基于高密度電法的巖溶勘查
——以棗莊某工程為例

武志敬，朱文科，李兆令*，代小強，靳立杰

(1.山東省第五地質礦產勘查院，山東 泰安 271000；2.安徽省地質礦產勘查局312地質隊，安徽 蚌埠 233040；3.重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，重慶 410047;4.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250014)

0 引言

在灰巖地層中，巖溶廣泛發育，當發生在有人類活動的地區時，尤其是在工民建工程中，往往會成為地質災害，給人們的生命和財產安全帶來一定的威脅。因此，在施工前對場地一定深度范圍內的巖溶洞穴和斷裂進行勘查是十分必要的。目前巖溶探測的常用物探手段主要有地質雷達、高密度電法、淺層地震法等，這些方法均有各自優勢和局限性[1-5]。相對而言，高密度電法具有受干擾因素少、施工方便、裝備輕便、技術成熟等特點，已成為國內巖溶勘查的主要方法。

山東省棗莊市某工程場地在前期工程勘察過程中，發現場區局部存在黏土充填溶洞。為進一步查明場區巖溶發育情況，對場區工程地質條件進行綜合性評價，開展了高密度電法工作，主要目的是了解建筑地基范圍內淺部地層分布狀況，劃分斷裂構造，基本查明樓基礎以下巖溶發育特征，為該工程樓基礎的設計處理提供相應的地球物理依據。

1 地質及地球物理概況

1.1 地質概況

區域地層主要以寒武紀三山子組、炒米店組、崮山組、張夏組、饅頭組和朱砂洞組為主[6]。近場區范圍周邊發育有NW向斷裂，為非全新活動斷裂且距離場區較遠，對擬建場地的穩定性無明顯影響[7]。區域內主要發育新太古代晚期巖漿巖及中生代燕山早期侵入巖，巖性以片麻狀中粒含黑云角閃二長花崗巖和花崗閃長玢巖為主。

場區原為第四系覆蓋，根據場區勘察孔揭露，第四系平均厚度0.43m，其下為褐色、灰綠色含砂黏土，含砂約 30%，部分含風化碎塊，局部基巖出露，下伏燕山晚期侵入巖斜長角閃片麻巖及寒武系石灰巖，兩者為侵入接觸。

石灰巖多呈中風化，厚層狀—巨厚層狀，裂隙發育不均勻，多數地段以閉合狀或微張節理裂隙為主，頂部巖溶較發育，完全填充黏性土。

斜長角閃片麻巖呈強風化，灰白色—灰綠色，粗粒變晶狀結構，片麻狀構造，裂隙發育不均勻，多數地段以微張節理裂隙為主。

花崗閃長玢巖呈全風化或強風化，全風化呈土狀，成分以石英、長石為主；強風化呈粒狀結構，組織結構尚清晰，礦物成分以石英、長石為主，含少量角閃石和黑色云母等暗色礦物。

1.2 地球物理特征

淺部地層以黏土及殘積土層為主，電阻率較低，在20Ω·m以下；風化花崗閃長玢巖及變質巖類片麻巖電阻率稍高，野外實測在15～40Ω·m 之間；完整灰巖電阻率最高，為n×10～n×100Ω·m之間。通常情況下，當有斷裂或全充填溶洞存在時，巖石破碎造成電阻率降低，當有空洞存在時，電阻率變大(表1)。

表1 工作區巖石(土)實測電阻率一覽表

完整地層所獲得的視電阻率等值線在斷面圖上呈層狀展布，視電阻率整體連續性較好，當有構造、斷裂或溶洞等存在時，視電阻率等值線在斷面圖上會出現明顯的錯動，引起局部的突變現象，從而可以通過分析視電阻率曲線形態，達到尋找裂隙、巖溶發育區的目的[8-9]。

2 主要工作方法

2.1 工作布置

高密度電法勘探線均沿建筑物基礎南北兩側布設(圖1)，并盡可能控制建筑物基礎于測線中部，每棟建筑布設2條測線，依據基礎寬度測線距離15m左右。其中L1線～L4線測線長118m，點距2m，方位角107°；L5線～L6線測線長177m，點距3m，方位角107°；L7線～L10線測線長177m，點距3m，方位角90°。每條測線起始點均用木樁固定標記，采用皮尺測量定位和 GPS 定點相結合的方法確定點位[10]。

