金愛芳，劉 磊，殷秀蘭

（1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.湖北省地質(zhì)局地球物理勘探大隊(duì)，湖北 武漢 430056；3.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖北省地質(zhì)局），湖北 武漢 430056）

巖溶塌陷具有突發(fā)性和隱蔽性，準(zhǔn)確識別出潛在的巖溶塌陷點(diǎn)，從而采取科學(xué)的、合理的方法手段進(jìn)行預(yù)防和治理具有重要意義。巖溶塌陷等不良地質(zhì)體的形成與發(fā)育主要與地層巖性、斷裂構(gòu)造、地下水的活動有關(guān)，其在電阻率、介電常數(shù)、密度等物理性質(zhì)上與周圍圍巖存在差異，而地球物理方法可以利用地下介質(zhì)的物性差異查明巖溶塌陷的分布情況，為預(yù)防和減輕巖溶塌陷災(zāi)害提供地球物理依據(jù)[1]。

目前國內(nèi)外探測巖溶塌陷常用的地球物理方法有各類電法、地震勘探法、重力測量等[2]。由于巖溶塌陷發(fā)育具有不確定性，依靠單一的物探方法來推斷地下介質(zhì)空間位置不夠精確和嚴(yán)謹(jǐn)，因此必須組合多種方法來聯(lián)合探測以提高其解釋準(zhǔn)確度。目前綜合地球物理方法在巖溶塌陷地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用越來越廣泛，El-qady 等[3]運(yùn)用偶極子-偶極子陣列的地電電阻率層析成像和地質(zhì)雷達(dá)對埃及開羅的東南部淺層巖溶洞穴進(jìn)行了探測；Kaufmann 等[4]運(yùn)用重力測量和電阻率成像對德國哈爾茨山脈南部的洞穴進(jìn)行了探測；Anbazhagan 等[5]運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)和多道表面波分析（MASWs）技術(shù)對印度喀拉拉邦一個(gè)大型建筑工地的空洞進(jìn)行了識別。有學(xué)者運(yùn)用高密度電阻率法[6-16]、淺層地震反射波法[6-11]、地質(zhì)雷達(dá)[7-8,11-12]、跨孔地震CT[8]、波速測試[8]、土壤氡濃度[8]、主動源面波法[13]、微動法[11,13-14]、鉆孔電磁波CT[15]、瞬變電磁法[11-12]、音頻大地電磁法[10,14]、重力測量法[14]、混合源面波[11]、孔間層析成像[11]、地面核磁共振法[11]和彈性波 CT 法[17]中的一種或幾種組合方法對不同地區(qū)的巖溶塌陷進(jìn)行了調(diào)查和探測。眾多方法中，由于地質(zhì)雷達(dá)和高密度電阻率法的經(jīng)濟(jì)適用性高，數(shù)據(jù)采集迅速，抗干擾能力強(qiáng)，已經(jīng)成為巖溶塌陷探測中不可缺少的技術(shù)手段。靜力觸探技術(shù)由于其快速性、持續(xù)性，且定位精確度較高的特點(diǎn)，在巖土工程測量中應(yīng)用廣泛，它能夠有效地界定巖土體結(jié)構(gòu)，對土壤進(jìn)行有效分層，確定土層的強(qiáng)度及變形程度。前人利用這些方法在巖溶探測方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，為這些方法的運(yùn)用和發(fā)展提供了非常重要的指導(dǎo)意義。如熊志濤等[18]運(yùn)用高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)等方法對武漢市毛坦港巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行物探勘查，總結(jié)認(rèn)為高密度電阻率法對淺層—中層土層和基巖及其巖溶發(fā)育狀況可做出較精確的刻畫，地質(zhì)雷達(dá)主要反映淺層第四系土層變化情況，對于土層的擾動情況可做出較精準(zhǔn)的判斷，可信性較高。趙楊杉等[19]對比不同發(fā)射頻率的地質(zhì)雷達(dá)對異常的解釋效果發(fā)現(xiàn)，100，40，25 MHz 對異常的分辨能力及探測精度依次降低。王慶學(xué)[20]研究發(fā)現(xiàn)80 MHz 和40 MHz 兩種天線系統(tǒng)在水泥地面段無明顯干擾情況下，探測深度及精度基本一致，但80 MHz 天線的分辨率和抗干擾能力較40 MHz 天線強(qiáng)。以上研究大都集中在探測方法對巖溶塌陷的空間條件和物質(zhì)條件的有效性和適用性上，而對誘發(fā)巖溶塌陷的主導(dǎo)因素—水動力條件變化，對其探測效果影響研究甚少，豐水期和枯水期季節(jié)性水動力條件的變化就是一種典型案例。

