綜合物探方法在評價巖溶區穩定性中的應用★

葉 青 劉秀敏

(1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

巖溶區地表塌陷作為一種常見的自然災害，會對人民生命財產安全造成極大危害。由于其在時間上的突發性，空間上的隱蔽性和影響因素的復雜性[1]，使用以高密度電阻率法、地震反射法、地質雷達等技術方法為代表的物探方法，對探測已存在的巖溶塌陷跡象，預防工程災害有重大意義。董浩斌等[2-4]對高密度電阻率法的發展進程、工作原理及工程實例作了概括。何國全等[5-9]在工程實踐中總結出高密度電阻率法有分辨率高、數據采集高效便捷、抗干擾能力強，但探測深度淺，對地形要求高的特點；郭玉華等[6,10-12]認為等地震反射法有較高的精度和較好的探測效果，甚至能對地底層面、巖體起伏、細小斷層等精確定位，但抗干擾能力弱，易受外界影響；茹瑞典等[13-16]在工程應用中認為地質雷達作為一種較先進的無損探測方法，具有高精度、高效率、高抗干擾能力，但探測深度有限。

由于各物探方法存在多解性，且自身均具有一定局限性，使用單一方法難以解決實際應用中遇到的綜合問題，為了提高探測巖溶塌陷隱患的可靠性，綜合運用多種探測技術，多個結果相互印證，是提高探測技術的準確度，得到更為可靠的探測結果的行之有效的方法,黃毓銘等[17-20]通過在工程案例中的應用驗證了綜合物探方法的可行性。

本文通過將高密度電阻率法、地震反射法和地質雷達相結合，對湖北黃石市鐵山鄉三岔路村老土橋巖溶塌陷區進行了針對性的探測，圈定該地的巖溶土洞發育區域，并與勘察鉆孔資料相互比對綜合分析，取得了較好的勘察效果。

1 綜合探測方法原理

在巖溶塌陷區域探測工作中，探測方法的選擇尤為重要。以高密度電阻率法、地震反射法、地質雷達等為代表的諸多物探方法在理論上均可行。但由于物探方法存在多解性，以及各方法應用到工程實地時所面對的復雜情況下的局限性，某一種探測方法難以取得全面準確的探測結果。故本次綜合探測方法采用基于三種不同工作原理的探測方法，將所得結果互相驗證，以期達到更精確的探測效果。

1.1 高密度電阻率法

常規電法的基本原理為以巖、土導電性差異為基礎，研究供電電場在空間上的分布特點以及變化規律，尋找地下電阻率異常體，從而解決地質問題。高密度電阻率法與常規點法原理相同，不同的是在觀測中設置測點密度更高，實際測量時，先將全部電極布置在間距相同的測點上，由主機控制供電電極和接受電極的變化，自動完成測量。由于使用了大量的電極，且電極之間可自由組合，使用此法可獲取更多的地電信息。

高密度電阻率法工作原理如圖1所示，一次性將全部電極布設在觀測剖面各測點上將數十或數百根電極一次性布設完畢，利用由程序控制的電極轉換裝置選擇不同的電極排列組合方式，形成全自動的數據采集系統。對所取得的數據，經過特定程序傳輸主電測主機進行處理和自動反演成像，得到特定剖面的地電信息圖。

測定地下電阻率的公式為:

(1)

(2)

其中，ρs為視電阻率;ΔV為M與N間的電位差;I為供電電流；K為裝置系數；AM，AN，BM和BN均為各電極間的距離。

測區采用對稱四級裝置方式(溫納裝置)及A，B，M，N等距排列，其中A和B為供電電極，M和N為測量電極，電極間距為一個電極距，隨隔離系數等間隔增加。工作原理如圖2所示。

1.2 地震反射法

淺層地震反射法是工程地質勘察工作中的重要方法，其原理利用地震波在巖、土介質中的傳播理論，通過人工在地面激發的地震波，傳到淺部地層不同構造分布后產生的反射波，通過檢波器接收反射波信號，淺層地震儀接收反射地震波，通過反射波在時間剖面上的不同分布形態分析各個地質層的起伏變化情況和地質構造分布。

地震波在介質中的傳播遵循惠更斯原理和費馬定律，在遇到不同的均質分解面時，波會產生反射和透射。根據斯奈爾定律，地面上某點接收到的反射波信號實際為反射波、折射波和直達波的綜合反映，需要對所研究的波組進行分離。