1—張夏組灰巖；2—饅頭組頁巖；3—朱砂洞組灰巖；4—花崗閃長玢巖；5—斜長角閃片麻巖；6—驗證鉆孔及編號；7—樓基范圍；8—物探測線及編號圖1 工程部署及場區基巖分布推斷圖

2.2 儀器及方法

高密度電法勘查工作使用儀器為重慶精凡科技有限公司生產的N2電法測量系統。

野外數據采集工作采用溫納裝置進行，該裝置模式是高密度電法裝置中比較常用的一種，它能較詳細采集地層的地電異常信息，被廣泛應用于巖溶探測工作中。測量時，供電電極AB和測量電極MN之間具有AB=BM=MN=a的關系，A、B、M、N同時逐點向右移動，測得第一層的視電阻率；接著a變大一個電極間距，A、B、M、N 再同時逐點向右移動，得到第二層的視電阻率；這樣逐層掃描測量下去，直至測完預先設定的最大層數，得到上寬下窄的梯形斷面[11-13]。

高密度電法勘查工作供電時間0.5s，測量層數18層，測量間隔50ms。

工程施工條件比較復雜，場地局部已開挖，部分地段接地條件不好，各剖面數據采集之前均逐個讀取了電極的接地電阻，對于電阻過大的電極或澆水或更換，都及時進行了處理；水泥路面按照點距逐個打孔，保證電極的接地條件；由于場地有電纜存在，數據采集時均在停電一定時間后進行，盡可能地將潛在干擾的影響降到最低。

2.3 數據處理及反演

在數據測量過程中，有時會受到一些隨機噪聲的影響，為消除這些隨機干擾的影響，對所采集數據進行后期檢查，采用數據剔除或滑動平均方法進行數據處理。數據反演采用最小二乘法，重點進行了初始模型的構制。初始模型的構制采用實測數據，在水平和垂向均依非均勻尺度劃分，即中央部位采用3m×3m，在水平方向向兩側相繼以1.5倍逐步加大網格尺寸，在垂向方向底部相繼依1.3倍逐步增大，為了使迭代不失真，迭代次數選擇為3～6次。

3 資料解釋

3.1 典型剖面解釋及驗證

項目針對5棟樓基礎各施工2條高密度電法剖面，兩剖面視電阻率等值線分布特征基本一致，選取5條剖面作典型性研究。

3.1.1 L2剖面

L2剖面位于場地西部，從圖2可以看到，L2剖面樓基礎范圍以內視電阻率ρs在 20～100Ω·m之間變化，大部分在 50～60Ω·m 之間，數值相對較高。自基礎右上角 32號點上部至 68 號點勘探剖面中下部約28m形成一條視電阻率在 50～100Ω·m之間的窄狹條帶狀相對高阻異常帶。結合地質資料推斷基礎范圍30m以淺應為溶蝕厚層狀灰巖的反映，其中窄狹條帶狀相對高阻異常帶類似巖溶裂隙未被黏土充分充填即半充填洞穴的地電異常特征，下部的相對低阻區域推測為局部溶蝕發育溶洞、裂隙充填黏土形成的地電異常。

1—殘積土；2—完整灰巖；3—溶蝕灰巖；4—斜長角閃片麻巖；5—充填型溶洞；6—斷裂及編號；7—鉆孔及編號；8—樓基范圍圖2 L2剖面綜合成果圖

設計鉆孔位于58號點，垂直孔深 30m，預計將穿透黏土(殘積土)、溶蝕厚層石灰巖、完整灰巖等地層。實際施工驗證孔ZK1，在鉆深 6.5m、鉆深 7.5m均見 20cm空洞，鉆深 22.5～24.0m見 1.5m溶蝕洞穴，鉆深 25.7～26.5m見 0.8m空洞，下部為厚層灰巖未穿透。該區域厚層灰巖局部溶蝕洞穴、節理、裂隙、溶溝、溶槽發育由黏土充填、局部半充填，影響地基穩定性[14-16]。

