高密度電法在臨沂石灰?guī)r巖溶探測中的應(yīng)用

摘要：巖土工程勘察中需要及時、準(zhǔn)確地查明石灰?guī)r地基巖溶發(fā)育問題，鉆探、挖掘等傳統(tǒng)巖溶勘察方式效率低、代表性差、偶然性大，且破壞了巖體的完整性，高密度電法是研究石灰?guī)r地基巖溶發(fā)育的高精度、無損探測技術(shù)。本文選取臨沂市羅莊區(qū)巖溶發(fā)育典型地塊作為研究對象，施工高密度電法測量剖面5條，對該方法在石灰?guī)r巖溶發(fā)育中的探測與應(yīng)用效果進(jìn)行了分析研究，結(jié)合野外勘察鉆探地質(zhì)資料開挖驗(yàn)證，結(jié)果表明：巖溶實(shí)際發(fā)育情況與高密度電法推斷結(jié)果高度吻合，應(yīng)用高密度電法在研究區(qū)進(jìn)行石灰?guī)r巖溶發(fā)育情況調(diào)查是有效的。

關(guān)鍵詞：高密度電法；石灰?guī)r巖溶；探測；山東臨沂

中圖分類號：P631""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""" doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2025.02.008

0 引言

如果沒有查明石灰?guī)r地基下巖溶發(fā)育情況就進(jìn)行房屋建筑施工，將會有很大的風(fēng)險，在施工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)基礎(chǔ)開裂、沉降不均勻等工程質(zhì)量問題。因此，巖土工程勘察行業(yè)需要及時、準(zhǔn)確地勘察、處理石灰?guī)r地基巖溶發(fā)育問題。鉆探、挖掘等傳統(tǒng)巖溶勘察方式效率不高，代表性差，具有很大的偶然性，對巖體整體完整性會產(chǎn)生損害^［1-2］。臨沂市羅莊區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)中經(jīng)常在石灰?guī)r地區(qū)發(fā)現(xiàn)巖溶等不良地質(zhì)作用，巖溶發(fā)育類型主要為埋藏型巖溶，發(fā)育情況復(fù)雜，與巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖石產(chǎn)狀、地下水的活動及地形地貌等多種要素有關(guān)^［3-7］。從研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)及鉆探揭露石灰?guī)r巖層埋深變化情況分析，研究區(qū)石灰?guī)r與第四系接觸面處，巖體呈破碎狀、巖溶較發(fā)育，巖面埋深變化大，局部地段可產(chǎn)生負(fù)巖面。巖石中巖溶發(fā)育無規(guī)律性、形態(tài)各異、縱橫向展布無序、形態(tài)規(guī)模復(fù)雜。因此在進(jìn)行地基基礎(chǔ)施工前，通過綜合物探手段或其他方法查明基底巖溶發(fā)育情況，可以提前采取相關(guān)手段進(jìn)行巖溶治理，預(yù)防因巖溶問題發(fā)生事故^［4-5］。

巖溶發(fā)育區(qū)主要巖溶危害之一是巖溶塌陷，巖溶塌陷具有突發(fā)性的特點(diǎn)。覆蓋性巖溶發(fā)育區(qū)域的巖溶塌陷大多是因?yàn)楦采w層中的巖溶不斷擴(kuò)大發(fā)展引起的，其自然原因是地下水長期對石灰?guī)r的溶蝕引起溶洞的不斷發(fā)育；加強(qiáng)溶洞的探測、勘查、預(yù)報和處置是巖溶發(fā)育塌陷區(qū)巖土工程的重中之重。在巖土工程勘察中，地基處理、超前鉆探施工后改變了地下水的活動規(guī)律，從而使巖溶溶洞的發(fā)育速度加快，進(jìn)而擴(kuò)大了塌陷的范圍，加重了巖溶的危害性^［6］。

