王忠波，吳波，李勇，袁晨瀚

貴州西南巖溶地質(zhì)特征及常用勘察技術(shù)及應(yīng)用

王忠波1，吳波1，李勇1，袁晨瀚2

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，成都 611734；2.成都理工大學(xué)，成都 610051）

巖溶地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地下水文網(wǎng)錯綜復(fù)雜，對工程建設(shè)影響程度很大。本文對貴州西南某工程地段巖溶類型、特征以及易引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題進行了分析；介紹了5種常用的水工環(huán)境勘察技術(shù)（TEM技術(shù)、GPS技術(shù)、GPR技術(shù)、PTK技術(shù)、RS技術(shù)）及其在巖溶地區(qū)的綜合應(yīng)用。

巖溶地區(qū)；水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)；應(yīng)用；貴州西南

巖溶地區(qū)工程地質(zhì)問題主要有滲漏、地基穩(wěn)定性、地下洞室穩(wěn)定和突然涌水三大類。這些不良地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響著工程安全，因此，在工程建設(shè)以前對擬建區(qū)進行水工環(huán)地質(zhì)勘查意義重大。水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)可以針對不同的地質(zhì)環(huán)境，采取不同的勘查技術(shù)方法，目前，它不僅被廣泛應(yīng)用，還得到了國家和社會的認(rèn)可。

圖1 溶洞

1 研究區(qū)工程背景

貴州省盤縣至興義高速全長88.94km，位于貴州省西南部高原山區(qū)，屬低中山傾蝕-剝蝕地貌，雨量充沛，根據(jù)本區(qū)氣象站多年觀測資料，年平均降水量為1 342mm，日最大降水量186.11mm。地層巖性主要以白云巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化作用強烈，地下水多以巖溶裂隙水及巖溶管道水為主，水量受大氣降水明顯，巖體富水性不均一，雨季含水量變化更為明顯。在施工該工程的過程中，其中的樓納隧道在已施工段發(fā)現(xiàn)溶洞（圖1），它存在于掌子面的左拱腰，并且向地表和開挖面右側(cè)延伸，向地表延伸30m左右，受降水影響明顯，TSP技術(shù)預(yù)測準(zhǔn)確。

2 巖溶地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害

我國西南巖溶地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地貌類型多樣，自然條件惡劣，環(huán)境脆弱，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。同時含水層富水性不均一且差異極大，水文水量隨時間、季節(jié)變化大，地下水循環(huán)更替速度快，易引起自然或人為的巖溶塌陷，這些地質(zhì)災(zāi)害往往可在短期內(nèi)造成重大損失，因此，對巖溶塌陷的成因、機理及特征的認(rèn)識需要不斷深入，防范意識才能得以增強。

2.1 巖溶地質(zhì)災(zāi)害機理特征

巖溶地區(qū)主要分布了白云巖和石灰?guī)r，其主要成分均是CaCO3，它在純水中的溶解度很低，在25°C的溶解度僅為14.2mg/L。但是，因為水中總含有溶解的CO2，CO2的含量能大大增加碳酸鹽溶于水中的量。通過分析發(fā)現(xiàn)，巖溶作用發(fā)育程度強弱，主要取決于地下水中CO2含量。CO2主要來自大氣、溶洞內(nèi)空氣、土壤空氣，其中，土壤中的微生物通過生物化學(xué)作用使有機物分解為各種有機酸和產(chǎn)生大量CO2，使得土壤中的CO2含量大大超過了大氣中含量，降水和地表水往往是通過土壤層入滲到灰?guī)r后與碳酸鹽巖發(fā)生作用，形成溶洞、暗河等，因此，土壤空氣在水中CO2含量中起決定作用。

2.2 巖溶地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型

1）裸露型巖溶, 主要存在于碳酸鹽巖和非可溶巖交互成層區(qū)和斜坡地帶。這種類型的巖溶分布在大面積的峰叢洼地，無隔水層，巖溶水以地下河為主要類型，埋藏較深，地下水從層流逐漸變成紊流，易形成溶蝕管道，產(chǎn)生有壓力的上升泉或無壓力的下降泉，水文條件十分復(fù)雜，地下工程或人為排水疏干該地區(qū)的地下水，會給周邊工農(nóng)業(yè)和居民生活帶來很大的問題。

2）覆蓋型巖溶，這種類型地區(qū)的地下水位一般埋藏較淺且分布不均，如峰林平原區(qū)的地下水一般集中于地下暗河（溶洞或巖溶管道）。通過查找文獻分析，該地區(qū)成井率低，取水難度大，同時，大量抽汲地下水會引起周邊水文網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的地面局部塌陷，帶來不同程度的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

