淺析巖溶地區工程地質勘察手段及應用

胡建華，盧超健，趙家明

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

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淺析巖溶地區工程地質勘察手段及應用

胡建華1，盧超健2，趙家明3

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

巖溶大部分分布在溶洞或者暗河附近，一般情況下都是有水富集，其存在形態和發育狀況具有復雜性和隱蔽性的特征，其內部空洞較多，若在此上部進行工程施工極易引起上覆地層下陷的災害，對安全產生嚴重威脅。在公路施工中準確掌握地下巖溶發育情況是十分必要的。由于巖溶地區的物性參數相對于其他地形有著更為明顯的表征，所以對巖溶地區的勘察有很多方法，不同的方法也有著不同的效果。在此以山東某地喀斯特地貌為例，詳述電阻率法與淺層地震勘探相結合的方法，圈定異常區范圍，為正常道路施工提供指導。

巖溶地區；物探方法；電阻率法；瞬變電磁

電阻率法對于測定地下巖溶區位置及走向有著明顯的優勢，工程地震勘察在巖溶區的應用中可根據波阻抗界面來測定地下巖溶區的深度，將這兩種方法結合后可有效圈定異常區的位置，后輔以鉆探驗證，對勘察異常區域可通過相互驗證進行剔除，以達到理想的效果。

1　巖溶的類型及勘察方法

巖溶區勘察根據其不同的特點劃分巖溶類型，一般分為地下水補給區、地下水徑流區和排泄區。

1.1地下水補給區發育的特點

地下水補給區巖溶主要發育成石牙、溶蝕溝槽以及水洞等地貌，大部分呈垂向發育的特征，其具有規模不等，埋藏淺和發育較淺的特點，土洞很容易發生在洞隙頂部和上覆地層的溶蝕溝槽里。

1.2徑流區巖溶發育的特點

較為水平的溶洞和暗河是地下水徑流區的巖溶主要存在形式，有些局部地段會存在垂向形式的溶隙發育和落水洞。此類巖溶地區一般發育較深，通常情況下不會影響到地面工程的安全，但是相對于大型的地下工程來說，類似水電站等項目也會構成一定程度的危害。

1.3補給區和徑流區的工程勘察方法

該類工程勘察中的總體原則是：先對實地進行調查，得到第一手資料，掌握該地的巖溶發育形態、構造分布等特征，并結合物探方法加以輔助，進而判斷出地下溶洞、土洞可能存在的位置，采取有效的方法進行重點勘探研究。

在工民建勘察中，以地面地質調查和物探為基礎，對重點地區進行加密鉆探和高密度釬探并滿足評價工程地質穩定性的要求。

在橋梁樁基的勘察中，一般要首先進行地面相關調查和物探測查，根據地質和物探的資料結果評價出該地區巖溶發育情況，然后再進行勘探。

在水庫庫區和壩區勘測中，正常情況下水庫不宜建在巖溶地區，必要時，可在地面地質調查和物探勘察的資料基礎之上，結合鉆探系統的評價庫區的滲漏情況。

1.4盆地埋藏型巖溶區勘察

在盆地埋藏型巖溶區工程勘察中，由于盆地覆蓋區域面積大，地下巖溶排泄區構造復雜，且盆地多存在于古河道和第四系沉積層較厚等特殊地質情況，因此在勘察過程中需要適當擴大勘探范圍，掌握周邊地質資料，并結合當地的水文地質資料進行范圍較詳細的綜合分析研究，確定一種或多種物探方法綜合勘探，適當的勘測點需要進行鉆孔資料查證，精確做好抽水試驗，并且要針對可能存在的巖溶危害進行評價并提供處理方案，保證工程質量和地面施工安全[1]。

2　巖溶地區地球物理特征

同一物質，電阻率的高低與其含水多少有密切的關系，而潮濕的巖石相對于干燥時的電阻率要低，此外石油和空氣的電阻率相對較大，但是在實際情況中，大部分巖石并不是十分致密，而是有很多空隙，空隙里或多或少都會有水分的存在，當巖石的濕度增加時，在電阻率上的表征上為急劇下降，同樣，不同巖性的巖石在相同濕度的情況下電阻率也是有差別的，表1為石灰巖、砂巖裂隙含水層、碳酸鹽巖巖溶發育電阻率范圍表。

表1　石灰巖、砂巖裂隙含水層、碳酸鹽巖

一般地，巖層隨深度的變化巖性變化，相應電阻率縱向(深度)上變化較大，而巖溶地區由于其有較大的裂隙，使空氣較為富集，這在電法的表達上為，電阻率陡然增加。因此形成一個電阻率由高漸低然后突然變高后陡然降低的地質模型。

在工程地震的方法中，覆蓋型的巖溶上覆地層主要為第四系地層、基巖以及水流作用產生的碳酸鹽巖，由于空氣密度低，對地震波的吸收較為明顯，表征為反射波頻率降低，與上覆巖層接觸帶為一個明顯的波阻抗界面，因此形成一個地層分層較為明顯的地質模型。根據研究巖性的波阻抗差異，確定不同巖層的波速度和反射波參數，進而反演出下覆地質體的波阻抗界面，確定巖溶的深度及位置。

