潘紀順, 連光明, 冷元寶,2, 寇正衛(wèi), 閆永帥, 宋朝陽, 朱　瑞

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.黃河水利科學(xué)研究院,河南 鄭州 450003;

3.河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心,河南 鄭州 450053)

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綜合物探方法在鶴輝高速公路溶洞勘查中的應(yīng)用

潘紀順1, 連光明1, 冷元寶1,2, 寇正衛(wèi)3, 閆永帥1, 宋朝陽1, 朱瑞1

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.黃河水利科學(xué)研究院,河南 鄭州 450003;

3.河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心,河南 鄭州 450053)

摘要：巖溶溶洞具有隱蔽性和不確定性,對高速公路建設(shè)會造成重大的安全隱患.應(yīng)用綜合物探方法對溶洞進行勘查,查明其賦存狀態(tài),以消除公路安全隱患.高密度電阻率法可以快速、準確地提供測區(qū)電阻率斷面圖,在探測溶洞的位置、大小和埋深等方面取得了很好的效果,但是其探測深度較淺;瞬變電磁法則顯現(xiàn)出高分辨率、快捷、大探測深度、小探測盲區(qū)、對水的賦存狀態(tài)反應(yīng)敏銳等特點.綜合應(yīng)用高密度電阻率法和瞬變電磁法對鶴輝高速K53+557 m處溶洞進行勘查,通過對勘查結(jié)果的綜合分析,共圈出3處淺部異常區(qū)和6處深部異常區(qū),圈定了溶洞的位置,并確定了其不同埋深.探測結(jié)果與后期鉆探反饋結(jié)果基本吻合,說明綜合兩種物探方法在勘查溶洞方面具有可行性和有效性,可為后期公路施工提供可靠的依據(jù).

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法;瞬變電磁法(TEM);溶洞;綜合物探方法

石灰?guī)r為可溶性碳酸鹽巖,其主要成分是碳酸鈣,在水的化學(xué)反應(yīng)和物理機械作用下,易形成巖溶等不良地質(zhì)體.而高速公路建設(shè)中[1-2],軟土地基、破壞性巖溶是常見的不良地質(zhì)體，巖溶塌陷給高速公路工程建設(shè)造成重大的安全隱患.巖溶溶洞具有隱蔽性和不確定性,通過鉆探進行勘查,不僅成本極高、效率低、局限性大、盲目性大,而且也難以調(diào)查出來溶洞的大小、規(guī)模、分布范圍.工程物探方法是調(diào)查巖溶的重要手段,可以彌補鉆探的這些不足.

國內(nèi)外有關(guān)資料表明,勘查溶洞采取以物探為主,鉆探驗證的方法.目前，主要的勘查方法有：地震映像法、地震反射波法、電磁波CT、高密度電阻率法、地質(zhì)雷達法、瞬變電磁法等.近年來高密度電阻率法在勘查溶洞方面應(yīng)用廣泛[3-6],它具有施工快捷、分辨率高、數(shù)據(jù)量大、圖像直觀、可靠等優(yōu)點,但是其探測深度相對較淺,對地形要求高.高密度電阻率法在勘查巖溶方面是可行的,能較準確地反映基巖埋深并能較直觀地反映巖溶、斷裂等地下電性異常體的形態(tài),卻難以完全查明勘察區(qū)工程地質(zhì)情況和不良地質(zhì)現(xiàn)象.瞬變電磁法在勘查溶洞方面也取得了很多的成果[7-10],瞬變電磁法探測成本較低,受地形影響小、工作效率高、對水的賦存狀態(tài)反應(yīng)敏銳、能穿透高阻覆蓋層等.瞬變電磁法在勘查溶洞方面應(yīng)用效果很好,具有良好的應(yīng)用前景.由于物探技術(shù)本身的特點所限,單個方法也存在一定的局限性,如果綜合兩種及兩種以上的方法進行勘查,可相互印證,相互補充,降低結(jié)果解釋的多解性造成的誤差,增加解釋的準確性.筆者以鶴輝高速K53+557 m處公路溶洞勘查為例,闡述綜合瞬變電磁法和高密度電阻率法兩種物探方法在溶洞勘查中的應(yīng)用,分析溶洞在視電阻率圖上的響應(yīng)特征,查明溶洞的位置及埋深等.