3）埋藏型巖溶，主要存在于埋藏很深的地帶，受區(qū)域構(gòu)造控制，通常情況下，降水補給至深層承壓水，加之深部巖漿活動產(chǎn)生的含有大量的CO2的熱液上升到地殼表部進入到這種地帶的碳酸鹽區(qū)，通過混合溶蝕作用形成巖溶。修建地下工程時，工程量大，成本高，修建隧道疏干地下水，會引起大范圍的巖溶泉干枯。

2.3 巖溶地區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題

巖溶區(qū)的平原與山區(qū)，一般地表都覆蓋有厚薄不均的第四紀(jì)土層，土層下面的碳酸鹽巖地層巖溶發(fā)育，地下水位隨著降雨含量補給而變化。近年來氣候異常，旱澇頻發(fā)，對地質(zhì)環(huán)境影響逐漸增強，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，各類工程建設(shè)活動對地質(zhì)環(huán)境的擾動日益強烈，隨之引發(fā)如巖溶塌陷、地表沉降、地下水位下降及泉水疏干等地質(zhì)環(huán)境問題。

1）巖溶山區(qū)巖層多以軟巖和硬質(zhì)巖相間分布。造山運動使該區(qū)多呈高斜坡和深切河谷地形地貌，加之風(fēng)化作用和巖溶作用的共同影響，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，原生結(jié)構(gòu)面間的結(jié)合力弱，在自然和人類工程活動的影響下，引起高角度的硬質(zhì)陡崖崩塌。由于貴州山區(qū)眾多，該高速公路修建時必然要穿過多條隧道，且?guī)r層多是軟質(zhì)和硬質(zhì)巖層相間分布。當(dāng)上層覆蓋硬質(zhì)巖層，下層為軟弱巖層，巖層傾角平緩，當(dāng)硬質(zhì)巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，透水性好，降水易入滲至下伏軟弱巖層，由于其透水性差，遇水易軟化，故而易產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致上覆巖層沿臨空方向卸荷松動變形，傾倒形成崩塌。隨著時間推移，軟弱巖層遭受風(fēng)化剝蝕，在與硬質(zhì)巖接觸面間退化形成陡崖，致使上部巖層失去支撐，也可沿自身垂直軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空面產(chǎn)生卸荷掉塊形成崩塌。這種地質(zhì)災(zāi)害易造成房屋毀壞、耕地破壞、公路被毀、工業(yè)區(qū)埋沒及人員傷亡等危害，這就要求對我們對易發(fā)地帶加強水工環(huán)地質(zhì)勘查，盡量減少此類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

2）巖溶滲漏是巖溶區(qū)最常見的工程地質(zhì)災(zāi)害各地采用灌、鋪、堵、截、圍、噴、塞、引和排等多種方法對各種溶蝕滲漏通道的大范圍內(nèi)進行大規(guī)模的防滲處理，防止巖溶滲漏，確保工程建設(shè)穩(wěn)步發(fā)展。產(chǎn)生巖溶滲漏需要具備的條件：①透水巖層，且地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造的配合有利于透水巖層中的水體流動；②不具備地下水分水嶺或地下水分水嶺低于正常高水位；③有集中滲流的集中帶。綜上所述，在測繪過程中可以通過地形分水嶺兩側(cè)有飽水帶補給的泉和暗河分布來判斷地下分水嶺，也可以根據(jù)泉和暗河的出露高程及地下水的坡降，大致推斷地下分水嶺的位置及高程。因而在排除巖溶滲漏危害時能縮短勘查范圍，節(jié)約時間。

3）地面沉降，不是巖溶地區(qū)特有的，但也在巖溶區(qū)時有發(fā)生。隨著工程建設(shè)的發(fā)展，全國各地普遍存在地面沉降的問題。它主要類型有：①構(gòu)造沉降，它是由地殼的構(gòu)造運動和地面土壤的自然壓實引起的；②抽水沉降，由于過量抽汲地下水，導(dǎo)致地表下降；③采空沉降，采掘地下固體或修建地下工程導(dǎo)致地表沉降。地面沉降不僅會毀壞建筑物和生產(chǎn)設(shè)施，而且不利于城市建設(shè)和資源開發(fā)。我們應(yīng)該針對地面沉降的不同原因而采取相應(yīng)的工程措施，如：人工回灌等。

3 水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)

水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)是為了保證人和自然和諧發(fā)展而逐漸興起的，它在我國工程建設(shè)、勘探資源、查找地下水分布與規(guī)律等方面扮演著不可替代的作用，也促進了我國社會繁榮向前。目前，基于對勘查成果的施工驗證，我國地質(zhì)勘查經(jīng)驗逐漸積累，勘查技術(shù)的類型與用途多而不同。