1.3 地質雷達

地質雷達是將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，在地面經發射天線(T)將信號傳入地下，到達地層界面或地質異常體之后反射回地面的接收天線(R)，通過分析電磁波反射信號的時頻與振幅特征，得到目標地層或地質異常體的特征信息。其測試原理示意圖如圖3所示。

圖3中,T為發射天線，R為接收天線，X為兩者間距，H為反射點埋深，電磁波從T出發，經層面或目標體后反射回地面接收天線R耗時t，設電磁波在介質中傳播速度為V，得到時距公式:

(3)

該式體現層面或目標體位置與時間之間的關系。

2 研究區物探工作布置及結果解釋分析

2.1 工區地質概況

巖溶塌陷區位于湖北省黃石市鐵山礦區西部。地勢東高西低，地面高程大多在51 m～55 m間。

根據本次勘察鉆探施工結果，在勘探深度范圍內，該區域土層自上而下分為六層。

2.2 物探工作布置

針對研究區域內的地質災害所進行的物探工作，為查明老土橋區(主要是村民集中居住生活區域)地下50 m內可能存在的溶(土)洞位置和大小，研究其是否與研究區地表塌陷間存在聯系，服務于之后的巖溶塌陷預測及防治工作，研究區域開展了以高密度電阻率法、地震反射法和地質雷達探測相組合的綜合物探方法。其中探測范圍和測線布置如圖4所示，物探工作量如表1所示。

表1 實物工作量統計一覽表

2.2.1高密度電阻率法

本次物探工作高密度電阻率法部分使用由重慶奔騰數控研究所研發生產的WDJD-2型號高密度電法儀以及和該儀器配套的分析處理軟件，采用對稱四級裝置方式(溫納裝置)對各個測線剖面進行測量。

2.2.2淺層地震反射法

本次探測工作采用地震等偏移反射測量法(COD法)，采用由中國科學院武漢巖土力學研究所研發的FDE24一體化地震儀，針對現場實際情況，設置偏移距δx=2 m，點距Δx=2 m，記錄時窗400 ms。物探工作嚴格按DZ/T 0170淺層地震勘探技術規程等國家相關行業標準執行。

2.2.3地質雷達

除沿測線布置的高密度電阻率法和地震反射法測點外，同時還采用地質雷達探測研究區域內民用建筑下的巖溶分布情況。設備選用瑞典ABEM公司設計制造的RAM-AC/GPR地質雷達，天線對50 MHz，天線間距為24 m，自動疊加，點距50 cm自動觸發采集。

2.3 物探資料解釋

由于物探工作量較多，選取其中C3測線以及8號房屋的探測結果為例進行資料分析解釋。

如圖5，圖6所示，從電阻率反演剖面圖分析，C3測線覆蓋層電阻率普遍在15 Ω·m～250 Ω·m間，土層電阻率等值線沿水平方向間斷不連續，成層性差，分布不均勻，土層厚度沿測線呈波浪形，起伏較大，說明此段土層沿測線方向分布不均勻，基巖電阻率等值線到達完整巖石電阻率的跨度較大，說明該區域基巖面較為起伏，完整基巖埋深約為10 m～20 m，淺部巖溶有一定的發育。在測線18 m～42 m處，有一閉合低電阻率等值線處，頂部埋深3 m；52 m～81 m處，有一條狀低阻區域，頂部埋深7 m，推測該區域有巖溶發育現象；測線86 m～96 m處淺部有一凹槽狀低阻區，頂部埋深5 m，低電阻率等值線變深，并伴隨一定的起伏，在該段測線處，地震反射波剖面圖同相軸不連續，并且底部下凹變寬，推斷為巖溶裂隙發育帶或巖石破碎帶，可能伴隨溶洞。

由電阻率反演剖面圖所獲信息與地震反射波剖面圖所獲信息分析，二者均對該測線區域內可能存在的巖溶土洞發育現象有所顯示且具有明顯的相關性。將二者信息綜合分析反映巖溶發育區、斷裂帶充填區示意圖如圖7所示。