3　巖溶區地質調查

巖溶地區地表多缺水，但是地下水豐富。因此在進行地質勘察中應當得到當地的水文地質資料和地層劃分資料，結合鉆探查看基巖類型，從而評價本區域巖溶發育類型和大致范圍。

碳酸鹽巖是在巖溶地區為主要巖石類型，其主要成分為方解石、白云石，并帶有非碳酸鹽成分，例如石膏、重晶石和蛋白石和磷酸鹽礦物等少量有機質。其粒屑結構一般為礫屑、砂屑、粉屑、微屑和泥屑等。

巖溶地基一般分為裸露型地基、覆蓋型地基和埋藏型地基。裸露型地基一般由10 m左右的土層所覆蓋，地表植被稀少，石牙地基的基面不平整，容易使地基產生滑動或者沉降；覆蓋型地基一般土層厚度到達幾十米，上覆地層為第四系沉積層，以紅黏土、沖洪積砂為主，土質疏松，容易對建筑物產生破壞[2]。

4　物探方法

4.1電阻率法

電阻率法是以巖土介質的導電性差距為基礎，通過觀測和分析人工建立的地下穩定電流場的分布規律來解決地下地質問題的地質勘探方法。

在河北省某地的地下巖溶水勘測工程中采用該方法，具體方法如下：瞬變電磁布置40 m(點距)×80 m(線距)網格，溶洞地質體上加密到20 m×20 m。直流電測深設計勘探網格為160 m×200 m，并與瞬變電磁測深點重合，以利于瞬變電磁測深與直流電法測深聯合反演解釋,更好地配合瞬變電磁在深度上的解釋。具體物理統計點見表2。

表2　瞬變電磁主測線線上物理點統計表

使用瞬變電磁法對其進行勘察的目的為：二次場歸一化感應電壓由于信號小，易受各種人文電磁干擾，所以去除非地層電性產生的感應電壓是瞬變電磁處理的首要目標。采用了直接的畸變數據剔除和非線性濾波兩種方法。圖1是畸變數據剔除和濾波前后瞬變電磁感應電壓多測道曲線，圖中坐標橫軸是測點，坐標縱軸是感應電壓的對數。圖1是KX10巖溶體上P3040線的實際處理成果，圖1中的曲線是同一時間各個測點感應電壓的連線[3]。

圖1　濾波前后處理結果

通過對數據進行處理后可以看到含水地質體上瞬變電磁二次感應電壓異常表現為高—低—高的形態，電阻率數據處理會形成含水地質體上高阻異常的特征。然而，地質體的富水性并不完全與電阻率值成正相關，它還與電阻率在空間上的變化率密切相關。這樣，瞬變電磁數據處理中還就順層電阻率進行了專門的富水性目標分析處理，圖2中富水性目標分析處理前后變化較大，說明這種分析處理是十分有用的，經過鉆孔結果顯示與測量結果一致。

圖2　富水性目標分析處理前后對比

4.2工程地震勘察

地震勘探是根據波動方程，利用地表激發地震波向下傳播，遇到不同的波阻抗界面反射形成反射波用地震儀接收并記錄返回地表的波的旅行時，研究了振動的特性，確定了反射或折射的深度和界面的形狀，并根據波的速度和振幅來討論介質的物理性質和巖性。經過資料處理后形成一個在不同地層的分界面產生的一條連續的同相軸，對同相軸進行追蹤來劃定巖溶區域邊界。

在進行工程地震勘察施工時應當根據規劃好的點距進行觀測，得到反射波資料，由于此類巖溶地區勘察的深度較淺，在接收反射波時會有較大的面波干擾，其面波類型主要為瑞雷面波、聲波和地滾波，以及地面車輛振動造成的隨機干擾波。在波的頻率上，由于巖溶區上覆地層有一定的第四系沉積層存在，對激發波有較大吸收，降低波的頻率，對資料的信噪比有較大地干擾。在資料處理時應做好動校正和靜校正，根據實際情況選定頻率帶寬。通過濾波和振幅恢復來提高信噪比。在資料處理時，由于巖溶的存在形式較為隨機復雜，多數情況并不是規則形狀，因此，還應當根據工作量進行適當的疊前偏移處理，以使同相軸能夠盡量歸位到實際位置。在利用工程地震勘察時，對切片資料進行分析，劃定波阻抗分界面，正確劃定巖溶區頂部位置[4]。

5　綜合方法在巖溶區域開展工程勘察中的運用

在對巖溶地區進行勘察時，應用綜合方法勘察要比機械地應用某一種方法效果明顯，并且要根據當地的實際情況進行綜合分析并運用不同的勘察方法進行作業，對巖溶地區的施工場所要全面充分地做出判斷和評價，為工程的下一步施工提交詳細并且全面的地質勘察資料。在勘察的過程中要反復地對不同方法結果作比較，推斷驗證，以保證每一步的工程質量。下面以山東某地巖溶地區道路施工中對地下物理特征的勘察為例，詳細闡述地質調查、綜合物探方法和鉆探資料結合來劃定巖溶區范圍和評價。