3.1 水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)類型與特點

1）TEM技術(shù)，主要原理是發(fā)射電磁波觀察電磁波在傳遞過程中的變化，主要看是否存在渦流現(xiàn)象及其出現(xiàn)的次數(shù)和時間長短來推斷。它主要對金屬礦探敏感度強，當(dāng)然，地下也存在電磁場，二者之間易產(chǎn)生煙圈效應(yīng)，可以根據(jù)這個效應(yīng)分析獲取發(fā)射的瞬間磁場的變化規(guī)律，為我們在水工環(huán)地質(zhì)勘查的研究提供相關(guān)的數(shù)據(jù)。這種技術(shù)主要應(yīng)用在金屬礦勘察中，在水工環(huán)地質(zhì)勘測過程中，主要是采用垂直磁偶源和電偶源兩種方法，其中前者應(yīng)用更加廣泛，尤其在陡峭地質(zhì)中，能夠有很高的敏感度，觀測的精度非常高，地形影響和限制很小。

2）GPS技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用范圍極廣，不僅用來定位，還用來控點。對于水工環(huán)的應(yīng)用，它具有衛(wèi)星定位功能和轉(zhuǎn)移信號發(fā)射點的功能，通過3顆以上的衛(wèi)星定位出地面上的接收機的位置及坐標(biāo)，接收機通過反復(fù)的接收衛(wèi)星傳來的信號，接收器將從衛(wèi)星接收到的信號發(fā)送至無線接收設(shè)備，通過對信號的解析與處理等方法推算出WGS-84坐標(biāo)，再對其進行有效轉(zhuǎn)化和參數(shù)調(diào)節(jié)，從而得到勘查區(qū)測點的坐標(biāo)。該技術(shù)在勘察過程中，首先在地形圖上大致圈定范圍，再通過對現(xiàn)場實際地形地貌進行定位和控點，最后，結(jié)合地質(zhì)人員識別地層和分析巖層的性質(zhì)的結(jié)果，繪制出勘察區(qū)實際的地形地貌情況。在植被較少的地帶勘察時，成本少、時間短、精確度高以及影響較小，相反，在地表植被茂密地帶，這種技術(shù)雖然也可應(yīng)用，但精度較低、耗時長、成本昂貴。

圖2 地質(zhì)雷達地表勘察

圖3 地質(zhì)雷達掌子面探測

3）GPR技術(shù)，就是雷達探測技術(shù)（見圖2、圖3），它主要是利用電磁波在巖體中的傳播及反射，根據(jù)傳播速度和反射脈沖波走時來進行探測的一種方法。其工作原理為高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)體反射或透射，被接受天線所接收，具有高分辨率、無損性、高效率、抗干擾能力強等特點。地質(zhì)雷達探測技術(shù)是短距離勘察中精度和分辨率最高的物探手段。受地形地貌的影響，在地表勘察時，科學(xué)合理的選擇一條或多條勘察線路尤為重要，這就要求技術(shù)人員對勘察區(qū)必須進行實地勘察，為了更好的確定地表下巖體情況，一般而言，對一條測線需要進行往返勘測，這樣精度更高，但勘察深度不夠；對于隧道掌子面而言，該技術(shù)主要對開挖面前方的巖溶、地下水、斷層破碎帶和節(jié)理密集帶驚醒探測，由于每種介質(zhì)的電性差異和介電常數(shù)的不同，會產(chǎn)生不同的電磁波，形成不同的相位、頻率、振幅等。檢測時采用剖面法，即發(fā)射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的測量方式，高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)和幾何形態(tài)而變化，由此通過對時域波形的采集、處理和分析，推測開挖面前方是否存在巖溶、斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻地質(zhì)體，通常情況下，在掌子面布置兩條測線，在圍巖差的隧道，需要布置多條測線，預(yù)測精度會更高，但受錨桿、施工振動及測線部位的平整度的影響較大，應(yīng)盡可能的減少噪音。

4）PTK技術(shù)，主要通過運用差分法來降低衛(wèi)星傳來的數(shù)據(jù)，以改正其中的誤差和載波相位測量數(shù)據(jù)的誤差，通常在降低誤差方面都離不開基站和流動基站的配合。它的原理則是在基站旁放置一臺接收設(shè)備，在流動基站附近設(shè)置多個接收設(shè)備，同時接收同一衛(wèi)星發(fā)來的信號，將二者數(shù)據(jù)就行比對，找出其中差分，最后通過無線設(shè)備將信息傳遞給流動站，進而得到流動站的坐標(biāo)位置。該技術(shù)多用于水利工程、環(huán)境污染及地質(zhì)災(zāi)害的地方較廣。該技術(shù)是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的結(jié)合，是GPS技術(shù)的又一大突破，它是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時拆分GPS測量，它能夠?qū)崟r地提供測點在指定坐標(biāo)系中的厘米級的三維定位結(jié)果，同時具有靜態(tài)功能和動態(tài)功能兩大功能，前者是通過接收到的衛(wèi)星信息，確定地面所需要點的三維坐標(biāo)；后者是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標(biāo)點位，實地放樣地面上。這樣就會使勘察區(qū)測量點的坐標(biāo)和高程準(zhǔn)確度更高，但這也受地表地形地貌的影響，尤其在植被茂盛區(qū)域影響嚴(yán)重。

