徐 蔓 王 瀟廖鵬程 /.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司 .武漢長江大學地球科學學院

某高速公路段含炭質基巖區(qū)巖溶不良地質體高密度電法探測研究

徐 蔓1王 瀟1廖鵬程2/1.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司 2.武漢長江大學地球科學學院

高速公路建設和運營過程中巖溶不良地質體的危害很大。建設過程中常用的探測方法--高密度電法的工作原理是根據(jù)基巖的高阻與不良地質體的低阻，即兩者的電阻率差異。研究區(qū)基巖因富含炭質而呈現(xiàn)低阻。本文研究發(fā)現(xiàn)可以通過低阻基巖中的“U”型相對高阻或封閉型異常來探測巖溶不良地質體，11個鉆探試驗孔表明鉆孔遇洞率達54.5%，巖溶率為1.2～10.3%,表明方法是可行、可信的。

高密度電法；炭質基巖；巖溶不良地質體；高速公路

引言

高速公路路基的穩(wěn)定性直接受溶洞(土洞)、溶溝等巖溶不良地質體的影響，高速公路設計、施工中準確探測此類巖溶不良地質體空間分布位置及形態(tài)，是高速公路安全建設以及穩(wěn)定運營的重要保證。

目前巖溶不良地質體探測常見方法有高密度電法、地質雷達法、淺層地震法等。高速公路建設中影響高速公路修筑質量的地層深度一般在10～15m以內,這一深度的探測是淺層地震法的盲區(qū),空間尺寸小于5m的土洞探測效果不好;而淺層地質雷達法雖然能有效探測該深度以及小尺寸的土洞,但探測深度易受地表潮濕程度影響。高密度電法的物理前提是電性差異明顯,并且已經(jīng)有很多的成功的應用案例。但在應用中需注意該方法的缺陷:1)該法只對高阻中的低阻異常體敏感,而對低阻中的高阻異常體不敏感,因此,探測土層中的充泥(水)土洞以及基巖中充氣土洞的探測效果均不好;2)探測深度和探測對象的直徑比值的極限值約為5,即探測深度為10m的情況下,能被識別的最小土洞直徑為2m。

根據(jù)上述各方法實際應用情況以及各自的優(yōu)缺點，結合研究區(qū)典型炭質灰?guī)r分布區(qū)的具體地質條件,本文選擇高密度電法，對巖溶不良地質體開展研究工作。

一、高密度電法工作原理

高密度電法是以巖土體的電性差異為基礎，根據(jù)施加電流作用下地層中傳導電流的分布規(guī)律，推斷地下電阻率異常體的空間賦存情況。測量結果可以表示成倒梯形或矩形的二維視電阻率斷面，并根據(jù)實測的視電阻率剖面，進行計算、分析，獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常等。

二、研究區(qū)地質條件及地球物理特性

研究區(qū)內屬典型亞熱帶季風氣候區(qū)，區(qū)內多年平均1804.92毫米，地貌以低山和平原為主。

（一）地質條件

區(qū)內出露地層自老到新有:寒武系楊柳崗組(ε2y)、華嚴寺組(ε3h)，以及第四系（Q）。基巖為一套含泥質碳酸鹽沉積，楊柳崗組以含碳質泥灰?guī)r、含碳質白云質泥灰?guī)r、白云質泥灰?guī)r；華嚴寺組則為灰?guī)r與泥質灰?guī)r互層。第四系主要有殘坡積、沖積物、局部有崩塌、滑坡等堆積物，巖性以粘土、細砂、礫石、碎石土為主。鉆孔揭露地下水埋深一般在10m以內。

（二）地球物理特性

根據(jù)區(qū)域地質資料以及工程勘探鉆孔資料，研究區(qū)內隨炭、泥質含量增多，電性上表現(xiàn)為相對低電阻。常規(guī)高密度電法常利用巖溶溶洞與周圍基巖的電性差異進行不良地質的探測。但考慮本區(qū)地下水埋深較淺，第四系巖性屬于低阻巖層，溶洞或巖溶充水或土體填充后，也表現(xiàn)為低阻，和周圍的含炭質基巖還能表現(xiàn)為一定的相對電性差異，因此可用此法對本區(qū)的地質不良體開展探測工作，但在解譯過程中需有別于常規(guī)高密度電法的解譯過程。

三、試驗安排及數(shù)據(jù)獲取

本次高密度電法，采用儀器采用WGMD-3高密度電法儀。該儀器各項性能指標滿足規(guī)范要求，且智能程度較高，具有數(shù)據(jù)計算和儲存功能，直接顯示電阻率值。

