姜士磊，左 帥，趙鳳岐，靳永超

(中勘冶金勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河北省保定市東風(fēng)中路1285號 071000)

高密度電阻率法是傳統(tǒng)直流電法中垂向直流電測深法與電測剖面法的集成，是探查地質(zhì)特征的一種常用的物探勘探方法[1-9]，也常常用來探查溶洞，但因為可靠性差而廣受詬病，究其原因為影響物探圖像的因素復(fù)雜，對物探成像結(jié)果不能很好的解析或解析困難。文中根據(jù)高密度電阻率法原理，并結(jié)合多項工程經(jīng)驗，總結(jié)出一些溶洞位置及規(guī)模解析確定方法，把這些方法應(yīng)用于實踐，得到了很好的效果。以某小區(qū)住宅樓地下溶洞探查為例，說明此解析方法及應(yīng)用效果。

1 高密度電阻率法工作原理

高密度電阻率法是普通電阻率法的擴(kuò)展和改進(jìn)，它集中了電剖面法和電測深法的特點，可以同時測量地下巖土層橫向和垂向電性的變化特征。

高密度電阻率法的測量系統(tǒng)包括電極系、電極轉(zhuǎn)換裝置和高密度工程電測儀，如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法測量系統(tǒng)

電極敷設(shè)完成后，通過電極轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)電極排列方式、極距和測點的轉(zhuǎn)換。常用的電極裝置類型有三極法和四極法。根據(jù)場地實際情況選擇合適的電極距，然后等距布置電極。

高密度電阻率法可以在一條剖面上采集到不同裝置、不同極距下的大量數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、換算以及濾波處理，可得到電法剖面圖，從而進(jìn)行溶洞位置和規(guī)模的確定。

2 溶洞位置及規(guī)模確定方法

溶洞在進(jìn)行物探測試時異常情況分為高阻異常和低阻異常。對溶溝、溶槽及洼地等表層發(fā)育區(qū)，在電法剖面中，一般表現(xiàn)為高阻與低阻呈鋸齒狀異常。對溶洞在無充填時，理論上為高阻異常，但有時受到各種因素的影響，也常顯示為低阻異常。一般情況，大型、特大型未充填溶洞顯示為高阻異常，充填有其它物質(zhì)時，則顯示為低阻異常。

2.1 頂板確定

當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為高阻異常時，視電阻率(在地下巖土體電性分布不均勻或地表起伏不平的情況下，仍按測定均勻水平大地電阻率的方法和計算公式求得的電阻率稱之為視電阻率)受到溶洞高視電阻率的影響，從低視電阻率向高視電阻率過渡，視電阻率在溶洞頂附近由低至高急劇變化，急劇變化開始位置即為溶洞頂板。當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為低阻異常時，視電阻率受到溶洞低視電阻率的影響，從高視電阻率向低視電阻率過渡，視電阻率在溶洞頂附近由高至低急劇變化，急劇變化開始位置即為溶洞頂板。

2.2 底板確定

當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為高阻異常時，視電阻率在溶洞底受到洞底巖層低視電阻率的影響，視電阻率開始急劇變低的位置即為溶洞底板。當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為低阻異常時，視電阻率在溶洞底受到洞底巖層高視電阻率的影響，視電阻率開始急劇變高的位置即為溶洞底板。

2.3 溶洞側(cè)壁確定

當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為高阻異常時，異常區(qū)域中心向兩側(cè)視電阻率開始變小的位置即為溶洞側(cè)壁；溶洞上部洞壁視電阻率變化特征介于頂板和溶洞中部側(cè)壁之間，即視電阻率開始變小和急劇變小之間位置為洞壁；溶洞下部洞壁視電阻率變化特征介于底板和溶洞中部側(cè)壁之間，即視電阻率開始變小和急劇變小之間位置為洞壁。

當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為低電阻異常時，異常區(qū)域中心向兩側(cè)視電阻率開始變大的位置即為溶洞側(cè)壁；溶洞上部洞壁視電阻率變化特征介于頂板和溶洞中部側(cè)壁之間，即視電阻率開始變大和急劇變大之間位置為洞壁；溶洞下部洞壁視電阻率變化特征介于底板和溶洞中部側(cè)壁之間，即視電阻率開始變大和急劇變大之間位置為洞壁。

用高密度電阻率法探查斷溶洞位置和規(guī)模時，除了分析成像圖(不顯示數(shù)據(jù)，僅以不同顏色顯示數(shù)據(jù)區(qū)域)，還要分析電阻率測試數(shù)據(jù)圖，重點是判斷視電阻率的變化規(guī)律和溶洞位置關(guān)系，判斷對了，判斷溶洞位置及規(guī)模的準(zhǔn)確性自然就高。