1工程概況

鶴輝高速東起鶴壁市淇縣高村鎮(zhèn)東南,連接京珠高速,止于新鄉(xiāng)市輝縣西平羅鄉(xiāng)西南,接擬建的新鄉(xiāng)至?xí)x城高速公路.中城北方交建鶴輝高速項目部施工至K53+557 m處,在高速公路右線匝道路基內(nèi)發(fā)現(xiàn)一直徑約1 m的溶洞口,溶洞埋深和地下大小范圍不詳,給道路建設(shè)的現(xiàn)場施工帶來很大的影響.需要準確找出溶洞的埋深和地下大小范圍以及已知溶洞附近的地下不良地質(zhì)體,為治理方案提供依據(jù).

2工程物探方法

物探方法是利用目標體與圍巖之間的物性差異,通過探測地下物理場,分析其變化規(guī)律,找出異常體.

2.1　高密度電阻率法

從20世紀80年代引入中國的高密度電阻率法,因其自動化程度高、速度快、成本低、效果好等特點,且擁有電測深法和電剖面法的特征,在近些年得到了快速發(fā)展.與常規(guī)電法的基本原理完全相同,它們都是以地下介質(zhì)體的電性不同為根據(jù)來解決地質(zhì)問題的一種物探方法.通過多種形式的電極排列得到電流與電位差值,進而可以得到地下介質(zhì)體的不同視電阻率值.根據(jù)地下介質(zhì)體視電阻率值的分布規(guī)律,就可以推測地下目標體存在的地質(zhì)問題.

此次采用了溫納α裝置探測溶洞的埋深及走向,該裝置適用于固定斷面掃描測量,電極排列如圖1所示.測量時,AM=MN=NB為1個電極間距,A,B,M,N逐點同時向右移動,得到第一條剖面線;接著AM,MN,NB增大1個電極間距,A,B,M,N逐點同時向右移動,得到另一條剖面線;這樣不斷掃描測量下去,得到倒梯形斷面[11].

圖1　溫納α裝置電極示意圖

2.2　瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)是近些年快速發(fā)展起來的時間域電磁感應(yīng)方法.其探測原理是:在發(fā)送回線上供一個電流脈沖方波,在方波后沿下降的瞬間,產(chǎn)生向回線法線方向傳播的一次磁場,在一次磁場的激勵下,地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流,其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度,在一次場消失后,該渦流不會立即消失,它將有一個過渡(衰減)過程.該過渡過程又產(chǎn)生衰減的二次磁場向下傳播,由接收回線接收二次磁場,該二次磁場的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況.按不同的延遲時間測量二次感生電動勢V(t),就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線.如果沒有良導(dǎo)體存在,將觀測到快速衰減的過渡過程;當存在良導(dǎo)體時,由于電源切斷的一瞬間,在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷,所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢,從而發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的存在[12-13].

3測線、測點布設(shè)

根據(jù)地質(zhì)任務(wù)、場地及周邊地形情況確定測線、測點的布設(shè),如圖2所示.測區(qū)東西兩側(cè)分別是耕地,北側(cè)是開挖山體,南側(cè)是高速公路.根據(jù)勘查任務(wù)、地質(zhì)條件等布設(shè)測線.高密度電阻率法測線共3條,分別是GL1,GL2,GL3.測線GL1電極距2.5 m,剖面長度277.5 m,127.5 m樁號點距離洞口1.5 m.GL2測線電極距5.0 m,剖面長度395.0 m,190.0 m樁號點距溶洞口13.5 m.GL3測線電極距5.0 m,剖面長度395.0 m,190.0 m樁號點距溶洞口25.5 m.瞬變電磁法測線共2條,分別是SL1和SL2.SL1測線點長395.0 m,點距 5.0 m,與測線GL1重合.SL2測線點長395.0 m,點距5.0 m,與測線GL3重合.洞口位于測線55.0 m樁號處.

