地質(zhì)雷達和高密度電法在巖溶廠址的應用

陳鴻亮， 饒傳友

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041)

灰?guī)r工區(qū)最常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象就是巖溶問題，強烈?guī)r溶發(fā)育地區(qū)嚴重影響了工程基礎穩(wěn)定性，是工程質(zhì)量安全中的一大隱患。巖溶發(fā)育存在埋藏情況不明確，發(fā)育情況不規(guī)則，充填物質(zhì)復雜等特征，也使得現(xiàn)場勘察工作難度大，加大了勘察工作量。本次電廠工程為查明場內(nèi)巖溶發(fā)育情況，在利用傳統(tǒng)鉆探工作的基礎上，根據(jù)巖溶體和圍巖體存在的電、磁特性差異[1]，采用了地質(zhì)雷達和高密度電法兩種物探方法，利用各方法對不同類型巖溶探測結(jié)果的比較和驗證，總結(jié)各方法的優(yōu)缺點，對最終物探結(jié)果進行反演解釋，有效查明了巖溶發(fā)育類型、規(guī)模，解決本工程巖溶地質(zhì)勘察問題。

1 地質(zhì)與地球物理背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

工區(qū)位于黔西南州貞豐縣，該區(qū)域在大地構(gòu)造單元上屬于揚子準臺地，基底由前震旦系淺變質(zhì)巖系組成，地殼表層構(gòu)造主要變形期為印支-燕山和喜山期。在早印支與燕山運動中，地塊受南北向強烈擠壓，形成以貞豐背斜為主的褶皺構(gòu)造，絕大部分褶皺由東向西延伸，由南向北波浪起伏蔓延，同時伴生壓性斷裂沿褶皺兩翼發(fā)育。后期燕山運動中，地塊進一步活動，以東、西擠壓為主，同時受北東、南西向壓扭影響，產(chǎn)生大量近似南北和北東、南西向扭性、張性、壓扭性斷裂構(gòu)造。第四紀以后地殼明顯上升，溶蝕、侵蝕和剝蝕作用加劇，巖溶與非巖溶地貌突出，形成以侵蝕為主的低中山河谷地形。

1.2 地球物理勘探方法的選擇

地球物理勘探方法的選擇需根據(jù)地下介質(zhì)的物理特性和各目標介質(zhì)差異性綜合考慮。地質(zhì)雷達方法主要利用電磁波在地下介質(zhì)傳播時，當遇到介電常數(shù)差異大的兩種介質(zhì)，電磁波發(fā)生反射，反射系數(shù)R決定了反射能量大小[2]。根據(jù)公式(1)可知，介質(zhì)反射信號大小取決于介電常數(shù)差異，介電常數(shù)差異性越大，目標體信號表征越顯著。介質(zhì)反射系數(shù)R表達式為：

(1)

式中：ε1、ε2為兩種地下介質(zhì)相對介電常數(shù)。

高密度電法主要利用地下目標體與周圍介質(zhì)之間的電阻率差異為基礎查明目標體，特別是對地下中-大型的含水溶蝕通道、溶蝕空洞、充填型溶洞等目標體和圍巖電阻率差異顯著、特征明顯的介質(zhì)，勘探效果較好。

2 地質(zhì)雷達探測

2.1 典型雷達反演剖面

2.1.1 典型溶洞反演剖面分析

場地灰?guī)r與第四系地層電性差異大，根據(jù)溶洞異常雷達剖面(見圖1)，在溶洞界面上，反射波表現(xiàn)為強反射，在溶洞位置同相軸呈雙曲線形態(tài)，反射波振幅變大，同相軸較雜亂，散射現(xiàn)象明顯。溶洞內(nèi)部有第四系堆積體，則反射波能量梯度衰減快，充填物對電磁波信號吸收強，回波多呈低頻波[3]。