近年來，覆蓋型巖溶溶洞的探測及整治問題成為臨沂市羅莊區(qū)棚戶區(qū)改造工程的重點(diǎn)難點(diǎn)問題。若在基礎(chǔ)施工前不查明巖溶危害情況并采取針對性的整治措施，工程后期就極可能發(fā)生基礎(chǔ)斷裂、主體開裂等安全風(fēng)險^［8-15］。本文依托于臨沂市羅莊區(qū)石灰?guī)r地基探測項(xiàng)目，通過高密度電法圈定出異常區(qū)，同鉆探、開挖相互驗(yàn)證，結(jié)果表明推斷解釋與驗(yàn)證情況吻合度較高。本次工作提供了一種精度高、成本低、效果好的探測方法，能夠?yàn)槌鞘袕?fù)雜環(huán)境下探查地表巖溶塌陷等相關(guān)工作提供參考^［12］。

1 高密度電法的基本原理

高密度電阻率法屬于電阻率法的范疇，這是一種在常規(guī)電法勘探為基礎(chǔ)發(fā)展而來的地球物理勘查手段^［10］。高密度電法屬于電法勘探的電阻率法，基于常規(guī)電阻率法勘探原理并利用多路轉(zhuǎn)換器的供電、測量電極的自動轉(zhuǎn)換，配合常規(guī)電阻率的測量方法及電阻率成像（CT）等高新技術(shù)來進(jìn)行高分辨、高效率電法勘探。它是通過程控式多路電極轉(zhuǎn)換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，用供電電極（A、B）向地下供直流（或超低頻）電流，同時在測量電極（M、N）間觀測電勢差（ΔUmn），并計(jì)算出視電阻率（ρs），各電極同時或不同時沿選定的測線按規(guī)定的電距間隔移動。預(yù)先人工打好電極，儀器自動切換，快速完成野外數(shù)據(jù)的采集^［11］。常用裝置有溫納裝置、偶極裝置等。

相較傳統(tǒng)電法勘探，高密度電阻率法具有高分辨率、高探測效率、高觀測精度及數(shù)據(jù)采集密集等優(yōu)點(diǎn)；高密度電法不再使用傳統(tǒng)電法采用的人工跑極，通過電腦程控電極轉(zhuǎn)換器選擇供電電極和測量電極，從而提高數(shù)據(jù)的采集效率，這種測量方式是高密度電法優(yōu)于傳統(tǒng)電法的特點(diǎn)之一，不僅實(shí)現(xiàn)了高效，還實(shí)現(xiàn)了自動化^［12］。通過計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)和成像技術(shù)使數(shù)據(jù)成像分析處理使原來復(fù)雜的工作變得更加便捷、高效、準(zhǔn)確，從而提高了其探測的準(zhǔn)確率及效率，得到了快速的推廣及應(yīng)用^［13］。

2 研究區(qū)地球物理特征

2.1 巖溶發(fā)育條件及規(guī)律

研究區(qū)位于山東省臨沂市羅莊區(qū)，區(qū)內(nèi)地層分布復(fù)雜，巖溶發(fā)育主要有寒武系和奧陶系厚層狀石灰?guī)r地層，巖溶發(fā)育與地形起伏及大氣降水密切關(guān)系^［14-18］。具體表現(xiàn)在地形起伏較大，地表水徑流加快，這時表面巖溶便是巖溶發(fā)育的主要形態(tài)，通常以溶槽、溶溝及石芽等地表形態(tài)出露。地形起伏平緩時，地表水徑流小，容易下滲，地表及地下巖溶發(fā)育程度接近一致，地下的巖溶多以落水洞、洼地、溶洞、豎井等形態(tài)展現(xiàn)。巖溶發(fā)育區(qū)若降水豐富，地表水體豐富、地下水體獲得補(bǔ)給，那么巖溶發(fā)育，否則不發(fā)育^［19］。

臨沂城區(qū)巖溶發(fā)育特征從區(qū)域地層和已有巖土工程地質(zhì)揭露巖層埋深變化情況分析，場地基巖面表層溶蝕裂隙、破碎帶、溶槽、溶溝等巖溶發(fā)育，引起巖面起伏變化較大，局部地段可產(chǎn)生負(fù)巖面。巖層中巖溶發(fā)育形態(tài)各異，規(guī)律性差或無規(guī)律性，縱橫向展布無序，形態(tài)規(guī)模復(fù)雜。