圖2　測線布置示意圖

4成果資料解析

通過對視電阻率斷面圖的分析,推斷地下巖溶溶洞的情況.圖中橫坐標代表測線長度,縱坐標代表深度,顏色由藍到紅漸變,表示視電阻率值由低到高的變化.

4.1　高密度電阻率法成果資料解析

用瑞典Res2Dinv高密度處理軟件,擬合迭代次數(shù)3~5 次,誤差5%左右,成果圖采用surfer軟件進行處理.

4.1.1測線GL1

測線GL1的視電阻率斷面圖如圖3所示,圖中標定異常區(qū)域.測線兩端視電阻率值與第四系土層的電阻率響應(yīng)特征表現(xiàn)吻合.而現(xiàn)場記錄表明此兩處地表為第四系土層較厚的農(nóng)田.GL1測線127.5 m(距洞口1.5 m),在測線水平方向130～135 m,地下深度15 m處,有一處明顯高阻異常,推測為溶洞導(dǎo)致的視電阻率異常.在測線水平方向80～120 m與190～230 m處顯示表層高阻異常,等值線雜亂,現(xiàn)場記錄此兩處地表基巖出露,地表存在夾砂、泥巖，碎石較多，導(dǎo)致接地電阻過高，通過加土澆水，無法消除.

圖3　GL1視電阻率斷面圖

4.1.2測線GL2

GL2測線的視電阻率斷面圖如圖4所示,圖中標定異常區(qū)域.根據(jù)測線GL2斷面圖的分析,排除農(nóng)田和接地問題造成的異常.由圖可以看出:洞口正南方向?qū)?yīng)GL2測線190 m處,在測線水平方向225～235 m,地下深度22 m處,呈現(xiàn)高阻異常,可推測為溶洞.

圖4　GL2視電阻率斷面圖

4.1.3測線GL3

受場地限制,GL3測線在0～115 m段無法鋪設(shè)電極，故測線GL3與GL2在0～115 m處共線.由二者的視電阻率圖比較得知,測量結(jié)果大致相同,儀器設(shè)置參數(shù)正確,采集數(shù)據(jù)有效.GL3電阻率斷面圖如圖5所示,圖中標定異常區(qū)域.由圖5可看出:GL3測線190 m(距洞口25.5 m),在測線水平方向265～275 m,地下深度18 m處,有一高阻異常,可推測為溶洞.

圖5　GL3視電阻率斷面圖

4.2　瞬變電磁法(TEM)成果資料解釋

此次瞬變電磁探測采用重疊回線法,即發(fā)射線圈和接收線圈為同一線圈,測點為線圈中心點.儀器通過向發(fā)射線圈發(fā)送交變電流,利用接收線圈接收二次磁場信息,通過儀器處理,存儲為計算機數(shù)據(jù).分別在勘測線SL1和SL2上進行測量.

4.2.1測線SL1

SL1測線水平方向0～80 m,距高壓線較近,受高壓線影響較大,雖經(jīng)多次濾波、壓制干擾處理,還是不能完全消除影響.

圖6為測線SL1的視電阻率斷面圖,圖中標定異常區(qū)域.由圖6可知：測線水平方向65 m位置,高阻異常,與高密度GL1測線水平方向130 m位置的異常相對應(yīng),地下深度18 m,推測為溶洞導(dǎo)致的視電阻率異常；水平方向100 m位置,地下深度22 m,高阻異常，推測為溶洞,低阻異常推測為潮濕充水的洞隙可能.

圖6　瞬變電磁SL1測線視電阻率斷面圖

4.2.2測線 SL2

圖7為測線SL2的視電阻率斷面圖,圖中標定異常區(qū)域.SL2測線水平方向0～125 m,離高壓線較遠,不受干擾,25～140 m段低阻異常推測為潮濕充水的洞隙可能.由圖7可知,高密度GL3測線270 m處出現(xiàn)的異常對應(yīng)SL2線135 m處異常,但高阻異常不明顯,可能是干擾所致.水平方向100 m位置,地下深度22 m,高阻異常推測為溶洞,低阻異常推測為潮濕充水的洞隙可能.

