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        綜合物探方法在巖溶塌陷地質(zhì)災害調(diào)查中的研究與應用

        2023-10-13 08:45:02張亦朋
        城市建設理論研究(電子版) 2023年28期
        關鍵詞:面波等值線波速

        張亦朋

        廣東省化工地質(zhì)勘查院 廣東 廣州 510800

        英德市沙口鎮(zhèn)洲西村三墩下村民小組于2020年2月-4月發(fā)生多處地面塌陷,塌陷坑位于耕地及山坡坡腳,未造成人員傷亡事件,主要為破壞耕地,嚴重影響當?shù)厝嗣袢罕娚敭a(chǎn)安全。受當?shù)卣醒杆賹Φ孛嫠莸刭|(zhì)災害開展地災應急搶險工作,隨后組織了工程師進行綜合勘查,在塌陷區(qū)投入高密度電阻率法(剖面長10.8km)、瞬態(tài)面波法(剖面長1.83km)和鉆探等方法,主要大致查明區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育及構造破碎帶的分布情況,通過綜合勘查分析巖溶塌陷地質(zhì)災害形成機理,大致查明潛在巖溶塌陷分布范圍及發(fā)展規(guī)律,為地質(zhì)災害預防、設計及施工提供技術路線和科學依據(jù)。

        1 測區(qū)地質(zhì)、地球物理特征

        區(qū)內(nèi)地層主要由第四系覆蓋層(人工填土層(Qml)素填土;沖積層(Qal+pl)粉質(zhì)黏土、粉砂、含卵石粉質(zhì)黏土和卵石層;殘積層(Qel)粉質(zhì)黏土、泥盆系棋梓橋組(D2q)泥頁巖和泥盆系天子嶺組(D3t)灰?guī)r等組成。

        灰?guī)r表現(xiàn)為高阻、高速區(qū),土體表現(xiàn)為相對較低阻、低速區(qū),而巖溶主要表現(xiàn)為低阻低速特征。表1列出了場地主要介質(zhì)的物性參數(shù)。

        由表1可知,土層、灰?guī)r和溶洞、土洞之間,彈性波波速和電阻率均存在較大差異,而這些物性差異是作為開展高密度電阻率法和瑞雷面波法的前提。

        2 方法技術

        開展工作前,選擇綜合典型剖面對各種物探方法進行方法有效性試驗,根據(jù)試驗選取適宜的裝置和參數(shù)進行探測。使用高密度電阻率法進行剖面測量,在高密度電阻率法劃分物探異常區(qū)的重點地段開展多道瞬態(tài)面波探測。

        2.1 高密度電阻率法

        高密度電法是以地層中圍巖和目的物的導電性差異為物質(zhì)基礎,通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)恒電流場的分布規(guī)律,以達到解決工程地質(zhì)及其它地質(zhì)問題的一種勘探方法[1]。高密度電阻率法就是最近幾年發(fā)展起來的新的電法勘探方法,它以密度大、電極排列多、獲取信息量大為特點,通過相應解釋軟件判讀地下地質(zhì)信息[2]。

        本次物探數(shù)據(jù)采集采用重慶萬馬物探儀器有限公司研制的WDJD-4高密度電法測量系統(tǒng),高密度電阻率法的電極組合排列形式多樣,根據(jù)不同工作目的和工作條件選取不同的測量裝置。由于本次工作目的通過獲取深度較大、場地條件有一定限制,需要在有限的工作面獲取較完整的、豐富的電阻率剖面,從而掌握深部巖溶發(fā)育信息,因此選取三極測深(M-N-B)裝置,選擇工作參數(shù):電極間距(點距)為5m,MN系數(shù)為1,每個測點采集30層。60道集中式轉換器,根據(jù)剖面長度一次敷設好所需電極。該裝置相較于其他裝置,該裝置中始終保持測量MN極距不變,減少了體積平均效應的影響。

        利用原始數(shù)據(jù)進行成圖解譯,其數(shù)據(jù)處理流程:(1)將原始數(shù)據(jù)從儀器導出保存至電腦存儲盤;(2)剔除壞點數(shù)據(jù)、電阻率負值;(3)利用相關軟件進行視電阻率擬斷面圖繪制[3]。