2.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水賦存類型主要為第四系孔隙水及巖溶裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于黏性土中，賦存條件直接與粒度成分有關(guān)，場地內(nèi)以黏性土為主，含水量小，透水性差，根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)其滲透參數(shù)k一般為0.2 m/d。孔隙水的補(bǔ)給來源如下：一是周邊河流的徑流側(cè)向補(bǔ)給；二是來自大氣自然降水補(bǔ)給；主要排泄方式為在枯水期往河流排泄或大氣蒸發(fā)，與季節(jié)氣候變化有密切關(guān)系。巖溶裂隙水主要在石灰?guī)r內(nèi)賦存，其在石灰?guī)r的賦存情況與石灰?guī)r的巖溶發(fā)育情況密切相關(guān)，石灰?guī)r巖溶強(qiáng)發(fā)育，溶蝕強(qiáng)烈，則富水性好，涌水量大，在完整巖層地段，則富水性差，不具含水條件^［14］。基巖裂隙水受巖性、構(gòu)造和巖溶發(fā)育條件影響，補(bǔ)給主要為地下徑流補(bǔ)給，排泄方式主要為人為抽取。

2.3 地球物理特征

通過研究區(qū)巖、礦石的電性特征可得，研究區(qū)第四系的巖土主要為雜填土、黏性土、粉質(zhì)黏土、巖石破碎層等，奧陶系巖性主要為泥灰?guī)r、石灰?guī)r，黏土、粉質(zhì)黏土一般電阻率非常低，通常情況下為5～30 Ω·m；含有卵石地層或含有碎石地層一般電阻率較高，通常情況下為100 Ω·m左右，下伏基巖石灰?guī)r的電阻率最高，一般大于300 Ω·m，具體見表1。

通常條件下，各地層在無破碎且完整時其橫向上電性相對均一、差異比較小；但跟隨相同地層積水及破碎程度的變化，其電性曲線上與圍巖比較會有顯著的畸變點(diǎn)和異常點(diǎn)^{［16，18］}；而隨巖溶發(fā)育成溶洞，導(dǎo)致上覆第四系土層坍塌后，電阻率便會急劇變化，先發(fā)育為半充填型無水巖溶溶洞，電阻率明顯高于同巖層的電阻率；而全充填型無水巖溶溶洞，電阻率明顯低于同一層位巖層的電阻率。此種電性差異是物探工作者利用電法尋找同一地層中溶洞和破碎異常的基礎(chǔ)和依據(jù)^［7］。

3 高密度電法應(yīng)用實(shí)例

3.1 場地條件概述

擬建羅欣醫(yī)藥集團(tuán)有限公司欣鴻龍?jiān)讽?xiàng)目（一期）位于臨沂市羅莊區(qū)湖東二路與雙月園南路交匯處西北側(cè)，交通便利。A5#和A6#樓基坑開挖至設(shè)計(jì)深度后持力層裂隙較發(fā)育及巖石破碎，特開展物探勘查工作，了解基坑及周圍巖性特征，查明基底5m以淺有無不良地質(zhì)體（巖溶、軟弱夾層及巖石破碎等）發(fā)育情況，為下一步施工提供依據(jù)。

3.2 工作部署及裝置選擇

本次高密度電法工作采用α排列（溫納裝置AMNB）和三極測深等混合裝置。

α排列采用的是96道電極高密度測量系統(tǒng)，電極之間的距離間隔為2 m，間隔系數(shù)1～n。AM=MN=NB是一個電極距離間距，隨著間隔系數(shù)n由n（min）漸漸增加至n（max），也均勻拉開了4個電極之間的間距^{［17，20］}。此裝置適用于固定斷面掃描測量，它的特點(diǎn)是測量斷面呈倒梯形，如圖1。

三極測深最小相鄰電極距△X=2 m，N=1～n，最大電極距AO≥61 m。在測量時，M、N保持靜止，A逐點(diǎn)向右移動，獲得一條滾動線；然后M、N、B同時向右移動一個電極，M、N保持靜止，B逐點(diǎn)向右移動，獲得另外一條滾動線；如此反復(fù)滾動進(jìn)行測量，獲得矩形斷面，如圖2。

