綜合物探方法在船閘巖溶勘察中的應用研究

朱保坤，燕 軻

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京）

前言

巖溶工程地質勘察應遵循從面到點，先地表后地下，先定性后定量以及先疏后密的原則。在收集資料的基礎上，通過工程地質調繪、勘探、工程物探等方法進行綜合勘察。

使用多種物探方法對巖溶進行綜合探測，可以達到理想的探測效果，本文重點討論反磁通瞬變電磁、跨孔CT 以及管波等三種物探方法在某船閘灰巖區巖溶探測應用[1]。

1 等值反磁通瞬變電磁法

中南大學地球科學與信息物理學院自主設計研發生產的等值反磁通瞬變電磁，與傳統的瞬變電磁比較，在采集數據穩定性以及探測精度上都有較大改進，其主要特點在于采用反磁通瞬變電磁技術，大大降低了傳統瞬變電磁淺部勘探中存在的“盲區”及抗干擾弱的問題，并且該系統外業采集數據效率高、穩定性強，數據處理方面也進行了較大的改進。該技術采用上下平行共軸的兩個相同線圈通以反向電流作為發射源（雙線圈源），并在雙線圈源的中間平面接收地下二次場。由于接收面為上下兩線圈的等值反磁通平面，其一次場磁通始終為零，而地下空間卻仍然存在一次場，因此一次場關斷時，接收線圈測量的是地下的純二次場響應。該方法采用的兩個發射線圈相同，但它們的電流大小相等方向相反，因次稱為等值反磁通瞬變電磁法，裝置示意見圖1。

圖1 反磁通瞬變電磁法裝置示意

據本項目勘察資料及前期資料，勘探深度內土層依次為第四系全新統粉質黏土、粉土、粉細砂、礫砂、圓礫、卵石土層（局部含漂石），局部夾淤泥質土，下部基巖為泥盆系灰巖。

場地地球物理特征是指巖層與巖層之間、巖層與巖溶之間的物理性質（電學性質、力學性質等）差異，是開展地球物理勘探的物性前提。由于雜填土、黏土的電阻率值相對較低，灰巖等巖石較高，巖溶填充物介于二者之間。在簡單地層狀態下，其導電性特征在縱向上具有固定的變化規律，而在橫向上相對比較均一，在瞬變電磁剖面圖上，縱向上呈現為視電阻率值隨著深度呈梯度逐漸增加；橫向上視電阻率值隨著里程變化不大。當存在巖溶時，半充填巖溶如果不含水，則其導電性較差，局部電阻率值增高；如果巖溶含水，由于其導電性好，相當于存在局部低電阻率值地質體，全充填巖溶一般表現為低阻，根據這些物性差異，可將視電阻率值的大小及橫向變化認為是巖溶的綜合反映。

圖2、圖3 為某船閘巖溶探測區域反磁通瞬變電磁測線探測成果（局部），結合測線所過鉆孔資料，對物探成果對應地層及巖溶進行視電阻率值初步劃分：

圖3 反磁通瞬變電磁半充填型巖溶探測成果

①雜填土層、粘土層：≤100 Ω·m；②卵石層：100～220 Ω·m；③灰巖：220～550 Ω·m；④巖溶：220～430 Ω·m（巖溶視電阻率隨巖溶埋深加大而加大）。

探測成果表明船閘區域巖溶發育強烈，巖溶發育規模較大，場地降水豐富，地下水含量較高，探測巖溶異常以低阻為主，巖溶以半充填類型以半充填～全充填巖溶為主，巖溶異常范圍內出現的高阻值推測為卵石、碎石及強風化砂巖等高阻填充物反應，船閘地下巖溶整體發育強烈，施工時建議采取相應合理措施，保證施工安全。

2 彈性波跨孔CT

以某船閘工程巖溶物探探測應用為例，在反磁通瞬變電磁進行測線斷面探測的前提下，對巖溶強發育區進行跨孔CT定段探測，以提高探測精度，驗證補充瞬變電磁探測成果[5]。

彈性波CT觀測系統，以一個鉆孔為發射孔，另一個鉆孔為接收孔，發射孔與接收孔之間的距離為14～20 m，在發射孔內按1.0 m間距設置激發點，在接收孔內,一般按1.0 m間距設置接收點, 每一個激發點在接收孔內對每一個接收點都進行接收（見圖4）[6]。

圖4 跨孔彈性波CT 觀測系統示意

根據工程的場地條件和特點，為確保采集數據準確、可靠，探測過程中采取了下列措施：

（1） 觀測前，向孔中充滿井液，確保孔中有井液耦合；（2） 選取圍巖較為完整的鉆孔作為發射鉆孔，以利于能量激發傳播；（3） 激發接收點盡量在同一高程，以保證探測成果的準確度；（4） 野外測試時需現場監控每一個記錄，發現較差記錄，需要進行重測；（5） 檢查記錄質量，對較差記錄進行分析、查找原因，進行重測。

根據前期資料揭露，場區內地層由上至下依次為：人工填土層、第四系殘積層、石炭系下統石灰巖、炭質灰巖、泥灰巖、炭質頁巖、泥巖、砂巖[7]。

其中灰巖巖溶發育嚴重，溶洞發育無規律。

鉆孔揭示的溶洞充填物一般為黏土，部分溶洞無充填。由于灰巖裂隙非常發育，溶洞均有裂隙水充填。溶洞充填物壓縮波波速值一般在1 400～2 000 m/s。灰巖的壓縮波波速一般在3 500～5 500 m/s。溶洞內外介質存在極為明顯的波速差異[8]。

圖5、圖6 為跨孔CT探測成果。通過彈性波CT 探測成果可以清楚地依據低速區對巖溶發育進行準確圈定，對于巖溶分布特征以及連通性可以較好揭示。

圖5 跨孔彈性波CT 測線X1 巖溶探測成果

圖6 跨孔彈性波CT 測線X2 巖溶探測成果

3 管波

管波探測法屬于孔內探測，使用工勘鉆孔，通過發射管波，采集記錄并分析管波反射信號，即可探明周邊范圍內的巖溶、軟弱夾層等情況，并評價持力層的完整性。為設計施工提供準確可靠的地質資料[9]。圖7 為管波探測工作裝置。

圖7 管波探測工作裝置

圖8、圖9 為某船閘巖溶管波探測成果。通過管波探測成果可以清楚地揭示以鉆孔為中心直徑約3 m 左右的圓柱狀探測成果，其中管波可以揭示隱藏在鉆孔之外的巖溶發育情況，而鉆孔揭示的巖溶規模較小，呈豎條狀發育并未橫向發育，也能探測出來，因此管波進行樁基位置等定點探測具備獨特的優勢。

圖8 管波巖溶探測成果

圖9 管波巖溶探測成果

結束語

在傳統單一物探方法探測巖溶的基礎上，對場地物性參數進行分析，增加探測目標體物性參數探測，使用至少三種物探技術方法，稱為綜合物探方法，綜合物探方法可以大大提高巖溶目標體的探測準確度及探測精度。綜合物探技術方法之間既可以互相驗證又可以互相補充，本次在某船閘巖溶探測實例中，綜合物探方法分別進行了反磁通瞬變電磁、跨孔CT以及管波，從探測面的普查到探測段的精探，再到探測點的精探，對巖溶區船閘工程勘察具有借鑒意義。