        2.2 瞬態(tài)面波勘探法

        面波是一種在介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ以趯訝罱橘|(zhì)中傳播時具有頻散特性,即不同頻率的面波具有不同的傳播速度,在沿介質(zhì)層面?zhèn)鞑r,衰減速度較慢,而在介質(zhì)內(nèi)部傳播時衰減速度較快。面波傳播時與土層的力學性質(zhì)密切相關,其傳播速度與剪切波波速基本相近,并且在隨土體的泊松比的變化不大,在實際工程應用中,可以通過面波頻散特性分析判斷地下空間的變化。

        瞬態(tài)面波法采用中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司的DZQ24-2A 高分辨地震儀進行探測,接收傳感器使用4.5Hz檢波器器。采集參數(shù)主要有:接收道數(shù)為12道,道間距為2m,采樣間隔0.25ms,記錄長度1024ms,通頻帶為全通,35磅大錘激震。

        理論上無充填的土洞(或溶洞)等的其電阻率比周邊土體(或基巖)電阻率高,但根據(jù)多年工作實踐,由于多數(shù)土溶洞呈充填或半充填狀態(tài)且地下水位較淺,充填物為低阻,并且一般溶腔周邊會有低電阻物質(zhì)(如鈣化層或鐘乳石)依附在上面。由于低阻屏蔽的影響,溶土洞一般呈現(xiàn)低阻特征,從波速上其以低速特征呈現(xiàn);剖面中出現(xiàn)高阻(或高速度)巖體被低阻(或低速度)巖體錯斷,或高阻(或高速度)巖體中出現(xiàn)帶狀低阻(或低速度)區(qū),則推測可能為溶洞或破碎帶。

        3 異常特征及解釋

        3.1 異常特征

        巖溶在電阻率法和瞬態(tài)面波法中表現(xiàn)的異常主要為低阻(或低速)異常和高阻(或高速)異常兩大類,在工作實際中,巖溶一般以低阻(或低速)異常特征呈現(xiàn)。巖溶形成與地下水有著密切聯(lián)系,巖溶發(fā)展方向可分為水平和垂直兩大方向,垂直方向上巖溶主要有石芽、溶溝、溶槽、巖溶漏斗、巖溶洼地、巖溶豎井、落水洞等,水平方向上主要為溶洞、巖溶地下河等。巖溶形態(tài)影響著異常形態(tài),同時異常形態(tài)還受其上覆地層厚薄變化的影響而有所不同。

        一般來說,巖溶漏斗、溶溝和溶槽等的異常特征通常為“V”或“U”字型低阻(或低速)異常,落水洞、巖溶豎井、溶蝕破碎帶或溶蝕接觸帶一般表現(xiàn)為傾斜或垂直型條帶狀低阻(或低速)異常,而溶洞則為封閉的低阻異常,或者深部的低阻(或低速)異常或高阻(或低速)異常。同時應注意任何巖溶現(xiàn)象不會孤立存在,而通常是相互關聯(lián)的[4]。

        3.2 異常解釋

        在灰?guī)r地區(qū)不良地質(zhì)體發(fā)育于巖面以上可能為軟弱土層(淤泥、飽和液化砂層等)或土洞,發(fā)育于巖面及以下主要為溶蝕發(fā)育(表現(xiàn)為溶隙、溶洞和溶槽等)。因此,劃分不良地質(zhì)體的性質(zhì),首要的工作是在視電阻率擬斷面圖(或視橫波波速影像圖)上勾劃巖面位置。

        不良地質(zhì)體(軟弱土層、巖溶發(fā)育帶)及巖面推測主要依據(jù)以下三方面進行。如下:

        (1)基巖面的確定即第四系覆蓋層的厚度的確定,利用視電阻率(或視橫波波速)等值線形態(tài),結合地質(zhì)鉆孔資料標定對應視電阻率(或是橫波波速)范圍值作為推斷巖面的一個統(tǒng)計值,從而進行剖面劃分巖土分界面。如下圖2所示,WT7線綜合物探剖面根據(jù)視電阻率(或視橫波波速)等值線形態(tài),結合鉆孔資料標定確定電阻率在100~120Ω·m和波速在500~550m/s作為巖土分界線的一個統(tǒng)計值。