3.1.2 L4剖面

L4剖面位于L2剖面東部，部分與L2剖面重合。從圖3可以看到，L4剖面樓基礎范圍以內視電阻率ρs在15～60Ω·m之間變化，視電阻率ρs呈現左下部高(基本在 50～60Ω·m之間)右上部低(多在 20Ω·m左右)的特征。從左上角46號點淺部至中部 64號點底部形成明顯的視電阻率梯度帶，梯度帶兩側視電阻率差異明顯。結合地質資料推斷基礎左邊部及左下部高阻區應為厚層狀灰巖的地電反應特征區域。右邊及右上部低阻區應為以斜長角閃片麻巖為主的變質巖分布的地電特征區域，斜長角閃片麻巖風化嚴重，ρs值在20～30Ω·m之間。灰巖和斜長角閃片麻巖接觸部位有較緩東傾的斷裂構造存在，沿斷裂可能有巖溶發育和構造碎裂巖分布。

1—殘積土；2—完整灰巖；3—斜長角閃片麻巖；4—空洞；5—斷裂及編號；6—鉆孔及編號；7—樓基范圍圖3 L4剖面綜合成果圖

該剖面于 58號點設計鉆孔，垂直孔深 30m，預計將穿透黏土(殘積土)、斜長角閃片麻巖、構造帶、灰巖等地層。實際施工驗證孔ZK2，上部為強風化斜長角閃片麻巖，巖心較破碎，鉆深 17.3m見灰巖，灰巖較破碎，呈塊狀、短柱狀，局部有蜂窩狀溶洞被黏土充填，鉆深 19.8～20.1m見 0.3m空洞，下部為厚層灰巖未穿透。

3.1.3 L6剖面

L6剖面位于L4剖面東部，從圖4可以看到，L6剖面樓基礎范圍以內剖面視電阻率ρs在 10～25Ω·m之間變化，整體呈低阻特征。結合前期勘察資料推斷該基礎底部主要分布古老變質巖類，巖性變化不大，基本以強風化斜長角閃片麻巖為主。淺部未見其余巖類電性層。因變質作用前原巖不完全相同，變質作用后巖石完整性強度略有差異，受區域地質作用及周邊構造運動影響，地基基巖風化嚴重造成電阻率降低是形成低阻電性特征的主要原因。綜合判斷該地基屬于軟弱地基。

1—雜填土；2—斜長角閃片麻巖；3—樓基范圍圖4 L6剖面綜合成果圖

3.1.4 L8剖面

L8剖面位于L6剖面北部，從圖5可以看到，L8剖面樓基礎范圍以內剖面視電阻率ρs在 15～30Ω·m之間變化，上部20m以淺視電阻率較低，下部視電阻率相對較高，斷面126號點淺部向 72號點-50m深度存在一向左傾的相對低阻帶。結合地質資料推斷左上部應為強風化花崗閃長玢巖的地電反應，該處花崗閃長玢巖風化嚴重，ρs值在 20～30Ω·m之間；右下部應為厚層灰巖的地電反應；二者接觸部位的左傾低阻帶為斷裂發育引起，沿斷裂推斷有巖溶和構造碎裂巖分布。

1—殘積土；2—完整灰巖；3—溶蝕灰巖；4—斜長角閃片麻巖；5—花崗巖；6—充填型溶洞；7—斷裂及編號；8—鉆孔及編號；9—樓基范圍圖5 L8剖面綜合成果圖

該剖面于 80號點施工鉆孔ZK3，上部為花崗閃長玢巖，自33.4m開始溶洞斷續出現，溶洞局部黏土半充填，42.2m以下見 2m左右厚層白云質灰巖，呈短柱狀，局部呈碎塊狀。后因鉆孔坍塌嚴重，移位后仍未達到設計的 60m深度。

3.1.5 L10剖面

L10剖面位于L8剖面北部，從圖6可以看到，L10剖面樓基礎范圍以內剖面視電阻率ρs在 15～260Ω·m之間變化，斷面左側視電阻率較高，數值大部分在50Ω·m以上，等值線較密集，推斷為厚層狀白云質灰巖的地電反應；右側視電阻率較低，數值大部分在35Ω·m以下，等值線較稀疏，推斷為全風化花崗閃長玢巖(上部為殘積土)的地電反應；二者接觸部位(分界面如圖6所示，高密度勘探線 72號點淺部至138 號點50m 深度)有寬 2～4m以棕紅色為主的雜色薄層泥(鈣)頁巖分布。在視電阻率斷面等值線圖中 138 點上部至 96 號點中深部有一左傾低阻異常帶，推斷為局部斷裂切割，沿斷裂可能有巖溶發育和構造碎裂巖分布。