基于此，本研究選取武漢市典型地區(qū)開展豐水期和枯水期地質(zhì)雷達(dá)、高密度電阻率法和靜力觸探3 種方法開展巖溶塌陷探測，對不同時(shí)期不同方法的探測效果進(jìn)行了對比與分析，總結(jié)了不同勘探方法在巖溶探測中的適用性及探測深度，以期為季節(jié)性變化大的地區(qū)開展巖溶塌陷探測方法的選擇提供參考，為潛在塌陷點(diǎn)的準(zhǔn)確識別提供技術(shù)支撐。

1 工作區(qū)概況

工作區(qū)位于武漢市南部江夏區(qū)覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)—老桂子山巖溶條帶內(nèi)，位于長江東岸，到長江的直線距離約5 km，處于武漢長江一級階地，基巖以上覆蓋層為典型的上土下砂的二元結(jié)構(gòu)。表層為第四系全新統(tǒng)沖積黏性土，強(qiáng)度較低，下部為粉細(xì)砂層。全新統(tǒng)沖湖積層上部為軟塑-可塑狀粉質(zhì)黏土及粉土，局部分布流塑-軟塑狀淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度約5.3 m，下部為松散-中密狀粉細(xì)砂或粉土粉砂互層，底部偶見礫砂，厚度為18.35 m，砂層往下為可溶灰?guī)r，且?guī)r溶較發(fā)育，存在砂土顆粒向下漏失至下覆溶洞、溶隙之中的基本地質(zhì)環(huán)境條件。

該工作區(qū)西南邊緊鄰金水河，南邊為法泗鎮(zhèn)中心街道，交通線路相對簡單，其西北邊有武深高速通過，2014年9月5日該高速路的建設(shè)引發(fā)了大型巖溶塌陷。區(qū)內(nèi)潛水面水位受長江水量影響顯著，一般在10，11月份至次年4月份為枯水期，其他時(shí)間為豐水期。

2 野外工作方法

2.1 工作區(qū)物性特征

收集整理分析前人在工作區(qū)開展過的大量地球物理勘查工作成果，區(qū)內(nèi)不同介質(zhì)間存在較明顯的電性差異：第四系覆蓋層、新近系、古近系均為相對低阻，視電阻率一般在10～40 Ω·m；志留系砂頁巖、頁巖視電阻率為70～170 Ω·m， 常見值約為70 Ω·m，為相對中阻；三疊系、二疊系、石炭系灰?guī)r、泥盆系石英砂巖視電阻率均在100 Ω·m 以上，為相對高阻，但當(dāng)其中存在溶洞時(shí)，表現(xiàn)出明顯的低阻變異。

工作區(qū)的巖石、土體之間皆存在有較大的介電常數(shù)差異，其中干砂的相對介電常數(shù)為4～6，濕黏土的為15，干土壤的為3～5，而含水量為20%的土壤為10。不同土體比貫入阻力值往往存在較大的差異，一般黏土小于1 MPa，粉質(zhì)黏土介于1～5 MPa，粉砂介于1～30 MPa，同一土體密實(shí)程度不同，阻力值差異也較大，在發(fā)生巖溶塌陷時(shí)，塌陷坑上方及其周邊一定區(qū)域，由于土體發(fā)生擾動改變了原有的力學(xué)性質(zhì)，其比貫入阻力值會發(fā)生急劇的下降。以上條件為本區(qū)進(jìn)行巖溶塌陷不同勘探方法的合理選擇提供了良好前提條件。