        圖2 WT7線綜合地質(zhì)物探剖面成果圖

        (2)巖溶通常位于地下水位之下,被水、土等低阻體充填而表現(xiàn)為低阻異常特征,并且在灰?guī)r面周圍,在等值線斷面圖上表現(xiàn)為等值線特征主要呈“V”或“U”字型,或低值封閉等畸變低阻異常。根據(jù)高密度電法剖面視電阻率異常,以低阻異常特征來圈定;同樣面波勘探剖面視橫波波速異常,以低速異常特征來圈定。結合地質(zhì)鉆孔資料,推斷低阻(或低速)異常為巖溶中充填軟流塑狀粘性土等低阻物質(zhì)引起。

        (3)軟弱土層、土洞或流沙層位于巖面之上,由于本區(qū)地下水較淺,從而土洞位于地下水之下,被水、土等充填而表現(xiàn)為低阻(或低速)異常特征,且位于基巖面上附近,在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為等值線大幅度下凹,低電阻率等值線封閉圈等畸變異常。根據(jù)高密度電法剖面視電阻率異常,以低阻封閉異常特征來圈定;面波勘探剖面視橫波波速異常,以低速異常特征來圈定。

        4 應用實例

        圖2為WT7線綜合物探剖面,剖面上分別采用高密度電阻率法和瑞雷面波法探測。剖面成果圖的視電阻率(或視橫波波速)等值線總體呈水平層狀分布,由淺至深電阻率(或橫波波速)值逐漸增大,反映出該剖面地下巖土層相對均勻密實(如圖2點位70~110段),但局部區(qū)域等值線發(fā)生畸變,電阻率值(或波速值)呈陡立狀減小、呈現(xiàn)出較大的起伏(如凹陷等),然而將這種畸變體且位于巖面以下異常,推測灰?guī)r中發(fā)育的巖溶(溶槽或溶溝)的特征。如圖2中對應點位120~130段位置的“V”型部位。

        瑞雷面波法測線點號55~60m、深度在10~15m之間和點號122~128m、深度在12~20m之間出現(xiàn)波速等值線向下凹陷物探低速異常;其對應高密度電阻率法測線點號55~59m、深度在11~14m之間和點號120~132m、深度在11m~22m之間出現(xiàn)視電阻率等值線向下凹陷低阻異常,兩種方法出現(xiàn)物探異常位置相吻合。經(jīng)鉆孔ZK8和WTZK2揭露驗證,ZK8鉆孔在12.50~14.80m見溶洞,覆蓋層在12.10m;WTZK2鉆孔在13.80-16.60m、17.10-18.90m見串珠狀溶洞,覆蓋層為12.70m,深度20.0m終孔,推測底部可能還存在多層串珠狀溶洞。

        5 勘探成果

        采用高密度電阻率法進行剖面測量,圈定多處物探低阻異常(推測為溶蝕發(fā)育區(qū)),并對局部低阻異?;驍?shù)據(jù)干擾區(qū)進行瑞雷面波法進行探測,綜合物探方法相互驗證或資料補充。本次根據(jù)綜合物探工作成果共布設11個物探驗證孔,鉆孔均勻布設在物探異常上,其中見溶洞8處,構造破碎的1處。采用綜合物探方法進行探測效果顯著。

        根據(jù)鉆孔和綜合物探資料,推測構造破碎帶1處,劃分易引起巖溶塌陷區(qū)2處。

        6 結語

        英德市沙口鎮(zhèn)洲西村三墩下村民小組巖溶塌陷地災應急勘查中,通過綜合運用多種物探方法和鉆探驗證手段對探測區(qū)內(nèi)巖溶進行勘查,探測效果顯著,為地災勘查和設計提供了指導性的基礎資料。

        高密度電阻率法具有數(shù)據(jù)密度大、高效經(jīng)濟、獲取信息量大的優(yōu)點,對巖溶發(fā)育位置定性勘探效果顯著;瑞雷面波法在淺層工程勘查中具有高效、適應性強、分別率高、準確等優(yōu)點。本次應用效果說明,在巖溶探測方法,根據(jù)現(xiàn)場的具體條件,在條件允許情況下,運用綜合物探方法加上必要的鉆孔驗證,可以取得很好勘探效果,起到相互驗證的作用,減少由于干擾及多解性而帶來的誤判,提高解釋的準確度。

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