【摘要】巖溶對(duì)建設(shè)工程的不良作用主要為：①基巖（碳酸鹽巖）面起伏大，加之溶溝（槽）發(fā)育，覆蓋（土）層厚度變幅大，土質(zhì)地基壓縮變形不均;②溶洞、土洞隱蔽性強(qiáng)，形態(tài)多樣，展布不規(guī)律，其變形、頂板塌陷致使地基失穩(wěn);③巖溶水埋藏情況復(fù)雜，含水層和裂隙通道分布無(wú)序，地下水位常不統(tǒng)一，動(dòng)水壓力隨降水補(bǔ)給而變化，無(wú)壓水和承壓水可交替出現(xiàn)，水量可驟變，涌水事故危害基坑施工及地下建筑安全。本文闡述在巖溶建設(shè)場(chǎng)地如何根據(jù)各類(lèi)介質(zhì)的物理性質(zhì)差異，使用鉆探、地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法相綜合的勘察方法對(duì)土巖界面、洞穴、地下水的位置或空間范圍進(jìn)行探測(cè)、解釋、驗(yàn)證，為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)排除隱患，為地基處理提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】巖溶勘察;地質(zhì)雷達(dá);高密度電法

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.093

為避免巖溶不良作用，工程勘察應(yīng)根據(jù)建筑物布局、基礎(chǔ)型式、荷載傳遞擴(kuò)散情況、基坑施工安全等因素，明確地下隱患的排查范圍以及重點(diǎn)排查的地質(zhì)構(gòu)造部位，并為此選擇有效的識(shí)別手段，查明巖溶發(fā)育特征及其對(duì)工程的影響。鉆探法可在具體點(diǎn)位豎直取芯鑒別、量測(cè)水位，并觀測(cè)鉆頭遇溶洞溶隙跌落時(shí)的深度、幅度，在揭露巖溶現(xiàn)象時(shí)能準(zhǔn)確反映孔位處地下水埋深、洞穴在垂直方向的位置、高差、充填情況;但僅用鉆探成果繪制工程地質(zhì)剖面存在以點(diǎn)帶面的缺陷，也不能反映洞穴發(fā)育的空間形狀以及與周邊巖溶體的連通情況。若過(guò)分密集布置鉆孔，易損傷地基，且工作量大、成本高。當(dāng)前，在地震法、電磁法、電法三大類(lèi)地球物理勘探方法中，廣泛將電磁法中的地質(zhì)雷達(dá)、電法中的高密度電法結(jié)合應(yīng)用，再通過(guò)鉆探驗(yàn)證，排除多解性，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖溶的有效探查。

1、地質(zhì)雷達(dá)

1.1地質(zhì)雷達(dá)工作原理及特點(diǎn)

覆蓋（土）層、完整基巖、溶洞、地下水之間存在明顯物性差異，由于介電常數(shù)的不同而形成電性界面，探測(cè)出這些界面，便可得知巖溶的分布位置、延展范圍。地質(zhì)雷達(dá)的工作原理（見(jiàn)圖1）是由發(fā)射天線連續(xù)發(fā)射高頻率脈沖電磁波，電磁波在地下傳播遇到不同的電性界面時(shí)，產(chǎn)生反射波，接收天線收錄這些反射波，放大后由示波器顯示出來(lái)，同時(shí)，電磁波在反射界面還將進(jìn)一步向下透射，在下一反射界面繼續(xù)形成反射波并被接收，以此形成多層反射波時(shí)間域。根據(jù)示波器有無(wú)反射信號(hào)，可判斷有無(wú)目標(biāo)體被探測(cè);根據(jù)反射波到達(dá)的時(shí)間和求得的電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，可計(jì)算目標(biāo)體的深度;根據(jù)反射波的形態(tài)、強(qiáng)弱及其變化等特征可推斷目標(biāo)體的性質(zhì)。探測(cè)巖溶時(shí)，發(fā)射電磁波頻段一般采用107Hz以上數(shù)量級(jí)，具有比其它地球物理探測(cè)更高的分辨率，具有無(wú)破壞、經(jīng)濟(jì)、快速等優(yōu)點(diǎn)。

