綜合物探在地裂縫探查中的應(yīng)用與研究

張吉振

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 地裂縫的成因及危害

地裂縫是地表巖、土體在自然或人為因素作用下產(chǎn)生開裂，并在地面形成一定長度和寬度裂縫的一種地質(zhì)現(xiàn)象，當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生在有人類活動的地區(qū)時，便可成為一種地質(zhì)災(zāi)害。

地裂縫的形成原因復(fù)雜多樣，地殼活動、水的作用和部分人類活動是導(dǎo)致地面開裂的主要原因。按地裂縫的成因，常將其分為如下幾類。

(1)地震裂縫:各種地震引起地面的強(qiáng)烈震動，均可產(chǎn)生這類裂縫。

(2)基底斷裂活動裂縫:由于基底斷裂的長期蠕動，使巖體或土層逐漸開裂，并顯露于地表而成。

(3)隱伏裂隙開啟裂縫:發(fā)育隱伏裂隙的土體，在地表水或地下水的沖刷、潛蝕作用下，裂隙中的物質(zhì)被水帶走，裂隙向上開啟、貫通而成。

(4)松散土體潛蝕裂縫:由于地表水或地下水的沖刷、潛蝕、軟化和液化作用等，使松散土體中部分顆粒隨水流失，土體開裂而成。

(5)黃土濕陷裂縫:因黃土地層受地表水或地下水的浸濕，產(chǎn)生沉陷而成。

(6)脹縮裂縫:由于氣候的干、濕變化，使膨脹土或淤泥質(zhì)軟土產(chǎn)生脹縮變形發(fā)展而成。

(7)地面沉陷裂縫:因各類地面塌陷或過量開采地下水、礦山地下采空引起地面沉降過程中的巖土體開裂而成。

(8)滑坡裂縫:由于斜坡滑動造成地表開裂而成。

地裂縫是一種獨特的地質(zhì)災(zāi)害，其延伸覆蓋面積極廣，破壞性很強(qiáng)，鐵路建設(shè)過程中將不可避免會與這些地裂縫相互交錯，無法采用避讓措施。它們使鐵路的地基和基礎(chǔ)產(chǎn)生均勻或不均勻沉降、拉裂和錯開，引起路基、橋梁內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力和應(yīng)變，改變原來的狀態(tài)，從而形成變形或剪斷，其破壞造成的社會影響及安全隱患更無法估量。所有鐵路通過的地裂縫需進(jìn)行前期的勘察和設(shè)計，采用相應(yīng)的處理措施，以最大程度的降低其對工程造成的損害。

準(zhǔn)確快速地查清地裂縫的形成原因及其規(guī)模、位置、走向等情況，是進(jìn)行安全設(shè)計，確保施工安全的重要前提，單靠簡單的地質(zhì)調(diào)繪和沒有指導(dǎo)性的鉆探、挖探等手段，很難查明地裂縫的情況，物理勘探的重要性不言而喻。

2 工程概況與技術(shù)難點

本次地裂縫勘察工區(qū)位于山西省運(yùn)城市，測區(qū)內(nèi)地形平坦，表層為黃土覆蓋，大部地段為桃樹園或葡萄園，地層為新黃土—老黃土—粉砂、細(xì)砂等。需查明的地裂縫寬度在幾十厘米到幾米之間，且大部分地表沒有明顯痕跡。若要查明地裂縫的規(guī)模、分布等情況，單靠鉆探、挖探等勘察方法很難準(zhǔn)確查明且具有很大盲目性;因此，在此種地段，無論從技術(shù)角度還是從經(jīng)濟(jì)或時效角度考慮，采用綜合物探輔之少量鉆探、挖探相結(jié)合方法是必須的。綜合物探、調(diào)繪及有目的鉆探相互補(bǔ)充，可以達(dá)到很好的勘察效果。

此次綜合物探主要的技術(shù)難點:

(1)地球物理性質(zhì)差異較小，給物探的勘察精度提出更高的要求。

(2)勘察對象規(guī)模較小，需各種物探方法相互印證才能最終確定。

3 方法的選擇

綜合物探的主要工作內(nèi)容是利用相適應(yīng)的儀器測量，接收工作區(qū)域各種物理現(xiàn)象的信息，應(yīng)用有效處理方法，從中提取出需要的信息，并根據(jù)勘察對象和圍巖的物性差異，結(jié)合地質(zhì)條件進(jìn)行分析，做出地質(zhì)解釋。本次工作根據(jù)查閱相關(guān)資料及對工區(qū)范圍內(nèi)地裂縫性質(zhì)和規(guī)模的了解，本著從未知到已知的工作思路，通過調(diào)查知，在運(yùn)城市石碑莊村西北方有一地表可見的地裂縫，裂縫長約1 km，寬6～7 m，在20世紀(jì)90年代初斷層。物探選擇了瞬變電磁法、電測深法、地震反射法、地震映像法、地震層析法以及多道瞬態(tài)面波法在此處進(jìn)行了試驗工作，試驗結(jié)果如圖1～圖6所示。