根據(jù)1：2000設計線線路地形圖結合現(xiàn)場線路中樁點采用GPS實地布設測線。原則上沿線位方向布置高密度度測線2條，適當布置橫測線控制巖溶發(fā)育區(qū)或煤系地層區(qū)范圍。

四、數(shù)據(jù)解譯及分析

（一） 數(shù)據(jù)處理及反演

獲取野外數(shù)據(jù)后，高密度電法資料處理工作首先繪制視電阻率等值線斷面圖，然后使用二維反演軟件RES2DINV對數(shù)據(jù)進行反演擬合，并抽取單點測深曲線進行基巖深度反演，結合視電阻率等值線斷面圖進行地質解釋，最終形成解釋剖面。

（二） 解譯標準

根據(jù)反演得到的典型視電阻率等值線圖。可以發(fā)現(xiàn)剖面深部大部分測斷視電阻率低于20Ω.m，表現(xiàn)為整體極低值，根據(jù)前述的巖性地球物理特性，這和本地基巖灰?guī)r、泥灰?guī)r含炭質有關。而當溶蝕/溶洞發(fā)育且充填松散介質時，充填物電阻率值一般大于100Ω.m，相對低阻基巖表現(xiàn)為局部相對高阻，因此可把“U”型相對高視電阻率等值線作為判識溶蝕發(fā)育的解譯標志。

（三）不良地質體解譯及驗證

根據(jù)5.2建立的解譯標準，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內公路K253+100-K254+000段 左 測 線：K253+245～K253+260、K253+310～ K253+328等； 右 測 線：K253+235～K253+253、K253+312～K253+330段等下部基巖淺部均有相對高阻異常，推斷為溶蝕發(fā)育充填相對高阻介質所致。

后期布置鉆探驗證孔不同程度揭露了溶洞的存在, 共布設11個鉆孔,其中6個孔揭露溶洞，鉆孔遇洞率54.5%，巖溶率1.2～10.3%,累計溶洞高度0.2～2.2m,埋深4.7～8.8m，大部分充填砂混粘性土、角礫粉質粘土等。根據(jù)K253+257m右線10m的鉆孔柱狀圖，在孔深5.0～5.4m揭露溶洞。而在12.3～14.3m處揭露構造破碎帶，巖芯破碎呈塊狀，碳質含量較高。這表明本次物探工作所取得的資料可靠, 推斷成果可信度較高。

五、結論與建議

炭質基巖因為炭質含量高因此電阻率低，無法用常規(guī)的高密度電法來進行探測。但當灰?guī)r中產生溶蝕現(xiàn)象或形成溶洞時，溶蝕區(qū)的物理性質與周圍的完整基巖形成一定的差異，溶蝕規(guī)模越大、溶蝕區(qū)越淺，這種差異在物探測量時就表現(xiàn)得越明顯。當基巖表現(xiàn)為高阻時，基巖淺部溶蝕發(fā)育并有充填介質時，通常表現(xiàn)為低阻“U”型或封閉型異常；而基巖含碳質表現(xiàn)為整體低阻時，基巖淺部溶蝕發(fā)育并有充填介質時，通常表現(xiàn)為相對主高阻“U”型或封閉型異常，這為用高密度電法探測低阻基巖地區(qū)的巖溶不良體提供基礎，同時11個驗證鉆探孔54.5%的遇洞率，1.2～10.3%的巖溶率也證明本法的可行、可信。

[1]田榮倫,余子華,劉震. 2007. 低阻炭質灰?guī)r與高阻灰?guī)r互層水文物探方法研究.工程地球物理學報,4（3）：230-236；

[2]喻立平. 2008. 巖溶區(qū)不同土洞探測方法的對比研究-以桂陽高速公路K23+100～K23+190路段為例. 中國巖溶, 127（3）：278-282；

[3]陳燦華,廖秀英,陳紹裘. 2004. 高速公路不同地層路基中巖溶洞穴的探測. 中南大學學報(自然科學版), 35（6）：1014-1018；

[4]蔣小珍.線性工程路基巖溶土洞(塌陷)災害防治綜合研究：「博士論文」. 北京：中國地質大學(北京)， 2008；

[5]侯繼榮,吳臻林, 晁新勇，楊文峰. 2009. 高密度電法在阿爾及利亞東西高速公路巖溶勘察中的應用. 中外公路，129（4）：306-308；