率等值線處，頂部埋深3 m；52 m～81 m處，有一條狀低阻區(qū)域，頂部埋深7 m，推測該區(qū)域有巖溶發(fā)育現(xiàn)象；測線86 m～96 m處淺部有一凹槽狀低阻區(qū)，頂部埋深5 m，低電阻率等值線變深，并伴隨一定的起伏，在該段測線處，地震反射波剖面圖同相軸不連續(xù)，并且底部下凹變寬，推斷為巖溶裂隙發(fā)育帶或巖石破碎帶，可能伴隨溶洞。

由電阻率反演剖面圖所獲信息與地震反射波剖面圖所獲信息分析，二者均對該測線區(qū)域內(nèi)可能存在的巖溶土洞發(fā)育現(xiàn)象有所顯示且具有明顯的相關(guān)性。將二者信息綜合分析反映巖溶發(fā)育區(qū)、斷裂帶充填區(qū)示意圖如圖7所示。

8號房屋雷達(dá)探測圖如圖8所示，在測線550道～700道和1050道～1200道，測深2 m～4 m處，雷達(dá)探測圖同向軸不連續(xù)，測線頂部均顯示出可追蹤的雙曲線反射，反射波組局部中斷、略微起伏，相對寬緩，顯示為長波長、強振幅。反射強度逐漸往深處降低，到中下部出現(xiàn)微弱反射，說明該區(qū)淺部可能有埋設(shè)體并有可能與淺部巖溶有關(guān)聯(lián)。

位于C3測線與8號房屋匯合處布設(shè)有鉆孔H7，巖芯取樣如圖9所示。其中深度0 m～0.7 m為雜填土，主要由粘性土、碎石等組成，其上部0.4 m為耕土；0.7 m～7.4 m為粘土，呈黃褐色，可塑，局部含少量灰白色條紋狀粘土及鐵錳質(zhì)結(jié)核。7.4 m～11.8 m為淺灰色大理巖，節(jié)理裂隙極發(fā)育，裂隙面上可見大量的泥鈣質(zhì)附著物。巖芯破碎，呈半柱狀，采取率為50%～58%，巖溶極發(fā)育，7.7 m～8.4 m發(fā)育充填可塑狀粉質(zhì)粘土的溶洞。

由電阻率反演剖面圖與地震反射波剖面圖所反映信息分析推斷C3測線上18 m～42 m區(qū)域內(nèi)地層淺部存在巖石相對破碎或巖溶發(fā)育區(qū)，而8號房屋與H7鉆孔正處于該區(qū)域內(nèi)。地質(zhì)雷達(dá)反映8號房屋地下2 m～4 m存在的異常目標(biāo)體，可能與該處存在的巖溶發(fā)育現(xiàn)象有聯(lián)系。三種物探方法所得到的分析結(jié)果互相吻合。根據(jù)H7鉆孔巖芯取樣的結(jié)果分析，驗證了綜合物探方法下該探測結(jié)果的正確性。

3 物探成果總結(jié)

通過研究區(qū)域以往勘察鉆孔的資料及本次物探(高密度電阻率法、地震反射法、地質(zhì)雷達(dá))資料的綜合分析，初步統(tǒng)計認(rèn)為有19處地段存在溶(土)洞分布，詳細(xì)情況見表2，通過對物探資料整理總結(jié)，繪制研究地區(qū)溶(土)洞分布圖見圖10。

表2 溶洞、土洞分布情況一覽表

巖溶塌陷往往需要特定的地質(zhì)條件如開啟的巖溶裂隙、一定厚度的沉積物蓋層和水動力活動條件等。綜合分析表明，塌陷區(qū)中部和西部的下伏巖層為大理巖，而該層大理巖中的淺層溶洞較發(fā)育，部分地段的土層中已經(jīng)存在土洞，本區(qū)巖溶水位較深，位于土和巖層交界面下，且有豐富的地表水及雨水補給，故具備發(fā)生巖溶塌陷的地質(zhì)條件，易發(fā)生巖溶塌陷。東北角巖層為閃長巖，巖溶難以發(fā)育。

由其分布圖可以看出塌陷區(qū)西部和中部存在多處巖溶發(fā)育破碎區(qū)和溶溝、溶槽，由于下部大理巖裂隙發(fā)育，地下水垂直運動頻繁，土層潛蝕形成土洞，土洞也集中分布于塌陷區(qū)的中西部。

4 結(jié)語

通過高密度電阻率法、地震COD反射法和地質(zhì)雷達(dá)三種探測方法對測區(qū)內(nèi)地質(zhì)情況綜合分析，彌補了單一探測方法在探測范圍、效率、準(zhǔn)確性方面的局限性，并以鉆孔所取得的巖芯信息驗證了該方法分析結(jié)果的正確性，為相關(guān)工程勘察工作提供參考。

根據(jù)本次工作的物探結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)情況和經(jīng)驗分析結(jié)果綜合分析，將本塌陷區(qū)按照巖溶發(fā)育強度分成三個區(qū)：

1)巖溶不發(fā)育區(qū)—閃長巖區(qū)—穩(wěn)定區(qū)。

該區(qū)位于塌陷區(qū)的東北角—東部，其基巖為閃長巖，基巖埋深較淺，物探工作和地質(zhì)工作未在該區(qū)發(fā)現(xiàn)溶洞，該基巖的特性也決定其巖溶不發(fā)育，因此該區(qū)穩(wěn)定性較好，其房屋可能存在的沉降問題與地基土層的不均勻性有關(guān)。

2)巖溶發(fā)育區(qū)—大理巖(Ⅰ)區(qū)—不穩(wěn)定區(qū)。

該區(qū)位于塌陷區(qū)的北部及西北部，為巖溶發(fā)育區(qū)，其特點是基巖為大理巖，巖溶現(xiàn)象發(fā)育，通過本次地質(zhì)工作，有10處溶洞(土洞)位于該區(qū)，本區(qū)易發(fā)生巖溶塌陷，為不穩(wěn)定區(qū)。

3)巖溶較難發(fā)育區(qū)—大理巖(Ⅱ)區(qū)—較穩(wěn)定區(qū)。

除了上面兩個部分外，老土橋村塌陷區(qū)的其余部分，其基巖為大理巖，通過地質(zhì)調(diào)查少見溶洞等巖溶現(xiàn)象，但其邊緣區(qū)域發(fā)育有溶洞(土洞)現(xiàn)象，考慮到土體破壞存在一定的塌陷角，本區(qū)場地的穩(wěn)定性可能受溶洞塌陷影響，屬于較穩(wěn)定區(qū)。