綜合物探方法在巖溶塌陷地質災害勘察中的應用

蔣發生

（邵陽市水利水電勘測設計院 邵陽市 422000）

在現有的勘察手段中，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災害快速勘察的問題。

1 物探方法的選擇

巖溶塌陷地質災害發生的地質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各種地質體的物性差異，實測部分數據及收集到的物性參數如表1、表2所示。

表1 電性參數統計成果表

表2 電磁及彈性波參數表

由表1、表2可以看出，粘土、灰巖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，采用智能儀器實現數據自動采集。與常規電法比較，具有速度快，采集數據信息量大的特點。結合現代計算技術，對觀測數據進行地形改正，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害勘察的首選物探方法。

隱伏土洞發生和發展是導致巖溶地區地表塌陷地直接原因，危害極大。而多波地震映像、瞬態面波、地質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，是巖溶塌陷地質災害勘察中重要的物探方法。

綜合以上分析，在充分調查地質災害現狀及環境地質條件的基礎上，應用高密度阻率法查清隱伏巖溶發育帶特征及空間分布規律、場區控制巖溶發育的構造特征、第四系覆蓋層的厚度及性質；應用多波地震映像、瞬態面波、地質雷達等方法在公路、居民區、廠區查清對構筑物安全影響極大的隱伏土洞、地表塌陷松動帶，是巖溶塌陷地質災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，某煤礦發生礦坑突水事故，引起礦區周邊的農田發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，已發現89個塌坑，其中規模最大約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；災區內井泉及地表水系干涸，人畜出現飲水困難，192人被迫搬遷集中安置。災害危及周圍村鎮共2000余居民的生命及財產安全。

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

2.1 勘查方法技術概述

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

在1∶5000地形圖上設計好物探測線后，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

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

勘查基本網度為線距50m，點距5m，在災情嚴重的重點區線距加密至20m。

室內將野外采集的數據導入計算機，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 地質效果

高密度電法在本項目中作為主導的物探方法，在查清場區巖溶分布特征、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育帶中的應用效果。

根據實測資料，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，表現為等值線密集。依據以上特征，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）。經鉆孔驗證，高密度電法剖面低阻異常區均發現溶洞、溶槽等巖溶現象，相對高阻異常則基巖取芯完整。因此，本地區巖溶發育帶可根據低阻異常圈定，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）反映了工作區宏觀電性特征、巖溶帶整體走向、規模及基巖面的深度。

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

（2）高密度電法勘查隱伏斷層構造。

●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，在高阻區出現陡斜的低阻色區，傾角一般大于40°，低阻區反映了灰巖破碎充水，低阻區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，依據這些特征可以區分斷層和一般巖溶發育帶的低阻異常。

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）反映了測區的宏觀地電特性，南部（青玄）低阻區呈條帶狀，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）區域低阻區呈塊狀，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體信息的折射波、反射波，面波等多種波。

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

在巖溶區，同相軸出現“走時”加大，出現反射??；在溶洞邊界上多波主頻及振幅發生明顯變化（圖3）；說明多波地震映像在本區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，據此可以圈定溶洞的平面位置。多種波表現為同相軸不連續或中斷，同相軸變化的地段為巖溶區或塌陷區 （圖4）。同相軸兩邊的拐點或轉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——激發點到點的距離（m）；

2.4 瞬態面波方法技術及應用

（1）瞬態面波方法技術。

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。

應用面波測探映像處理軟件對野外采集的數據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能量峰，合成頻散數據文件。

（2）瞬態面波勘察土洞、松散土體效果。

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

圖5 M20、M13瞬態面波頻散曲線圖

2.5 地質雷達

使用瑞典產RAMAC/GPR地質雷達，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勘查隱伏土洞，勘查深度約5m。地質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，電磁反射波出現同相軸不連續，拋物線型反射弧是土洞存在的標志。

在巖溶發育段，反射電磁波同相軸不連續，能量衰減明顯，在正常地段，反射電磁波同相軸連續、清晰。對于隱伏土洞，可以看到拋物線狀的反射弧，依據這些特征可以劃出巖溶或土洞的邊界。根據電磁波在介質中的傳播速度，由地質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 地質雷達效果圖

3 結語

（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，與常規電法比較，它具有施工效率高、采集數據信息量大，結合現代計算技術進行正反演計算，資料分辨率更高、資料成果直觀可靠。在巖溶塌陷地質災害勘查中，高密度電阻率法能有效解決第四系覆蓋層厚度、巖溶發育特征、控制巖溶發育的隱伏斷層構造等地質問題。

（2）淺層地震多波地震映像法能夠有效地發現淺層巖溶、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，地震映像圖呈現多波同相軸從不連續到中斷再到不連續，兩邊的不連續區為巖土體松動邊界、中斷區為陷坑區或土洞；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性，結合少量土工試驗及原位測試結果，通過瞬態面波法可以確定土層的巖土工程力學性質。土層的厚度及其工程力學性質是影響巖溶塌陷地質災害的發生、發展的至關重要的因素，瞬態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，滿足巖溶塌陷地質災害快速勘查的需要，并能減少勘查成本。

（4）地質雷達是地球物理勘查的新方法、新技術，勘查速度快、分辨率高，土洞、巖溶在地質雷達剖面有強的繞射和散射波形，邊界出現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測巖溶地質質災害對現有建筑物的影響有著決定性的作用。使用地質雷達（250MHz屏蔽天線）在已有建筑物內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。