1.2地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用方法

首先，確定探測(cè)參數(shù)：探測(cè)前不清楚地下異常體的埋深、走向、大小，應(yīng)先根據(jù)計(jì)劃探測(cè)深度、分辨率要求以及前期地勘揭示的地層結(jié)構(gòu)的介電特性，通過(guò)理論計(jì)算初選天線中心頻率、時(shí)窗、采樣率、天線移動(dòng)速度、脈沖頻率、增益、測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距、測(cè)線間距、天線極化方式，進(jìn)行粗略快速探測(cè)，再根據(jù)初探資料對(duì)異常體的響應(yīng)情況，細(xì)致選擇上述參數(shù)的最佳值展開(kāi)詳細(xì)探測(cè);對(duì)溶洞與圍巖介電常數(shù)差異的評(píng)估尤為關(guān)鍵，圍巖的電性不均一性必須小于溶洞尺寸，否則電磁波對(duì)溶洞的響應(yīng)可能淹沒(méi)在圍巖的響應(yīng)變化里。其后，測(cè)定介質(zhì)電磁波速度：地質(zhì)雷達(dá)記錄的是目標(biāo)體的雙程反射時(shí)間，通常采用參數(shù)計(jì)算法、已知深度反求速度法、管狀體反射求速度法、寬角法、共深度點(diǎn)法求取電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，其準(zhǔn)確性直接影響對(duì)目標(biāo)體埋深的計(jì)算精度。然后，正演模擬：為準(zhǔn)確了解地下洞穴對(duì)電磁波的響應(yīng)特征，需根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、含水層位、洞穴充填物等信息，按一定比例尺建立地下介質(zhì)模型，運(yùn)用二維有限差分法軟件設(shè)定網(wǎng)格、地下介質(zhì)分層、各層介電常數(shù)、相對(duì)磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬;理想狀態(tài)下正演雷達(dá)剖面中，洞穴的圖像特點(diǎn)是被側(cè)壁的強(qiáng)反射所包圍的弱反射空間，當(dāng)洞穴為空洞或充水時(shí)，洞體內(nèi)部雷達(dá)波幾乎沒(méi)有反射，當(dāng)洞穴內(nèi)充填覆蓋物質(zhì)時(shí)，可見(jiàn)洞內(nèi)土體產(chǎn)生較短周期的致密弱反射，在較均勻地層中反射波同相軸連續(xù)性較好，而在洞穴頂板反射波同相軸不連續(xù)，波形出現(xiàn)繞射、錯(cuò)斷、雙曲線等復(fù)雜特征。最后，采集數(shù)據(jù)并處理解釋?zhuān)簲?shù)據(jù)采集一般用剖面法，發(fā)射、接收天線為固定分離距，沿測(cè)線方向按等步長(zhǎng)同步移動(dòng)，所有單道反射信息生成雷達(dá)圖像剖面;數(shù)據(jù)處理主要包括增強(qiáng)有效信息、抑制隨機(jī)噪聲、壓制非目標(biāo)體的雜亂回波，目的是消除干擾，以盡可能高的分辨率提取反射波中的有用數(shù)據(jù)（波速、振幅、波形等），追蹤勾繪出異常體的直觀圖像;數(shù)據(jù)解釋包括識(shí)別異常、地質(zhì)解釋兩步，識(shí)別異常應(yīng)基于正演模擬時(shí)建立的對(duì)典型現(xiàn)象的認(rèn)知，地質(zhì)解釋?xiě)?yīng)結(jié)合地勘資料以及各地下介質(zhì)的電磁參數(shù)特點(diǎn)（見(jiàn)表1）合理判讀異常體。

2、高密度電法

2.1高密度電阻率工作原理及特點(diǎn)