圖7　瞬變電磁SL2測線視電阻率斷面圖

4.3　綜合分析

高密度電阻率法控制深度為30 m,瞬變電磁法的控制深度為50 m,重合深度的異常點基本吻合.通過取得的資料進行綜合分析,互為驗證,初步圈定淺部探測異常區(qū)3處和深部探測異常區(qū)6處，如圖3—7所示.其中:①Q(mào)GY1，QGY2，QGY3 3處淺部高阻異常,異常區(qū)面積分別為44,110,270 m2,深度分別為地下3,4～9，3～10 m;②DY1,DY2,DY3 3處深部低阻異常區(qū),異常區(qū)面積分別為514,833,436 m2,深度分別為地下10～20,10～20，15～25 m;③GY1,GY2,GY3 3處深部高阻異常區(qū),異常區(qū)面積分別為621,745,471 m2,深度分別為地下10～20,15～25，10～30 m.

該物探結(jié)果與施工方后期的鉆探反饋結(jié)果基本吻合.

5結(jié)語

1)高密度電阻率法對巖溶溶洞探測效果非常好,并且效果圖很直觀,易于觀察和解釋.瞬變電磁法(TEM)探測低阻體特別靈敏.但是單一的物探方法具有一定的局限性,將二者結(jié)合起來,相互補充、驗證,能夠減少單一物探方法成果資料解析的多解性和外界干擾造成的偽異常,提高探測的準確度.

2)圈定淺部探測異常區(qū)3處和深部探測異常區(qū)6處,圈定了溶洞的位置,并確定了其不同埋深.

3)檢測結(jié)果和后期鉆探結(jié)果基本吻合,證明綜合這兩種方法探測地下溶洞是有效的.

4)這兩種物探數(shù)據(jù)的解釋是按照各層位視電阻率值的相對大小來解釋的,因此解釋中會存在一定的誤差.通過鉆探和已知地質(zhì)資料進行補充校正,能夠更好地解決地下地質(zhì)問題,為工程建設(shè)提供可靠的施工保障.

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(責(zé)任編輯:喬翠平)

Application of Integrated Geophysical Survey Method in Karst Exploration in He-Hui Highway

PAN Jishun1, LIAN Guangming1, LENG Yuanbao1,2, KOU Zhengwei3, YAN Yongshuai1,

SONG Chaoyang1, ZHU Rui1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;

2.Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003, China; 3.Henan Provincial Coal Field

Geological Resources and Environment Research Center, Zhengzhou 450053, China)

Abstract:Karst caves with concealment and uncertainty, can cause major security hidden danger for highway construction. To eliminate security hidden dangers in highway, karst caves are detected with integrated geophysical survey method, and their occurrence states are found out. High-density resistivity method can provide electrical resistivity cross-section diagrams accurately and quickly, and has excellent effect in detecting the location, the size, and the depth of karst caves, but its detecting depth is shallower. Transient electromagnetic method has some characteristics, such as high resolution, high speed, big detecting depth, small detecting blind zone and keen sensitivity to water occurrence states. The karst caves in K53+557 m in He-Hui highway were detected by the combination method of high-density resistivity method and transient electromagnetic method, after comprehensively analyzing the detecting results, three outliers in the shallow positions and six outliers in the deep positions were discovered and circled, and the locations of karst caves were circled, and their depth was determined. The exploration results are consistent with the later drilling feedback results, which illustrates the combination scheme of two geophysical survey methods is feasible and effective to detect karst caves, and it provides some reliable basis for highway construction.

Keywords:high-density resistivity method; transient electromagnetic method; karst cave; integrated geophysical survey method

中圖分類號：P631

文獻標識碼：B

文章編號：1002-5634(2015)02-0049-05

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.011

作者簡介：潘紀順(1968—),男,河南鄭州人,教授,博士，主要從事地球物理勘探方面的研究.

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(41372260).

收稿日期:2014-11-24