2.2 工作方法

2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)法

根據(jù)測區(qū)地形地質(zhì)條件，采用高精度探地雷達(dá)（美國GSSI 公司生產(chǎn)，SIR-4 000），在條件允許時(shí)分別采用100 MHz、40 MHz 的天線各測一次，如地形地物受限時(shí)，據(jù)實(shí)際情況采用其中一種頻率測量。掃描速率為23 掃/秒，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024，時(shí)窗分別為400 和800 ns，疊加次數(shù)分別為5 和28 次。豐水期和枯水期各布設(shè)2 條測線，數(shù)據(jù)處理軟件采用RADAN 軟件。

2.2.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集采用多功能電法儀（國產(chǎn)WGMD-4），由多功能數(shù)字直流激電儀、多路電極轉(zhuǎn)換器和供電電池箱組成。該系統(tǒng)具有操作方便，采集數(shù)據(jù)量大，采集數(shù)據(jù)重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。本次采用溫納測量裝置，滾動測量方式進(jìn)行，供電電源為480V，供電測量時(shí)間為3 s，極距5 m，電極排列長度220～445 m。數(shù)據(jù)處理及反演采用RES2DINN 軟件進(jìn)行，反演擬合誤差要求RMS≤20%，三維成圖軟件采用voxler4 等。

2.2.3 靜力觸探

靜力觸探選用靜力觸探儀（J-3 型），主要由觸探主機(jī)、反力裝置、探頭、探桿及測量系統(tǒng)構(gòu)成，以及其它設(shè)備及配套工具等。在巖溶塌陷區(qū)可以將靜力觸探點(diǎn)均勻分布于全測區(qū)范圍里，通過統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定正常土體和擾動土體的應(yīng)力響應(yīng)。當(dāng)記錄深度與實(shí)際深度有出入時(shí)，應(yīng)按深度線性修正深度誤差。主要修正以下內(nèi)容：①觸探的同時(shí)量測探桿的偏角，應(yīng)進(jìn)行深度修正；②當(dāng)有零點(diǎn)漂移時(shí)，一般在回零段內(nèi)以線性內(nèi)插法進(jìn)行校正，校正值等于讀數(shù)值減零讀數(shù)內(nèi)插值。

試驗(yàn)資料按下列公式計(jì)算比貫入阻力，對比探測參數(shù)確定擾動土層的變化范圍邊界。

式中：Ps—比貫入阻力/MPa；

Kp—對應(yīng)的率定系數(shù)；

εp—單橋探頭的應(yīng)變量/MPa。

工作區(qū)共布設(shè)7 個(gè)探測點(diǎn)，豐水期、枯水期均布設(shè)了5 個(gè)測點(diǎn)，其中測點(diǎn)1，3，4 在兩期是重復(fù)的，測點(diǎn)1，2，4 為塌陷部位測點(diǎn)，測點(diǎn)3，5，6，7 為未塌陷部位測點(diǎn)。

2.3 工作部署

基于衛(wèi)星影像分析可以判斷出工作區(qū)巖溶塌陷坑的準(zhǔn)確位置，并在原塌陷坑上及其周邊有針對性的開展地質(zhì)雷達(dá)、高密度電阻率法和靜力觸探綜合勘探（圖1），分析水動力條件變化下不同勘探方法對巖溶塌陷探測效果的影響。地質(zhì)雷達(dá)測線主要布設(shè)于巖溶塌陷發(fā)育區(qū)及覆蓋層厚度小于30 m 的區(qū)域，并沿著巖溶條帶分布方向和垂直構(gòu)造方向分別布設(shè)，同時(shí)兼顧考慮避開構(gòu)筑物、管網(wǎng)密集等干擾因素太多的區(qū)域。高密度電阻率法測線沿垂直構(gòu)造方向布設(shè)，且與地質(zhì)雷達(dá)測線2 存在鄰近關(guān)系，以便各探測成果互相驗(yàn)證。靜力觸探點(diǎn)主要布設(shè)于巖溶塌陷坑內(nèi)外，以便探測效果對比分析。