巖、土、水、空氣等介質(zhì)的導(dǎo)電性存在差異，通過(guò)在地表布置電極建立穩(wěn)定電場(chǎng)，量測(cè)地下電流，研究地下介質(zhì)電阻分布、變化規(guī)律，可圈定具有不同電阻率的地質(zhì)體的賦存位置。高密度電法便是運(yùn)用此原理的直流電阻率勘探技術(shù)，在巖溶場(chǎng)地，溶洞與圍巖普遍存在電性差異，完整巖層孔隙度小、含水量少，電阻率較高，含水或含濕潤(rùn)泥沙的溶洞相對(duì)于圍巖呈現(xiàn)低電阻異常，而無(wú)水溶洞相對(duì)于圍巖呈現(xiàn)高電阻異常。高密度電法是集電測(cè)深法和電剖面法于一體的多裝置、多極距組合探測(cè)方法，優(yōu)點(diǎn)是可一次布設(shè)多個(gè)電極，通過(guò)程序控制自動(dòng)完成供電和量測(cè)，實(shí)現(xiàn)不同電極間距、不同電極排列方式的高效施測(cè)，短時(shí)間采集大量數(shù)據(jù)，能對(duì)整個(gè)場(chǎng)地做連續(xù)探測(cè)，并能對(duì)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)求取比值而凸顯異常信息，比常規(guī)電法勘探智能化程度大幅提高。

2.2高密度電阻率應(yīng)用方法

實(shí)測(cè)時(shí)，先以固定間距a沿觀測(cè)巷道布置若干個(gè)電極，A、B為供電電極向地下輸入電流I，M、N為測(cè)量電極測(cè)定電勢(shì)差△V，于是求出測(cè)點(diǎn)的視電阻值，取活動(dòng)電極間距為b，n為隔離系數(shù)，則b=na（n=1，2，3…），將每個(gè)相距為b的四個(gè)電極經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)連接到儀器，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)交互供電和量測(cè)電極，完成電阻率采集。一個(gè)測(cè)點(diǎn)全部量測(cè)完后，將整個(gè)電極排列向前移動(dòng)一個(gè)a的距離，展開(kāi)下一測(cè)點(diǎn)的量測(cè)，直到活動(dòng)電極間距為b的整條剖面測(cè)完為止（見(jiàn)圖2）。數(shù)據(jù)采集完后需作數(shù)據(jù)處理：對(duì)地形起伏的斷面進(jìn)行修正，剔除壞點(diǎn)、虛假點(diǎn)，對(duì)含有畸變點(diǎn)的斷面進(jìn)行濾波處理，再建立地電特征模型，將數(shù)據(jù)反演（最小二乘法）成圖，得到二維電阻率剖面。最終通過(guò)區(qū)分電阻率剖面中的異常，結(jié)合地勘、其它物探資料，解釋巖溶體的位置或指明進(jìn)一步鉆探驗(yàn)證的具體部位。

結(jié)語(yǔ)：

高密度電法在水平方向識(shí)別巖溶體展布范圍的效果較好，但在計(jì)算溶洞頂、底板埋深時(shí)存在一定誤差，且探測(cè)深度有限，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)之間電阻率差異不大時(shí)，分辨效果不佳;而地質(zhì)雷達(dá)在垂直方向探測(cè)巖溶體物性界面的精度較高，且可根據(jù)地下電磁參數(shù)設(shè)置工作頻率和功率，使電磁波的衰減常數(shù)和傳播常數(shù)盡量在目標(biāo)體深度有較好的分辨力。因此，在建設(shè)場(chǎng)地可先實(shí)施高密度電法，然后針對(duì)異常部位實(shí)施地質(zhì)雷達(dá)，將兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，再通過(guò)地質(zhì)調(diào)查、鉆探、開(kāi)挖驗(yàn)證，厘清環(huán)境干擾，排除物探多解性，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖溶現(xiàn)象的有效勘察。

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作者簡(jiǎn)介：

李景行（1983.11-），男，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，碩士，工程師，主要從事巖土工程勘察工作。