測量時進(jìn)行恒壓供電，供電電壓檔位約360 V，供電時間1 s，斷電時間0.5 s。本次野外探測高密度電法采用32道，電極距為2 m，最大供電極距是62 m。本次高密度電法探測工作于A5#和A6#樓范圍按2 m電極距完成5條高密度電法測線，剖面總長度為248 m，物理點(diǎn)共計(jì)160個。其中A5#樓完成3條測線，編號為51、52、53，各剖面長度為62 m，物理點(diǎn)96個；A6#樓完成2條測線，編號為61、62，各剖面長度為62 m，物理點(diǎn)64個。工作布置如圖3。

3.3 剖面解釋

（1）5-1剖面位于A-5#樓中部靠北，近西—東向布置。根據(jù)視電阻率等值線圖（圖4）可知：整條剖面基本呈高阻反映，推測為基槽灰?guī)r的電性反映。橫向上在平距39～46 m高程58 m以深存在呈漏斗狀低阻體異常，電阻率小于300 Ω·ｍ，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，推測此剖面范圍泥質(zhì)充填的裂隙帶密集發(fā)育區(qū)。

（2）52剖面位于A5#樓基坑南側(cè)邊界，近西—東向布置。根據(jù)視電阻率等值線圖（圖5）可知：整條剖面基本呈高阻反映，推測為基槽灰?guī)r的電性反映。橫向上在平距36～48 m存在呈啞鈴狀低阻體異常，傾向W，電阻率小于300 Ω·ｍ，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，推測此剖面范圍泥質(zhì)充填的裂隙帶密集發(fā)育區(qū)。

（3）53剖面位于A5#樓基坑北側(cè)邊界，近西—東向布置。根據(jù)視電阻率等值線圖（圖6）可知：整條剖面基本呈高阻反映，推測為基槽灰?guī)r的電性反映。橫向上在平距40～50 m高程57 m以深存在呈啞鈴狀低阻體異常，傾向W，電阻率小于300 Ω·ｍ，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，推測此剖面范圍泥質(zhì)充填的裂隙帶密集發(fā)育區(qū)。

（4）61剖面位于A-6#樓基坑中部靠北，近西—東向布置。根據(jù)視電阻率等值線圖（圖7）可知：整條剖面基本呈高阻反映，推測為基槽灰?guī)r的電性反映。橫向上在平距36～46 m存在呈片狀低阻體異常，電阻率小于300 Ω·ｍ，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，推測此剖面范圍泥質(zhì)充填的裂隙帶密集發(fā)育區(qū)。

（5）62剖面位于A6#樓基坑南側(cè)邊界，近西—東向布置。根據(jù)視電阻率等值線圖（圖8）可知：整條剖面基本呈高阻反映，推測為基槽灰?guī)r的電性反映。橫向上在平距15～22 m高程56 m以深和平距35～48 m高程57 m以深存在片狀低阻體異常，電阻率小于300 Ω·ｍ，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，推測此剖面范圍泥質(zhì)充填的裂隙帶密集發(fā)育區(qū)。

3.4 異常綜合分析

通過對高密度電法剖面綜合分析，本次物探工作圈定3個泥質(zhì)充填的裂隙帶密集發(fā)育區(qū)，異常編號Y1、Y2和Y3，詳見圖3。

Y1泥質(zhì)充填的裂隙帶密集發(fā)育區(qū)：位于A5#樓中部偏東區(qū)域，在剖面呈低阻異常，電阻率小于背景電阻率，小于300 Ω·m，向北逐漸變深變窄，走向近SN，近直立略傾向E（圖9）。

Y2泥質(zhì)充填的裂隙帶密集發(fā)育區(qū)：位于A6#樓中部偏東區(qū)域，在剖面呈低阻異常，電阻率小于背景電阻率，小于300 Ω·m，走向近SN，近直立略傾向E。