圖1 溶洞異常雷達剖面

2.1.2 典型巖溶裂隙剖面分析

場地內(nèi)巖溶主要發(fā)育通道為灰?guī)r底部與泥灰?guī)r頂部界面，一般發(fā)育為連續(xù)的水溶裂隙面。根據(jù)巖溶裂隙異常圖(見圖2)在形態(tài)上沿巖層產(chǎn)狀分布，由于裂隙對雷達子波的吸收造成雷達反射波在局部發(fā)生畸變，畸變程度與裂隙規(guī)模有關。雷達反射波在裂隙面表現(xiàn)為高頻反射，振幅變大，同相軸呈連續(xù)的高亮寬幅直線。由于場地內(nèi)小型褶曲構(gòu)造較多，為巖溶裂隙提供天然的發(fā)育通道，由裂隙雷達圖可見構(gòu)造裂隙切割巖體形成的溶蝕面。

2.2 雷達探測成果總結(jié)

根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果，地下介質(zhì)雷達波規(guī)律性明顯(見表1)。電磁波在完整基巖內(nèi)部物理參數(shù)變化較小的情況下，能量衰減弱，反射界面不明顯，同相軸分布均勻，能量變化小，表現(xiàn)為細密亮條反射波。未充填型溶洞由于洞體內(nèi)部為空氣，介電常數(shù)與基巖差異性大，弧形反射界面較明顯，洞體頂板位置清晰，尺寸可根據(jù)弧形頂面平緩區(qū)段的1/2～1/3估算，洞體規(guī)模和形態(tài)不易推斷。充填型溶洞由于充填物含水率及密度不均勻，其反射界面明顯，但散射波較多，其洞體形態(tài)不易判斷，填充物難以準確判斷。灰?guī)r與泥灰?guī)r溶蝕裂隙面在雷達圖像上呈現(xiàn)明顯的連續(xù)的亮條強反射，反射界面清晰，產(chǎn)狀明確。

圖2 巖溶裂隙異常雷達剖面

表1 地下介質(zhì)雷達波特征表

3 高密度電法探測

3.1 單邊三極測試原理

本次場地由于場地地形起伏較小，測線高差最大僅20 m。現(xiàn)場采用了溫納四極測量和單邊三極測量方法，但是根據(jù)試測效果和數(shù)據(jù)來看，單邊三極測量在測試深度和垂直分辨上較溫納好[4]，地形起伏較小的情況下，本次現(xiàn)場主要采用三極測量法，以提高反演數(shù)據(jù)的分辨率。

本次高密度電法主要采用單邊三極測量法，它是將溫納四極、偶極及微分裝置按一定方式組合后構(gòu)成的一種測量系統(tǒng)[5]，其測量方式為A不動，M、N逐點同時向右移動，得到一條滾動線；接著A、M、N同時向右移動一個電極，A不動，M、N逐點同時向右移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到平行四邊形斷面。

根據(jù)單邊三極測試特點，視電阻率參數(shù)的計算公式為：

(2)

式中：a為電極距；ΔU為測量電勢差；I為測量電流。

3.2 典型高密度電法反演斷面分析

3.2.1 典型構(gòu)造裂隙帶反演斷面分析

測線L3位于一號主廠房東南側(cè)石灰石庫至高壓廠用變壓器部分，根據(jù)高密度電法視電阻率等值線(見圖3)，其上覆蓋的含碎石黏土電阻率50～150 Ω·m，泥灰?guī)r電阻率在600～1 200 Ω·m，灰?guī)r電阻率在1 500 Ω·m以上。根據(jù)反演電阻率等值線圖像顯示在測線12.5 m方向、深度5 m以內(nèi)有一閉合低阻線圈，為溶槽區(qū)，溶槽內(nèi)充填黏土。測線方向80 m處、深部25 m存低阻區(qū)，電阻率小于200 Ω·m，和周圍灰?guī)r形成明顯的高低阻分界帶，該處為充填型溶洞發(fā)育區(qū)。測線126 m處、深度10 m以下閉合低阻線圈電阻率100～250 Ω·m，視電阻率與周圍基巖差異大，推測為垂直裂隙帶，裂隙帶內(nèi)為黏土充填，含水率較高。

