蔣發(fā)生

（邵陽市水利水電勘測設(shè)計院 邵陽市 422000）

在現(xiàn)有的勘察手段中，物探方法具有速度快、造價低的特點，但是，任何一種物探方法，都有其應(yīng)用的前提條件，都存在著一定的多解性，這些特點影響了物探成果的精度及準確性，正是這些局限，限制了物探方法的應(yīng)用效果。如果能夠采用綜合物探手段，有針對性地選取幾種物探方法技術(shù)組合，互相映證、互相補充，就能明顯地提高物探資料的準確度，有效地解決巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害快速勘察的問題。

1 物探方法的選擇

巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)前提是存在可溶性巖層，在我國主要為碳酸鹽巖。本文著重分析碳酸鹽巖地區(qū)各種地質(zhì)體的物性差異，實測部分數(shù)據(jù)及收集到的物性參數(shù)如表1、表2所示。

表1 電性參數(shù)統(tǒng)計成果表

表2 電磁及彈性波參數(shù)表

由表1、表2可以看出，粘土、灰?guī)r及巖溶裂隙帶之間有較大的電阻率、彈性波速度及電磁波速度差異，為采用電法、淺層地震勘察及地質(zhì)雷達勘查提供了較好的地球物理前提條件。

高密度電阻率法是近年來興起的一種新的直流電法勘察方法，它一次性將電極布置到位，采用智能儀器實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集。與常規(guī)電法比較，具有速度快，采集數(shù)據(jù)信息量大的特點。結(jié)合現(xiàn)代計算技術(shù)，對觀測數(shù)據(jù)進行地形改正，做二維或三維正、反演計算，可明顯提高解譯精度與可靠性，因此，高密度電阻率法是巖溶塌陷地質(zhì)害勘察的首選物探方法。

隱伏土洞發(fā)生和發(fā)展是導(dǎo)致巖溶地區(qū)地表塌陷地直接原因，危害極大。而多波地震映像、瞬態(tài)面波、地質(zhì)雷達等方法勘察隱伏土洞效果顯著，而且測線受地形地物限制較小，是巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害勘察中重要的物探方法。

綜合以上分析，在充分調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀及環(huán)境地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高密度阻率法查清隱伏巖溶發(fā)育帶特征及空間分布規(guī)律、場區(qū)控制巖溶發(fā)育的構(gòu)造特征、第四系覆蓋層的厚度及性質(zhì)；應(yīng)用多波地震映像、瞬態(tài)面波、地質(zhì)雷達等方法在公路、居民區(qū)、廠區(qū)查清對構(gòu)筑物安全影響極大的隱伏土洞、地表塌陷松動帶，是巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害勘查中行之有效的綜合物探方法組合。

2 工程實例

2005年11月27日，某煤礦發(fā)生礦坑突水事故，引起礦區(qū)周邊的農(nóng)田發(fā)生大量地面裂縫及塌陷，房屋開裂變形，井泉干枯。截止2005年12月10日，已發(fā)現(xiàn)89個塌坑，其中規(guī)模最大約24.6m×20m，塌坑深度最深約7m。一棟房屋局部倒塌，多棟房屋嚴重受損；公路開裂，交通中斷；災(zāi)區(qū)內(nèi)井泉及地表水系干涸，人畜出現(xiàn)飲水困難，192人被迫搬遷集中安置。災(zāi)害危及周圍村鎮(zhèn)共2000余居民的生命及財產(chǎn)安全。

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后，邵陽市水電勘測設(shè)計院承擔了本次地質(zhì)災(zāi)害勘查任務(wù)。采用了以高密度電阻率法、多波地震映像、瞬態(tài)面波、地質(zhì)雷達等綜合物探手段，迅速查明了災(zāi)區(qū)第四系巖性、結(jié)構(gòu)、厚度、含（透）水性及其工程地質(zhì)特征，查明走向大于50m、寬度大于5m，埋深40m以內(nèi)的淺部巖溶和土洞發(fā)育帶的空間分布及特征，查明了控制巖溶發(fā)育的隱伏斷層構(gòu)造，為地質(zhì)災(zāi)害評詁治理提供了基礎(chǔ)資料，取得了良好的地質(zhì)效果。