某道路勘察，該路段位于濟南地區北翼“U”型河谷內，區內溶洞、落水洞發育較為完整，兩岸鸞山眾多，山坡較陡，為喀斯特地貌。在臨區路段的河床底部發現大量裸露基巖，且河床覆蓋厚度為4～5 m。因此該道路巖溶勘察的方案定為：首先進行地質測繪，獲得測繪數據資料。其次對該區進行地質調查，主要尋找以碳酸鹽巖為主的基巖類型。區域構造及地層覆蓋類型要根據區域的地質調查資料分析后做出判斷。圈定勘察區巖性種類，劃定地層分布，布置物探工作方法。再次，采用物探指導鉆探的方法對工區的物探異常點進行鉆探驗證。具體物探工作布置為：電法掃面為南北走向8線，線長6 km，點距40 m，重復采樣間隔200 ms，采樣次數2次，測深點110個。工程地震勘察為南北4線，線長6 km，炮間距為50 m，檢波器點距10 m。

根據物探資料顯示，在道路地下60～70 m處電阻率高等直線內出現很多低電阻率值封閉曲線，且在封閉曲線邊緣出現電阻率值由低到高陡升的現象，同地點的地震資料顯示在60 m左右出現一個明顯的波阻抗反射界面，且該反射界面同相軸不連續。這說明在該深度范圍內的巖石完整性較差，內部有較大的空洞和水富集區，溶蝕作用較為強烈，巖溶發育良好，物探資料顯示這一現象后在該點鉆探。鉆探結果證實，在鉆孔2和鉆孔3中深度在63 m左右有溶洞出現，走向為北東東走向。按照各方面資料證實，在施工路段的2 km，深度為60 m處有較大的巖溶發育，且上覆地層為透水性較差的巖性段，故分析為不可能形成較大的沉降通道。本工程結合地質調查、物探資料和鉆孔資料分析得到如下工程評價：

1)道路兩邊內部巖溶發育較為強烈。

2)地下水平巖溶發育地段物探異常顯示在60 m左右深度，與鉆探數據一致，該區在上述深度范圍內的巖溶發育良好。

3)施工道路在4 km處臨近河道，該處未發現巖溶現象，說明此段基巖較為穩固，不會引起道路沉降。

4)在6 km處海拔高程為300 m的山體中，電法資料顯示在高程為40 m處有疑似巖溶現象，而地震勘察資料上看到該處波阻抗并不明顯且同相軸較為連續，鉆探證實并未出現巖溶現象，但發現該處巖層還有土質且非常潮濕，通過綜合方法判定為該處巖溶發育緩慢，并存有潛在的山體滑坡危險。

5)在該施工路段其他部分各方資料顯示一致，并未發現巖溶現象。最后施工建議：在2 km處對道路地基進行適當加固并定期觀測沉降情況；6 km處對附近山體進行治理，其他路段可正常施工。

由此工程實例可得出如下結論：

1)巖溶工程地質相對于其他地質情況而言地質特征十分復雜，溶洞間種類劃分和相互關系也十分復雜，通過結合綜合勘探方法可取得良好的勘探效果。

2)在巖溶勘察中充分利用物探資料、地質資料和鉆探資料，可及時地發現和解決問題。綜合物探技術的提升可以全面的顯示地下地質體的物性參數，直觀的數據可以提高鉆探精度，有助于提高探測精度和降低成本等。

3)在含水地區中，圍巖與目標體的電阻率差異十分明顯，故電阻率法在探測含水地質體時有著獨特的優勢而且是切實可行的。

4)結合以往工程實踐經驗，巖溶地區物探方法及其精度與判析和結論誤差較大，往往需要鉆探予以驗證，綜合分析判別。

6　結　語

我國巖溶地區分布廣泛，而巖溶發育情況也是一個十分復雜的問題。在實際的施工中，應當根據不同的地質條件，結合當地的水文地質資料，對當地的巖溶發育趨勢有一定的了解，綜合劃定勘察區域，采取不同的勘察方法進行相互驗證，防止出現假異常，誤導后續工程。在施工期間應當適當添加物探工作量，隨時更新物探數據，對工作區提供正確的評價并提出合理建議。

[1]秦美前,劉曉軍,商南南.巖溶地區的工程地質勘察與穩定性分區[J].采礦技術.2004(1):67-68.

[2]袁道先.中國巖溶學[M].北京：地質出版社,1994.

[3]鄧超文，周孝宇.高密度電法的原理及工程應用[J].韶關學院學報，2007(6):278-279.

[4]王振東.淺層地震勘探應用技術[M].北京：地質出版社,1994.

Discussion on the Means and Applications of theEngineering Geological Prospecting in Karst Areas

HU Jianhua1, LU Chaojian2, ZHAO Jiaming3

2016-02-01

胡建華(1982—)，男，湖北武漢人，工程師，從事巖土工程及地質勘察工作。

TU195+.3;P631

B

1008-3707(2016)06-0017-04