1—殘積土；2—完整灰巖；3—溶蝕灰巖；4—頁巖；5—花崗巖；6—充填型溶洞；7—空洞；8—斷裂及編號；9—鉆孔及編號；10—樓基范圍圖6 L10剖面綜合成果圖

該剖面于96號點設計鉆孔，垂直孔深60m，預計將穿透黏土或花崗閃長玢巖殘積土，灰紫色泥鈣質頁巖，灰巖溶蝕裂隙、溶洞及破碎構造帶，完整灰巖等地層。實際施工鉆孔ZK4，上部為花崗閃長玢巖殘積土，17.3～18.9m見灰紫色泥頁巖，以下為灰巖，其中鉆深 25.4～26.1m見0.7m溶蝕空洞，鉆深 33.2～37.5m巖石斷續出現溶洞，溶洞被黏土充填，且此段巖石破碎嚴重。下部為厚層狀白云質灰巖，鉆孔鉆至48m未穿透。

3.2 綜合成果解釋

從以上5條典型的高密度電法剖面推斷與鉆孔驗證結果可知，雖然有個別巖溶的深度和規模與推斷結果不完全一致，但整體上誤差較小，鉆孔結果與物探解釋推斷成果整體上吻合度較高，證明了基于高密度電法的巖溶勘查的有效性和準確性，為工程施工提供了可靠的指導和依據。

區內不同高密度電法剖面的視電阻率具有明顯的差異，分別指示了不同巖性的分布范圍及特征。綜合5條典型剖面的地電特征分析解釋結果，可推斷出場區淺部地層的分布情況(圖1)，為合理布設補勘提供了指導：場區西部廣泛分布石灰巖，該區灰巖溶蝕洞穴、節理、裂隙、溶溝、溶槽發育由黏土充填、局部半充填，局部有小范圍泥巖呈條帶狀展布；北部有花崗閃長玢巖侵入，風化嚴重，地表為殘坡積，下部與灰巖接觸部位發育斷層構造；場區南部基本以強風化斜長角閃片麻巖為主，受區域地質作用及周邊構造運動影響，基巖風化、滲水嚴重，形成明顯的低阻電性特征。

高密度電法剖面電性反映及鉆孔驗證結果揭示了本區巖溶裂隙發育特征和規律，區內巖溶可分為兩類，一類是灰巖內部巖溶，該類主要發育在灰巖內部，多表現為全充填型溶洞；另一類多沿灰巖和其他巖性接觸界面及斷層構造帶發育，多表現為半充填型或空洞，構造為好的導水通道，地下水的流動對兩側圍巖具有強烈的侵蝕作用，形成有利的巖溶發育環境[17-20]。地下水在沉降、運移的過程中不斷的對溶腔進行洗刷、侵蝕，帶走了充填的黏土，造成溶洞進一步的中空和擴大。

4 結論

(1)通過對工程場區開展高密度電法勘查工作，基本查明了樓基礎淺部的地電特征，結合相關勘察和地質資料分析，推斷、理順了區內地層層序，為場區巖性識別編錄提供了依據。

(2)通過資料研究劃出了基巖上部覆蓋層厚度，推斷斷裂構造2條，并劃出巖溶發育區 4處。根據高密度電法剖面電性反映及鉆孔驗證結果總結了巖溶裂隙發育特征和規律。全充填型溶洞多發育在灰巖內部基巖破碎處，空洞多沿灰巖和其他巖性接觸界面及斷層構造帶發育。

(3)本次高密度電法工作場所推斷的斷裂和部分巖溶發育區在前期初勘階段鉆孔中并未揭露，但被本次所建議的驗證孔逐一證實，既為下一步補勘工作提供了參考，也說明了高密度電法對巖溶、斷裂等地質災害探測的有效性和物探工作的必要性，為今后同類工作提供了一定的借鑒意義，也積累了有益的經驗。