圖1 工作區(qū)測線布設(shè)圖Fig.1 Survey lines of study area

3 種方法分豐水期和枯水期兩個(gè)階段探測，豐水期的工作為初步探測，以獲得巖溶發(fā)育區(qū)巖土體的基本情況；枯水期的工作主要是按照豐水期的測線進(jìn)行重復(fù)性的第二輪探測，用于和豐水期數(shù)據(jù)對比分析。各方法探測工作豐水期于2019年8月份完成，枯水期工作于2019年10月份完成。

3 結(jié)果

3.1 地質(zhì)雷達(dá)勘查結(jié)果解釋

由地質(zhì)雷達(dá)1 線和2 線探測效果圖可以看出（圖2），與100 MHz 工作頻率地質(zhì)雷達(dá)相比，40 MHz 工作頻率地質(zhì)雷達(dá)在豐水期和枯水期的異常響應(yīng)差異較為微小，這是因?yàn)榈凸ぷ黝l率雷達(dá)的自生波長較大對異常體的分辨率本身較低所致，同時(shí)由于武漢市常年降雨較多的氣候特點(diǎn)，無論是豐水期還是枯水期深部土壤的保水性差異較小，故探測的地質(zhì)目標(biāo)本身也不存在顯著差異。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)1 線和2 線豐、枯水期探測效果圖Fig.2 Detection effect diagram of geological radar line 1 and 2 in the period of rainy and dry seasons

通過豐、枯期數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ确治?，同一工作頻率的地質(zhì)雷達(dá)在枯水期探測效果均好于豐水期。在探測深度上，40 MHz 工作頻率時(shí)，豐水期有效探測深度為7 m，而枯水期的有效探測深度為14 m，差異顯著；100 MHz 工作頻率時(shí)，無論豐水期，還是枯水期，有效探測深度均在4 m 左右，差異不顯著?？梢姴捎玫凸ぷ黝l率（小于100 MHz）枯水期的探測深度要遠(yuǎn)大于豐水期。在探測精度上，100 MHz 工作頻率地質(zhì)雷達(dá)在1 線枯水期20～35 m 處的雷達(dá)剖面存在大范圍異常響應(yīng)，推測該位置存在擾動土，而同工作頻率豐水期及40 MHz 工作頻率豐、枯水期均未見異常響應(yīng)。2 線雷達(dá)剖面在40 MHz 和100 MHz 工作頻率的豐、枯期均無明顯的異常響應(yīng)，雖然經(jīng)過原塌陷區(qū)位置，但是現(xiàn)已作了人工回填處理，回填土與其本身土質(zhì)介電常數(shù)差異較小，因而導(dǎo)致異常響應(yīng)不顯著?？梢?00 MHz 地質(zhì)雷達(dá)在枯水期比豐水期探測到的淺部擾動土異常響應(yīng)顯著且更加清晰。

3.2 高密度電阻率法勘查結(jié)果解釋

由豐、枯水期的高密度電阻率法反演剖面（圖3）可看出，兩個(gè)剖面的測線整體視電阻率均存在明顯的梯度異常，變化范圍為10～770 Ω·m。據(jù)電阻率特征分成三層，上中部為低阻層（10～65 Ω·m），下部為高阻層（＞70 Ω·m）。上部低阻層厚度約5 m，其電阻率特征范圍處于10～30 Ω·m，推測為第四系土層，低阻異常范圍由小號端至大號端逐漸加厚，水平距離110～130 m 處有一低電阻率凹異常區(qū)，其地表位置與原塌陷坑一致。中部低阻層厚度約15 m，其電阻率特征范圍處于30～65 Ω·m，推測為砂層，下部高阻層為灰?guī)r（電阻率大于70 Ω·m）。這表明高密度電阻率法在本工區(qū)對巖溶探測效果非常顯著。可見高密度電阻率法對于覆蓋層厚度小于30 m、覆蓋層具有“上黏下砂”二元結(jié)構(gòu)、原始塌陷位置和基巖面均有良好的響應(yīng)。