3 工程實例

根據(jù)擬建建(構(gòu))筑物位置圖，結(jié)合現(xiàn)場實際情況布置物探線，共布置物探線10條。根據(jù)物探(高密度電阻率法)測試成果，對推測的溶洞發(fā)育區(qū)域進(jìn)行鉆探驗證，共布置驗證孔5個(編號為B1-B5)，引用詳細(xì)勘察孔6個。鉆孔及物探線布置如圖2所示。

圖2 鉆孔及物探線布置圖

3.1 場地地層及地下水

第①層雜填土(Qml)：主要由建筑垃圾組成,密實度不均。

第②素填土(Qml)：主要由粉質(zhì)黏土組成，含少量卵碎石，砂粒，稍濕，稍密。

第⑧-1層全風(fēng)化石灰?guī)r(∈)：黃褐～灰黃色，已風(fēng)化成土狀，極軟巖。

第⑧-2層強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r(∈)：黃灰～灰色，巖芯較破碎，成短柱狀或碎塊狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要由碳酸鹽礦物組成，局部可見方解石脈，錘擊聲啞。

第⑧-3層中風(fēng)化石灰?guī)r(∈)：灰色，巖芯破碎～較完整，呈碎塊狀～柱狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要由碳酸鹽礦物組成，局部可見方解石脈，錘擊清脆。

第⑧-4層碎石(Qal)：主要由碎石組成，棱角形，一般粒徑20mm～50mm，最大粒徑110mm，母巖成分為灰?guī)r，空隙充填黏性土，飽和，密實度不均，為溶洞充填物或切割的懸掛巖塊。

第⑧-5層溶洞：無充填物，有掉鉆、漏水現(xiàn)象。

擬建場地的地下水穩(wěn)定水位埋深為5.0m～5.5m，賦存于第⑤層卵石及以下巖土層中。

3.2 高密度電阻率法的測試成果與分析

根據(jù)詳細(xì)勘察階段發(fā)現(xiàn)溶洞位置，以溶洞為中心，布置一條物探剖面。通過物探測試，溶洞在電法剖面上顯示為低阻異常，如圖3所示。根據(jù)溶洞在電法剖面上的顯現(xiàn)特征，對其物探成果進(jìn)行分析，如圖3至圖12所示。物探線方向為：從左至右，從下至上。

圖3 高密度電阻率法解析圖W1-W1′

W1-W1′物探線50m～95m、140m～160m和170m～192m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測為溶洞。其中50m～95m位于場地外。

圖4 高密度電阻率法解析圖W2-W2′

W2-W2′物探線135m～140m和145m～160m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測為溶洞。

W3-W3′物探線50m～95m、120m～155m和165m～180m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測為溶洞。其中50m～95m位于場地外，120m～155m部分位于場地外。

圖6 高密度電阻率法解析圖W4-W4′

W4-W4′物探線75m～95m和165m～195m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測為溶洞。其中75m～95m位于場地外。

圖7 高密度電阻率法解析圖W5-W5′

W5-W5′物探線100m～115m、142m～152m和182m～205m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測為溶洞。其中100m～115m位于場地外。

圖8 高密度電阻率法解析圖W6-W6′

W6-W6′物探線85m～115m和175m～195m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測為溶洞，位于場地外。

圖9 高密度電阻率法解析圖W7-W7′

W7-W7′物探線80m～105m和166m～190m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測為溶洞。其中80m～105m位于場地外。

圖10 高密度電阻率法解析圖W8-W8′

W8-W8′物探線105m～112m和152m～165m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測為溶洞，其中105m～112m位于場地外。

圖11 高密度電阻率法解析圖W9-W9′

W9-W9′物探線152m～168m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測為溶洞。

圖12 高密度電阻率法解析圖W10-W10′

W10-W10′物探線152m～169m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測為溶洞。

3.3 用物探成果推測溶洞規(guī)模

根據(jù)物探測試成果，推測溶洞共計12個，溶洞編號為1#～12#，推測的溶洞平面位置及范圍如圖13所示。

圖13 物探推測溶洞位置及范圍圖

3.4 鉆探驗證

根據(jù)物探推測的溶洞范圍，共布置5個鉆孔進(jìn)行驗證。鉆孔驗證情況如下：

W1-W1′物探線140m～160m位置經(jīng)67#鉆孔驗證確有溶洞。

W2-W2′物探線145m～160m位置經(jīng)B4#鉆孔驗證確有溶洞。

W4-W4′物探線165m～195m位置經(jīng)B3#鉆孔驗證確有溶洞。

W5-W5′物探線142m～152m位置經(jīng)B2#鉆孔驗證，為全風(fēng)化石灰?guī)r，全風(fēng)化巖厚度約14.3m，未見溶洞；182m～205m位置經(jīng)B5#鉆孔驗證確有溶洞。