8號房屋雷達探測圖如圖8所示，在測線550道～700道和1050道～1200道，測深2 m～4 m處，雷達探測圖同向軸不連續，測線頂部均顯示出可追蹤的雙曲線反射，反射波組局部中斷、略微起伏，相對寬緩，顯示為長波長、強振幅。反射強度逐漸往深處降低，到中下部出現微弱反射，說明該區淺部可能有埋設體并有可能與淺部巖溶有關聯。

位于C3測線與8號房屋匯合處布設有鉆孔H7，巖芯取樣如圖9所示。其中深度0 m～0.7 m為雜填土，主要由粘性土、碎石等組成，其上部0.4 m為耕土；0.7 m～7.4 m為粘土，呈黃褐色，可塑，局部含少量灰白色條紋狀粘土及鐵錳質結核。7.4 m～11.8 m為淺灰色大理巖，節理裂隙極發育，裂隙面上可見大量的泥鈣質附著物。巖芯破碎，呈半柱狀，采取率為50%～58%，巖溶極發育，7.7 m～8.4 m發育充填可塑狀粉質粘土的溶洞。

由電阻率反演剖面圖與地震反射波剖面圖所反映信息分析推斷C3測線上18 m～42 m區域內地層淺部存在巖石相對破碎或巖溶發育區，而8號房屋與H7鉆孔正處于該區域內。地質雷達反映8號房屋地下2 m～4 m存在的異常目標體，可能與該處存在的巖溶發育現象有聯系。三種物探方法所得到的分析結果互相吻合。根據H7鉆孔巖芯取樣的結果分析，驗證了綜合物探方法下該探測結果的正確性。

3 物探成果總結

通過研究區域以往勘察鉆孔的資料及本次物探(高密度電阻率法、地震反射法、地質雷達)資料的綜合分析，初步統計認為有19處地段存在溶(土)洞分布，詳細情況見表2，通過對物探資料整理總結，繪制研究地區溶(土)洞分布圖見圖10。

表2 溶洞、土洞分布情況一覽表

巖溶塌陷往往需要特定的地質條件如開啟的巖溶裂隙、一定厚度的沉積物蓋層和水動力活動條件等。綜合分析表明，塌陷區中部和西部的下伏巖層為大理巖，而該層大理巖中的淺層溶洞較發育，部分地段的土層中已經存在土洞，本區巖溶水位較深，位于土和巖層交界面下，且有豐富的地表水及雨水補給，故具備發生巖溶塌陷的地質條件，易發生巖溶塌陷。東北角巖層為閃長巖，巖溶難以發育。

由其分布圖可以看出塌陷區西部和中部存在多處巖溶發育破碎區和溶溝、溶槽，由于下部大理巖裂隙發育，地下水垂直運動頻繁，土層潛蝕形成土洞，土洞也集中分布于塌陷區的中西部。

4 結語

通過高密度電阻率法、地震COD反射法和地質雷達三種探測方法對測區內地質情況綜合分析，彌補了單一探測方法在探測范圍、效率、準確性方面的局限性，并以鉆孔所取得的巖芯信息驗證了該方法分析結果的正確性，為相關工程勘察工作提供參考。

根據本次工作的物探結果，結合地質情況和經驗分析結果綜合分析，將本塌陷區按照巖溶發育強度分成三個區：

1)巖溶不發育區—閃長巖區—穩定區。

該區位于塌陷區的東北角—東部，其基巖為閃長巖，基巖埋深較淺，物探工作和地質工作未在該區發現溶洞，該基巖的特性也決定其巖溶不發育，因此該區穩定性較好，其房屋可能存在的沉降問題與地基土層的不均勻性有關。

2)巖溶發育區—大理巖(Ⅰ)區—不穩定區。

該區位于塌陷區的北部及西北部，為巖溶發育區，其特點是基巖為大理巖，巖溶現象發育，通過本次地質工作，有10處溶洞(土洞)位于該區，本區易發生巖溶塌陷，為不穩定區。

3)巖溶較難發育區—大理巖(Ⅱ)區—較穩定區。

除了上面兩個部分外，老土橋村塌陷區的其余部分，其基巖為大理巖，通過地質調查少見溶洞等巖溶現象，但其邊緣區域發育有溶洞(土洞)現象，考慮到土體破壞存在一定的塌陷角，本區場地的穩定性可能受溶洞塌陷影響，屬于較穩定區。