3.3 靜力觸探勘查結(jié)果解釋

由豐水期不同測點(diǎn)的靜力觸探成果（圖4）可看出，塌陷部位測點(diǎn)1，2，4 比貫入阻力值隨深度變化曲線基本一致，在比貫入阻力達(dá)到5 MPa 以上時(shí)，在土層中的貫入深度均超過10 m，其后比貫入阻力快速增加，這是由于上部原有塌陷使土體發(fā)生擾動，改變了原有巖土體的力學(xué)性質(zhì)，比貫入阻力較低，當(dāng)貫入深度達(dá)到10 m 的粉砂層之后，比貫入阻力升高；相較而言，未塌陷的測點(diǎn)3 和5，在土層中的貫入深度超過7 m 后，比貫入阻力則會快速增加。同時(shí)，測點(diǎn)3 和5 在Ⅰ區(qū)（1～3 m 處粉質(zhì)黏土層）出現(xiàn)第一個(gè)峰值，在Ⅱ區(qū)（7～10 m 處粉砂層）處出現(xiàn)第二個(gè)峰值，曲線特征存在明顯的一致性。

圖4 靜力觸探豐、枯水期成果圖Fig.4 The cone penetration results in the period of rainy and dry seasons

4 討論

通過對同一工作頻率不同時(shí)期的地質(zhì)雷達(dá)探測效果（圖2）對比分析，100 MHz 地質(zhì)雷達(dá)在枯水期比豐水期探測到的淺部擾動土異常響應(yīng)顯著且更加清晰。這與地質(zhì)雷達(dá)受含水層含水率影響，含水率過大效果不明顯研究結(jié)果相一致[21]。40 MHz 工作頻率探測深度的顯著差異可能是由于豐水期土壤濕度大，雷達(dá)波在土壤層衰減速度快，傳播深度相對較淺，接收到的反射信號弱；而100 MHz 工作頻率本身探測深度較淺，豐、枯期淺地表土壤含水率受到地下水影響較小，因此100 MHz 工作頻率的探測深度受到的影響較小。這進(jìn)一步驗(yàn)證了當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)有高黏土含量或者高含水率特性時(shí)，電磁波信號會產(chǎn)生急劇的衰減，使得該方法穿透深度大大降低[22]。通過對比可得出該工作區(qū)擾動土體坍塌和邊界擴(kuò)大主要受滲流作用影響。豐水期長江水位上漲，地下水滲流方向向上，土壤層和土洞逐漸飽水，土壤顆粒受到向上的滲流壓力作用，上下應(yīng)力差減小，發(fā)生巖溶地面塌陷的幾率低；在枯水期當(dāng)?shù)叵滤豢焖傧陆禃r(shí)，水的滲流方向向下，會向下帶走土壤顆粒，使得擾動土范圍擴(kuò)大，以及土層下方存在巖溶空隙或巖溶空洞，使得土壤層應(yīng)力失衡，土壤向下泄漏或垮塌，造成土洞擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)土體發(fā)生劇烈的破壞使地面塌陷。