Y3泥質(zhì)充填的裂隙帶密集發(fā)育區(qū)：位于A6#樓中部偏西南部邊界，在剖面呈低阻異常，電阻率小于背景電阻率，小于300 Ω·m，只有62剖面控制，走向不清。

綜上異常分析評價，巖溶發(fā)育區(qū)普遍分布為頂板深度以下1～3.0 m，多為巖溶裂隙發(fā)育帶，一般寬7～12 m，巖溶裂隙發(fā)育帶及溶洞呈廣泛分布狀態(tài)，且有橫向延伸趨勢。

3.5 開挖驗(yàn)證

為驗(yàn)證高密度電法在此次應(yīng)用的探測結(jié)果正確性和實(shí)用性，選取Y1測線的兩處位置對探測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過對現(xiàn)場開挖驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，實(shí)際巖溶發(fā)育程度埋深及溶蝕發(fā)育尺寸與高密度探測結(jié)果一致，從而印證了高密度電法探測巖溶的準(zhǔn)確性。工程實(shí)際施工過程中，建議設(shè)計(jì)單位采用筏板基礎(chǔ)，并增大了筏板厚度、長度及寬度尺寸，增加了配筋量，對于局部巖溶發(fā)育范圍較大處進(jìn)行了注漿處理，從而消除巖溶發(fā)育可能對建筑物地基的影響。

4 結(jié)論

（1）本文應(yīng)用高密度電法探測石灰?guī)r巖溶的實(shí)際案例表明，高密度電法抗干擾能力強(qiáng)，野外作業(yè)通過一次性設(shè)置電極，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化采集，施工更加高效。

（2）應(yīng)用高密度電法勘查巖溶前，應(yīng)調(diào)查場區(qū)巖溶發(fā)育條件及地球物理特征，在此基礎(chǔ)上選取合理的工作參數(shù)，保證高密度電法探測的精度。

（3）通過對實(shí)測剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和推斷解釋，認(rèn)為高密度電法可以有效的查明石灰?guī)r巖溶發(fā)育區(qū)的巖溶發(fā)育情況，并通過實(shí)際開挖驗(yàn)證了探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Application of High-density Electrical Method in the Exploration of Limestone Karst in Linyi City

LI Lei1，ZHOU Mingwei²，WANG Yufeng1

（1. No.7 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Linyi 276006， China；2. Kaiyuan Engineering Technology Limited Corporation of Shandong Geology and Mineral Resources， Shandong Linyi 276006， China）

Abstract：In geotechnical engineering investigation， it is necessary to timely and accurately identify the development of karst in limestone foundations. Traditional karst exploration methods， such as drilling and excavation are inefficient， poor representativeness and large randomness. It also will damage the integrity of the rock mass. High density electrical methods are high-precision and non-destructive detection techniques for studying karst development in limestone foundations. In this paper， selecting typical karst development blocks in Luozhuang district in Linyi city as the study area， 5 high-density electrical survey profiles have been constructed. The detection and application effects of this method in limestone karst development have been analyzed and studied. Combining with field exploration and drilling geological data excavation verification， it is showed that actual development of karst is highly consistent with the inferred results of high-density electrical survey. The application of high-density electrical survey is effective in investigating the development of limestone karst in the study area.

Key words：High-density electrical method; karst; detection; Linyi city in Shandong province

基金項(xiàng)目：山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊(duì)，山東地礦開元工程科技有限公司，山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，欣鴻龍?jiān)讽?xiàng)目（一期）巖土工程勘察項(xiàng)目及基坑物探項(xiàng)目資助

作者簡介：李磊（1987—），男，山東臨沂人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)、地災(zāi)防治、工程物探等工作；Email：545624511@qq.com

引文格式：李磊，周明偉，王玉峰.高密度電法在臨沂石灰?guī)r巖溶探測中的應(yīng)用［J］.山東國土資源，2025，41（2）：5157. LI Lei，ZHOU Mingwei，WANG Yufeng. Application of High-density Electrical Method in the Exploration of Limestone Karst in Linyi City［J］.Shandong Land and Resources，2025，41（2）：51-57.