2.1 勘查方法技術(shù)概述

勘查基本網(wǎng)度為線距50m，高密度電法點距5m，多波地震映像點距0.5m，瞬態(tài)面波點距3m。在房屋密集處，采用不規(guī)則測網(wǎng)。

在1∶5000地形圖上設(shè)計好物探測線后，每條測線每50m用全站儀實測一個物探點位控制點，并在現(xiàn)場標記位置，其余物探點位用皮尺、測繩量距加密。

2.2 高密度電法工作方法及效果

2.2.1 工作方法

采用重慶地質(zhì)儀器廠產(chǎn)DUK—Ⅱ高密度測量系統(tǒng)，在已知巖溶塌陷坑上方布置試驗剖面（109線），應(yīng)用不同的裝置及參數(shù)進行對比。最終選定單邊三極裝置，點距5m，觀測18層數(shù)據(jù),無窮遠極垂直測線方向，極距大于500m。

勘查基本網(wǎng)度為線距50m，點距5m，在災(zāi)情嚴重的重點區(qū)線距加密至20m。

室內(nèi)將野外采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機，與野外記錄仔細核對后，對于個別畸變點進行圓滑處理后，用RES2DⅠV專用軟件進行正反演計算，得到彩色正反演視電阻率斷面圖。

2.2.2 地質(zhì)效果

高密度電法在本項目中作為主導(dǎo)的物探方法，在查清場區(qū)巖溶分布特征、第四系厚度及特征、隱伏斷裂斷造等方面效果明顯。

（1）高密度電法在圈定巖溶發(fā)育帶中的應(yīng)用效果。

根據(jù)實測資料，第四系覆蓋電阻率值變化較大，一般為（70～800）Ω/m，在山坡局部地段可達1200Ω/m。 下伏基巖視電阻率值較均一，一般為（15000～22000）Ω/m。在視電阻率等值線斷面圖上，在土層與基巖的接觸面上，電阻率梯度大，表現(xiàn)為等值線密集。依據(jù)以上特征，以視電阻率變化較大的拐點來勾畫確定第四系覆蓋層厚度。

在巖溶區(qū)上有明顯的低電阻反映，邊界電阻率梯度大等特征，異常位置、邊界、埋深反映明顯，易于判別（圖1）。經(jīng)鉆孔驗證，高密度電法剖面低阻異常區(qū)均發(fā)現(xiàn)溶洞、溶槽等巖溶現(xiàn)象，相對高阻異常則基巖取芯完整。因此，本地區(qū)巖溶發(fā)育帶可根據(jù)低阻異常圈定，其高密度電法異常特征為：封閉或半封閉低阻異常，邊界有較大的電阻率變化梯度。

圖1 109線高密度電法效果圖

高密度電法視電阻率等值線平面圖（圖2）反映了工作區(qū)宏觀電性特征、巖溶帶整體走向、規(guī)模及基巖面的深度。

根據(jù)高密度電法異常，圈出各剖面低阻異常邊界，以相鄰剖面測點的相對關(guān)系，連接異常邊界點，綜合考慮地表變形特征，圈定巖溶發(fā)育帶。

（2）高密度電法勘查隱伏斷層構(gòu)造。

●高密度地電斷面圖上的梯度異常是隱伏斷層的重要標志。

圖2 視電阻率等值線平面圖（局部，AB/2=90m）

在高密度正、反演地電斷面上存在明顯的視電阻率梯度異常，在正反演圖像上均可看到，在高阻區(qū)出現(xiàn)陡斜的低阻色區(qū)，傾角一般大于40°，低阻區(qū)反映了灰?guī)r破碎充水，低阻區(qū)的寬度和延伸方向反映了破碎帶的寬度和傾向（圖3）。相對巖溶發(fā)育帶，斷裂帶形成的低阻具有梯度大、異常寬度小、深度大的特點，依據(jù)這些特征可以區(qū)分斷層和一般巖溶發(fā)育帶的低阻異常。