圖3 構(gòu)造裂隙高密度電法地電斷面圖

3.2.2 典型充填型溶洞反演斷面分析

測線L13位于一號鍋爐范圍濕式除塵器至石灰石漿液箱，該斷面(見圖4)上層視電阻率為200～1 000 Ω·m，主要為回填土及碎石，灰?guī)r電阻率一般為2 000 Ω·m以上。根據(jù)反演等值線圖可知，在測線36 m左右范圍內(nèi)，Y13-1號異常點，有一較低阻等值線，兩側(cè)為閉合高阻等值線圈，視電阻率值為150～250 Ω·m，推斷該處為溶蝕槽溝，槽溝內(nèi)充填為含碎石粉質(zhì)黏土及部分黏土。測線 85 m處，深度約10 m處，存在一閉合極低阻等高線圈，電阻率一般小于250 Ω·m，該處為異常點Y13-2，推斷該異常為一充填型溶洞，溶洞為橢圓狀充填型，向下延展性不明顯。

圖4 充填型溶洞高密度電法地電斷面圖

3.3 高密度電法成果總結(jié)

根據(jù)高密度電法測試結(jié)果和鉆探結(jié)果比對(見表2)，該區(qū)域一號主廠房東南側(cè)巖溶以充填型溶蝕洞穴、溶蝕裂隙為主。其中溶洞為含碎石粉質(zhì)黏土半-全充填，洞體規(guī)模較大，部分垂向呈串珠狀分布，具有連通性，本次單邊三極測量探測深度約35 m，對全充填型溶洞探測效果較好，但溶洞厚度和規(guī)模最小二乘法反演結(jié)果有明顯的放大作用，放大規(guī)模為實際規(guī)模的2～3倍。單邊三極測量法對半充填、空洞探測效果較差，判斷可能受場地內(nèi)小型褶皺的影響，地層產(chǎn)狀復雜，高阻等值線不均勻，團塊分布無規(guī)律，反演后圓滑數(shù)據(jù)不能清晰反映地下洞穴實際電阻率情況。溶蝕裂隙內(nèi)主要以條帶狀低阻異常為主，局部有高阻等值線呈團塊分布，其三極單邊測量分辨率較高。

表2 地下介質(zhì)電阻率及等值線特征表

4 結(jié)語

(1)地質(zhì)雷達多次覆蓋點測法對復雜場地適應性好，可提高分辨率，對復雜場地巖溶探測效果明顯好于連續(xù)測量法。

(2)地質(zhì)雷達在裂隙面，特別是含水裂隙面的探測效果明顯，對未充填溶洞的頂板及大小有一定分辨率，但充填型溶洞的尺寸、形態(tài)判斷存在一定誤差。

(3)單邊三極高密度電法測量斷面呈四邊形，測量邊界范圍較溫納法大，分辨率較溫納法高，但是受地形條件及噪聲影響大[6]，易受地下不均勻體及地層產(chǎn)狀的影響。

(4)單邊三極高密度法對基巖界面判斷較清晰，對充填型溶洞的位置、形態(tài)有較準確判斷，但是規(guī)模上有放大效應，對裂隙面的判斷由于等值線圓滑效果，形態(tài)和規(guī)模上均有一定誤差。

(5)地質(zhì)雷達和高密度電法探測巖溶效果各有優(yōu)缺點，通過以上兩種物探手段相對比，能互相補充，對巖溶發(fā)育勘察的效果明顯。在復雜場地內(nèi)，由于地下介質(zhì)的多解性，物探法仍可能存在一定程度的判斷失誤，工程上需結(jié)合巖土勘察資料進行綜合分析，保證巖溶勘察的準確性。