對比分析高密度電阻率法1 線豐、枯水期剖面（圖3），枯水期淺表電阻率由低逐步升高隨后逐漸降低，其等值線疏密程度與豐水期相比，較為稀疏。而豐水期電阻率等值線較為密集，電法剖面對中間砂層的電性特征反應(yīng)更為精細(xì)（豐水期砂層的電性特征明顯表現(xiàn)為兩層特征，上部粉砂電阻率較高，下部細(xì)砂電阻率較低），可以對較小的異常進(jìn)行確定。結(jié)合工作區(qū)已有鉆孔資料來看，第四系分為黏土層、粉砂層、細(xì)砂層，總體表現(xiàn)為低阻，可見豐水期探測效果與鉆孔資料更加吻合。這表明高密度電阻率法在高含水率、低電阻率地層具有較大的探測深度和良好的電阻率層析成像能力。這是由于豐水期砂層含水率高，電阻率低（從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出，該處豐水期砂層的電阻率較枯水期砂層的電阻率值約下降30%，處于25～50 Ω·m），而枯水期時(shí)砂層中水分流失，整體電阻率升高，層間異常特征以及基巖接觸面都變的相對模糊，因此通過對豐、枯水期監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，可以大致推測地下砂層中含水情況及水位變化幅度，如加密觀測時(shí)間，可對巖溶塌陷的預(yù)測起到一定參考作用。

圖3 高密度電阻率法1 線豐、枯水期剖面圖Fig.3 Section of high density resistivity line 1 in the period of rainy and dry seasons

靜力觸探枯水期測點(diǎn)1，3，4 與豐水期的測點(diǎn)點(diǎn)位相同，測點(diǎn)6，7 為新測點(diǎn)位（均在未塌陷部位），未塌陷測點(diǎn)3，6，7 靜力觸探曲線特征與豐水期所測曲線形態(tài)一致，在Ⅰ和Ⅱ區(qū)均有較高響應(yīng)值，同一點(diǎn)位的比貫入阻力在枯水期略高于豐水期。塌陷部位測點(diǎn)1 靜力觸探曲線與豐水期曲線特征略有差異，但不顯著。塌陷部位測點(diǎn)4 兩次探測在深部約4 m 處存在較大差異，推測為塌陷部位回填局部坑存在石塊等引起，僅為個(gè)例，不作為參考對象?？梢姷叵滤蛔儎訉ぷ鲄^(qū)的靜力觸探效果影響較小?；陟o力觸探在塌陷點(diǎn)與非塌陷點(diǎn)曲線特征對比分析可得出以下認(rèn)識：（1）未塌陷點(diǎn)在表層Ⅰ區(qū)位置存在明顯的高值異常區(qū)，塌陷點(diǎn)則不存在此特征；（2）靜力觸探值在深部同一深度（Ⅱ區(qū)）未塌陷點(diǎn)的探測值要高于塌陷點(diǎn)探測值，根據(jù)上述特征，推測均為塌陷引起的土體松動原因造成；（3）靜力觸探值在豐水期和枯水期的探測效果大致相同，因此，豐水期和枯水期對靜力觸探的影響較小。由此可見，靜力觸探在圈定塌陷區(qū)邊界范圍有非常好的效果，且豐枯水期無顯著差異。

5 結(jié)論

（1）在工作頻率≤100 MHz 時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)對4 m 以內(nèi)的擾動土有良好的響應(yīng)。40 MHz 工作頻率時(shí)地質(zhì)雷達(dá)在枯水期的探測深度要大于豐水期，但二者異常響應(yīng)差異較為微小；100 MHz 工作頻率時(shí)地質(zhì)雷達(dá)探測深度在豐水期和枯水期無顯著差異，但枯水期比豐水期對淺部擾動土異常響應(yīng)顯著且更加清晰。

（2）高密度電阻率法對淺中層巖土體探測有良好的響應(yīng)。在豐水期對地層結(jié)構(gòu)的刻畫比枯水期更為精細(xì)準(zhǔn)確，尤其適用于覆蓋層厚度小于30 m 且具有“上黏下砂”二元結(jié)構(gòu)的地質(zhì)條件。

（3）靜力觸探對10 m 以內(nèi)土體探測展現(xiàn)出良好的響應(yīng)，豐水期和枯水期的探測效果無顯著差異，在圈定塌陷區(qū)邊界范圍有較好的效果。