圖3 F1斷層在高密度電法地電斷面圖上的標志（90線）

●隱伏斷裂帶在ρs平面等值線圖上的異常特征。

平面ρs等值線圖 （圖3）反映了測區(qū)的宏觀地電特性，南部（青玄）低阻區(qū)呈條帶狀，視電阻率值（40～85）Ω/ m，主要反映了長興組（P2c）、茅口組上段（P1m3）泥巖的低阻特征。北部（雙龍、長龍）區(qū)域低阻區(qū)呈塊狀，視電阻率值相對南部較高，視電阻率值（70～100）Ω/m，主要反映了第四系的厚度。由于斷層破碎帶的切割，形成了狹長的梯度帶，使上述整體地電特征受到畸變，這些特征反映了斷層破碎帶在平面上的走向。

2.3 淺層地震法多波地震映像

炮點至檢波點距離8m，3.5Hz、10Hz、100Hz3個檢波器組合檢波，人工錘擊震源，測點間距0.5m，采樣率0.25 ms，采樣長度1024個樣點，同時接收包含地下地質(zhì)體信息的折射波、反射波，面波等多種波。

將野外采集的數(shù)據(jù)文件與野外記錄對照檢查，剔除非正常道后，將同一測線的數(shù)據(jù)文件依序拼接，形成彩色映像圖。

在巖溶區(qū)，同相軸出現(xiàn)“走時”加大，出現(xiàn)反射?。辉谌芏催吔缟隙嗖ㄖ黝l及振幅發(fā)生明顯變化（圖3）；說明多波地震映像在本區(qū)勘查巖溶洞隙是有效的。

在多波地震映像圖上，繞射波與散射波多為溶洞反映。當擊振點激發(fā)各種彈性波在地下傳播時，各種波到達巖溶裂隙這種極小低速體而受阻，形成波的射波和散射，據(jù)此可以圈定溶洞的平面位置。多種波表現(xiàn)為同相軸不連續(xù)或中斷，同相軸變化的地段為巖溶區(qū)或塌陷區(qū) （圖4）。同相軸兩邊的拐點或轉(zhuǎn)折點反映了巖溶的邊界。

圖4 301、302線多波地震映像效果

通過已知巖溶段實測剖面試驗，在多波地震映像圖上，選取一組近似反射波同相軸作為時深轉(zhuǎn)換，選用以下公式，計算各測點巖溶深度近似值。

式中 Hi——第i點的深度（m）；

Ti——接收點的時間（s）；

Xi——激發(fā)點到點的距離（m）；

2.4 瞬態(tài)面波方法技術(shù)及應(yīng)用

（1）瞬態(tài)面波方法技術(shù)。

采用6道3.5Hz檢波器接收，8m偏移距，道間距1m，人工錘擊震源，全通濾波。

應(yīng)用面波測探映像處理軟件對野外采集的數(shù)據(jù)進行濾波抑制干擾后，在時間～空間域提取面波，時間～頻率域圈出面波基階模態(tài)能量峰，合成頻散數(shù)據(jù)文件。

（2）瞬態(tài)面波勘察土洞、松散土體效果。

如圖5所示，土洞上方面波頻散曲線出現(xiàn)中斷，無深部信息（圖a）；在巖溶裂隙發(fā)育部位或松散土體上部，頻散曲線在4m以下位置出現(xiàn)速度倒轉(zhuǎn)、離散（圖b）；在正常區(qū)，面波頻散曲線完整、連續(xù)，無大的速度倒轉(zhuǎn)（圖c），面波速度較大。