5）RS技術(shù)，也稱為遙感技術(shù)，主要用來資源地質(zhì)勘探、地質(zhì)勘探和自然災(zāi)害防治方面。隨著計算機行業(yè)快速發(fā)展，遙感技術(shù)已經(jīng)從單一波段走向多源遙感方向，并且在成像上和分辨率上都有很大的突破，它的巨大作用還需要我們進一步的挖掘。相比人工勘察或監(jiān)測，該技術(shù)具有①獲取資料快，可及時進行動態(tài)分析；②受地面條件限制少，避免人員傷亡；③獲取信息量大；④探測范圍大等不可替代的優(yōu)勢，但也有其局限性，在電磁波譜中僅反映地物從可見光到微波段電磁波譜的輻射特性，而不反映地物的其它波譜段特性，同時它主要反映是近地表的現(xiàn)象、區(qū)域和運動狀態(tài)等，這與科學(xué)研究中不斷向地下深處研究有一定的矛盾。因此，結(jié)合其它勘察技術(shù)應(yīng)用發(fā)揮信息互補效應(yīng)，才能更好的發(fā)揮遙感技術(shù)的作用和挖掘其更大的潛力。

3.2 水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)在巖溶區(qū)的綜合應(yīng)用

通過對巖溶區(qū)工程實例研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在巖溶區(qū)修建工程時，主要會遇到斷層、溶洞、富水帶、裂隙密集帶及巖性變化帶等不良地質(zhì)災(zāi)害，僅僅依靠物探手段是不行的，只有和鉆探技術(shù)（如圖4）結(jié)合起來，才能更好地查清地下地質(zhì)構(gòu)造和巖性等巖體性質(zhì)，才可以提高勘查精度，精準(zhǔn)預(yù)報巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害。

由于鉆探技術(shù)受地形地貌和溫度壓力等因素的影響，初期就進行該工作成效甚微。正常情況下，我們先可以用TEM技術(shù)和GPS技術(shù)進行普查，圈出災(zāi)害點或疑災(zāi)害點；再根據(jù)分析結(jié)果，采用鉆探技術(shù)和GPR技術(shù)對疑災(zāi)害點進行準(zhǔn)確勘探，前者受地形地貌影響嚴(yán)重，相比較而言，后者在鉆探技術(shù)不允許的條件下優(yōu)勢明顯，可以節(jié)約成本，耗時少，避免人員傷亡，但隨著勘查深度的增加，GPR技術(shù)地勘探精度會不同程度地下降，此時，可以將GPR技術(shù)勘探結(jié)果與TEM技術(shù)勘探結(jié)果進行比對分析，效果明顯，準(zhǔn)確度高?？紤]經(jīng)濟、時間和效率方面的因素，這三個方面應(yīng)用較廣，但在地形地貌復(fù)雜，地下水文網(wǎng)交錯分布和存在特殊巖層的情況下，還需要采用彈性波反射法、電磁波反射法、高分辨直流電法等等技術(shù)，才能準(zhǔn)確查清巖溶區(qū)地質(zhì)特性。

4 結(jié)論

當(dāng)前水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)得到了國家和社會的廣泛關(guān)注，水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)有很多種，針對不同地質(zhì)環(huán)境，需要采用不同的勘查技術(shù)方法，因地制宜，使人類和自然和諧共處。近年來，巖溶地區(qū)的工程建設(shè)在建設(shè)成本、時間及工程安全性等方面取得了巨大的進步，這離不開水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)的廣泛應(yīng)用和這方面人才的創(chuàng)新開拓和不懈努力。因此，在保證人類生態(tài)環(huán)境和諧的情況下，環(huán)境保護和實際工作應(yīng)該相互協(xié)調(diào)，只有這樣才能更好的推動我國水工環(huán)地質(zhì)勘查工作順利發(fā)展。

圖4 地質(zhì)鉆探過程

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Geological Features and Common Survey Techniques in Karst Region, Southwest Guizhou

WANG Zhong-bo1WU Bo1LI Yong1YUAN Chen-han2

(1-Institute of Exploration Technology, Chinese Academy of Geological Sciences; Chengdu 611743; 2- Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

Karst region is characterized by complicated geological structure and hydrographic net. This paper deals with karst types and their environment geological problems as well as corresponding survey technology application in a certain engineering section, southwest Guizhou.

karst region; survey technology; application; southwest Guizhou

2018-07-18

王忠波（1982-），男，滿族，工程師，從事地質(zhì)災(zāi)害勘查設(shè)計施工等工作

P642. 25

A

1006-0995（2019）02-0464-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.023