圖1 已知地裂縫瞬變電磁成果

圖2 已知地裂縫密點距電測深成果

圖3 已知地裂縫地震反射成果

圖4 已知地裂縫地震映像成果

圖5 已知地裂縫折射層析成果

圖6 已知地裂縫瞬態(tài)面波成果

由試驗結(jié)果可以看出，瞬變電磁法在地裂縫處3條測線均有相對低阻凸起，形成一低阻條帶;同樣電測深法在地裂縫處有相似的表現(xiàn);地震反射法的地震剖面在地裂縫處反射波出現(xiàn)明顯的錯亂，同向軸不連續(xù)。地震映像分析在同樣的位置出現(xiàn)波組錯亂的現(xiàn)象。折射層析法和瞬態(tài)面波法雖然在裂縫處也有反應(yīng)但反映的范圍較大，相對未能準(zhǔn)確反應(yīng)裂縫的位置。綜合以上分析，采用地震反射法、地震映像法、瞬變電磁法和密點距電測深法進(jìn)行地裂縫勘察是可行有效的。

4 異常的判定

通過在已知位置的試驗成果可知，地裂縫處電性上的表現(xiàn)為相對低阻帶由于地裂縫處的塌陷填充等，電法的等視電阻率圖上對應(yīng)出現(xiàn)等值線向下凹陷。

由于裂縫的存在，地層的連續(xù)變化，地層速度在橫向變化突出，地層塌陷，致使表層速度降低，這幾方面存在的差異，是形成異常地震波的基礎(chǔ)，為識別和判定裂縫提供了依據(jù)。異常地震波在地震映像斷面圖上表現(xiàn)為直達(dá)波時間延遲、能量變?nèi)酢㈩l率變低、波形變亂，高基階面波同相軸傾斜突然變大，并伴有繞射波、延遲繞射波、側(cè)面波等特征出現(xiàn)。在地震映像上的表現(xiàn)為同向軸的錯動、不連續(xù)。通過幾處地裂縫的實際勘察結(jié)果看，地震反射剖面的反映相對不是很明顯。

5 工程實例

依據(jù)之前的試驗成果和地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，在距離某鐵路線位較近的地裂縫處開展了物探勘察工作，具體工作成果如圖7～圖9所示。

圖7 某處地裂縫勘察密點距電測深成果

圖8 某處地裂縫勘察密地震映像成果

此處地裂縫正好穿過村莊，電線和房屋均較多，物探選擇地震反射法、地震映像法和電測深法進(jìn)行此次地裂縫勘察工作。電測深法沿線位右側(cè)與高速公路之間布置兩條測線，在圖7可看出在樁號120處存在一自上至下的低阻帶，推斷為地裂縫或裂隙發(fā)育帶的表現(xiàn)。地震反射法沿線位右側(cè)與運(yùn)三高速公路之間布設(shè)一條測線，在圖8看出地震映像成果圖上樁號120處地震波均表現(xiàn)出同向軸錯動、不連續(xù)，地震波頻率降低，在時間上延續(xù)時間更長的特性，根據(jù)異常的判定原則推斷為此處為地裂縫的反映。在圖9上看出在樁號120附近有同向軸錯動、不連續(xù)的反應(yīng)，推斷為地裂縫的表現(xiàn)。

由以上工程實例可以看出，如果沒有綜合物探的成果，只是根據(jù)一種物探方法的資料，很難判斷為地裂縫的反映還是一些其他干擾因素的影響。但根據(jù)不同物探方法得到的成果綜合分析，再加上地質(zhì)調(diào)繪成果，就能準(zhǔn)確判定出不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模等，為后續(xù)的設(shè)計和施工提供可靠的地質(zhì)資料。

圖9 某處地裂縫勘察密地震反射成果

6 結(jié)論

(1)通過地裂縫勘察的典型范例，充分研究選擇了適宜的綜合物探技術(shù)，有效地發(fā)揮綜合物探方法技術(shù)優(yōu)勢并相互佐證，對異常充分的認(rèn)識，地裂縫不良地質(zhì)體得到了揭示，有效促進(jìn)并提升了地質(zhì)勘察的精度。

(2)不同成因、不同形式的地裂縫具有不同的地球物理性質(zhì)，所以在進(jìn)行地裂縫勘察時應(yīng)根據(jù)不同性質(zhì)地裂縫選擇合適的物探方法，特別是規(guī)模不大、地表沒有痕跡時，應(yīng)充分發(fā)揮物探技術(shù)含量高、方便快捷、經(jīng)濟(jì)高效的特點，可以起到事半功倍的效果。

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