圖5 M20、M13瞬態(tài)面波頻散曲線圖

2.5 地質(zhì)雷達

使用瑞典產(chǎn)RAMAC/GPR地質(zhì)雷達，50MHz不屏蔽天線和250MHz屏蔽天線，50MHz天線采樣率694MHz，250MHz天線采樣頻率1948MHz，采樣長度均為512個樣點。

50MHz天線主要用于公路及房屋外圍部位，快速勘查淺部隱伏溶溝、溶槽及上部隱伏土洞，勘查深度一般為15m；250MHz天線主要用于房屋內(nèi)勘查隱伏土洞，勘查深度約5m。地質(zhì)雷達勘查隱伏淺部巖溶和土洞效果明顯，如圖6所示，在巖溶（土洞）區(qū)，電磁反射波出現(xiàn)同相軸不連續(xù)，拋物線型反射弧是土洞存在的標志。

在巖溶發(fā)育段，反射電磁波同相軸不連續(xù)，能量衰減明顯，在正常地段，反射電磁波同相軸連續(xù)、清晰。對于隱伏土洞，可以看到拋物線狀的反射弧，依據(jù)這些特征可以劃出巖溶或土洞的邊界。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，由地質(zhì)雷達觀測圖像的反射波的時間換算成深度，可以確定巖溶的埋深。

圖6 地質(zhì)雷達效果圖

3 結(jié)語

（1）高密度電阻率法是近十幾年來興起的新的地球物理勘查方法，與常規(guī)電法比較，它具有施工效率高、采集數(shù)據(jù)信息量大，結(jié)合現(xiàn)代計算技術(shù)進行正反演計算，資料分辨率更高、資料成果直觀可靠。在巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害勘查中，高密度電阻率法能有效解決第四系覆蓋層厚度、巖溶發(fā)育特征、控制巖溶發(fā)育的隱伏斷層構(gòu)造等地質(zhì)問題。

（2）淺層地震多波地震映像法能夠有效地發(fā)現(xiàn)淺層巖溶、土洞及巖溶塌陷松動帶，塌陷體（由塌陷坑、松動帶組成）、土洞具低彈性波速和低電磁波速特征，地震映像圖呈現(xiàn)多波同相軸從不連續(xù)到中斷再到不連續(xù)，兩邊的不連續(xù)區(qū)為巖土體松動邊界、中斷區(qū)為陷坑區(qū)或土洞；但對深度確定有較大的誤差。地震映像測線布置受場地限制較少，在測線通行障礙物較多、地下游散電流較大的情況下，能較好地彌補電法的不足。

（3）瞬態(tài)面波法較準確地查清覆蓋層厚度、土洞、巖溶塌陷松動帶及淺部巖溶。尤其重要的是，土層面波速度與其承載力有著密切的相關(guān)性，結(jié)合少量土工試驗及原位測試結(jié)果，通過瞬態(tài)面波法可以確定土層的巖土工程力學(xué)性質(zhì)。土層的厚度及其工程力學(xué)性質(zhì)是影響巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展的至關(guān)重要的因素，瞬態(tài)面波法能較好地查清上述問題，并能部分代替鉆孔及原位測試，滿足巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害快速勘查的需要，并能減少勘查成本。

（4）地質(zhì)雷達是地球物理勘查的新方法、新技術(shù)，勘查速度快、分辨率高，土洞、巖溶在地質(zhì)雷達剖面有強的繞射和散射波形，邊界出現(xiàn)異常波和正常波同相軸相切的特征。建筑物下隱伏淺部土洞對建筑物危害極大，查清建筑物下隱伏淺部土洞對于評價和預(yù)測巖溶地質(zhì)質(zhì)災(zāi)害對現(xiàn)有建筑物的影響有著決定性的作用。使用地質(zhì)雷達（250MHz屏蔽天線）在已有建筑物內(nèi)部或旁測查清隱伏土洞取得了較好的效果，這是其它勘察方法難以達到的。