W7-W7′物探線166m～190m位置經(jīng)67#和B4#鉆孔驗證確有溶洞。

W10-W10′物探線152m～169m位置經(jīng)B1#和B3#鉆孔驗證確有溶洞。根據(jù)詳細(xì)勘察階段72#孔鉆探揭露情況，該位置未發(fā)現(xiàn)溶洞。因此，將物探推測的11#溶洞分為11A#和11B#兩個溶洞。

根據(jù)詳細(xì)勘察階段68#鉆孔揭露，該位置有小型串珠狀溶洞。

結(jié)合物探及鉆探驗證，確定的溶洞為12個，編號1#～10#、11A#和11B#，鉆探驗證后溶洞位置及范圍如圖14所示。

3.5 溶洞發(fā)育規(guī)模及特征

根據(jù)物探測試結(jié)果及鉆探驗證，結(jié)合詳細(xì)勘察階段報告，洞隙的形態(tài)為溶洞、串珠狀溶洞等，以垂直溶蝕發(fā)育為主。B2鉆孔位置物探測試結(jié)果顯示為異常點，經(jīng)鉆探驗證，該位置覆蓋層以下全風(fēng)化巖厚度較大，全風(fēng)化巖厚度約14.3m，未見溶洞發(fā)育。根據(jù)鉆探驗證結(jié)果及物探測試結(jié)果，勘察區(qū)域溶洞有12個，各溶洞特征如表1所示。

圖14 鉆探驗證后溶洞位置及范圍圖

表1 溶洞基本特征表

Tab.1 The basic characteristics of karst caves

溶洞編號洞頂標(biāo)高/m洞底標(biāo)高/m充填情況洞體形態(tài)埋藏條件頂板情況備注139.0137.31半充填或水流沖蝕充填物洞體小埋藏淺頂板厚度0.5m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)36.3126.81密實沉積物填滿洞體大埋藏淺頂板厚度1.0m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)236.5024.00—串珠狀溶洞埋藏深根據(jù)物探測試圖,頂板厚度約3.0m,頂板厚度與洞跨比小場地外340.9037.60半充填洞體小埋藏淺頂板厚度1.2m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)36.6025.20密實沉積物填滿洞體大埋藏淺頂板厚度1.0m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)標(biāo)高37.60m～38.10m為空洞439.5020.00—串珠狀溶洞埋藏淺根據(jù)物探測試圖,頂板厚度約1.0m,頂板厚度與洞跨比小530.5027.50—串珠狀溶洞埋藏深根據(jù)物探測試圖,頂板厚度約10.0m,頂板厚度與洞跨比大628.0024.50—串珠狀溶洞埋藏深根據(jù)物探測試圖,頂板厚度約13.0m,頂板厚度與洞跨比大724.5021.50—串珠狀溶洞埋藏深根據(jù)物探測試圖,頂板厚度約16.0m,頂板厚度與洞跨比大829.1617.36半充填串珠狀溶洞埋藏深頂板厚度4.2m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)941.0029.50—串珠狀溶洞埋藏淺根據(jù)物探測試圖,頂板厚度約1.0m,頂板厚度與洞跨比小1037.0031.00—串珠狀溶洞埋藏深根據(jù)物探測試圖,頂板厚度約5.0m,頂板厚度與洞跨比小11A37.3633.36密實沉積物填滿串珠狀溶洞埋藏深頂板厚度6.0m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)11B42.1741.67未充填串珠狀溶洞埋藏淺,復(fù)體相連頂板厚度1.8m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)38.9725.67半充填串珠狀溶洞埋藏淺,復(fù)體相連頂板厚度2.7m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)標(biāo)高41.67m～42.17m為空洞

4 結(jié)論

根據(jù)溶洞位置及規(guī)模的確定方法，結(jié)合本次物探成果，推測出溶洞發(fā)育位置及規(guī)模，溶洞的發(fā)育情況經(jīng)過鉆探得以驗證，說明了物探測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，也證實文中提出的判斷溶洞位置及規(guī)模的方法合理可行。

通過物探和鉆探驗證，確定了擬建建筑物地基溶洞發(fā)育位置及規(guī)模，查明擬建場地發(fā)育溶洞12個，溶洞基本特征如表1所示。B2鉆孔位置物探測試結(jié)果顯示為異常點，經(jīng)鉆探驗證，覆蓋層以下全風(fēng)化巖厚度約14.3m，未見溶洞發(fā)育。此次高密度電阻率法測試為溶洞治理提供了準(zhǔn)確有效的勘察資料，為工程的后期建設(shè)提供了技術(shù)支撐。