張贊萍

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,鄭州450000)

作為全球巖溶遍布最豐富的國家之一,我國碳酸性巖溶分布面積約占國土面積的1/3,尤其以滇、黔、桂、川、鄂及湘等區(qū)域的巖溶為主[1-3]。當(dāng)前,隨著人類科技的快速發(fā)展,各種生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)化迫在眉睫。同時(shí),隨著工程勘探和建設(shè)工程量的不斷擴(kuò)大,對(duì)建設(shè)用地空間和礦產(chǎn)資源的需求也越來越大。此外,因深層地表的開發(fā)及巖溶層的各種外部因素引發(fā)的各類地質(zhì)災(zāi)害也逐漸增多。其中,巖溶對(duì)建設(shè)領(lǐng)域工作的危害主要包括巖溶液體侵入造成樓體基地不穩(wěn)定及巖溶空洞造成施工過程中天花板或地板的坍塌等[4-6]。因此,在進(jìn)行工程建設(shè)之前,對(duì)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)勘探進(jìn)行預(yù)測是非常重要的工作之一[7-9]。但當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)手段已無法合理滿足社會(huì)對(duì)地質(zhì)勘探技術(shù)升級(jí)的需求,因此,需通過更先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)手段進(jìn)行不斷優(yōu)化,尋求更合理的地質(zhì)勘探方法,提高地質(zhì)災(zāi)害勘查工作的效果?；诖?很多研究者進(jìn)行了綜合研究,并提出了相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化方法。

在較明顯的巖溶預(yù)測中,工作難度較低,能明顯區(qū)分地質(zhì)類型。但實(shí)際施工過程中,經(jīng)常會(huì)遇到一些擁有多種地質(zhì)類型和土質(zhì)的隱性巖溶地質(zhì),對(duì)其具體成分的探測仍是一個(gè)難以解決的問題。常少英等[10]用巖溶洞穴儲(chǔ)層分層解釋方法,預(yù)測不同時(shí)期巖溶洞穴儲(chǔ)層的分布,并根據(jù)單層溶洞分布規(guī)律,分析了巖溶溶洞儲(chǔ)集層的連通性。李光勤[11]使用一種高密度電法勘探技術(shù)對(duì)城市內(nèi)施工中的地質(zhì)情況進(jìn)行了探測,能有效檢測出空洞的準(zhǔn)確位置。邵鵬遠(yuǎn)等[12]為高效、準(zhǔn)確地對(duì)巖溶區(qū)地質(zhì)情況進(jìn)行勘探,以便有針對(duì)性地采取預(yù)防措施,避免造成進(jìn)一步的損失,結(jié)合某巖溶區(qū)的地面塌陷案例,基于GprMax2D軟件進(jìn)行第四紀(jì)覆蓋層中土洞的雷達(dá)波數(shù)值模擬,通過單一變量的成像圖,對(duì)不同地質(zhì)情況下的土洞進(jìn)行分析,并總結(jié)出了規(guī)律。韓慶定等[13]采用高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)和CT孔對(duì)透視3種工程物探方法,結(jié)合地質(zhì)鉆探等方法對(duì)災(zāi)害區(qū)進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境勘測與應(yīng)急處治方式設(shè)計(jì)實(shí)施研究,研究表明：塌陷群采取臨時(shí)應(yīng)急回填措施,勘查、設(shè)計(jì)和治理施工同時(shí)進(jìn)行的災(zāi)害應(yīng)急處理方式正確可靠。李海良等[14]采用工程物探先行,結(jié)合鉆探的應(yīng)急勘查方法效果良好,采取對(duì)地陷區(qū)進(jìn)行片石回填并進(jìn)行注漿加固地基處治措施,經(jīng)檢測表明處置技術(shù)可行,可為大規(guī)模巖溶地陷區(qū)的災(zāi)害應(yīng)急治理提供借鑒。綜上所述,當(dāng)前的研究對(duì)地質(zhì)勘查的技術(shù)發(fā)展方向提供了重要參考,但對(duì)該技術(shù)方法在實(shí)際工作中的應(yīng)用研究還不夠成熟,因此,為有效優(yōu)化當(dāng)前地質(zhì)勘查工作方法,本文將采用物探方法對(duì)某地巖溶地質(zhì)進(jìn)行探測。

本文首先介紹巖溶地質(zhì)災(zāi)害的種類和發(fā)生原因;隨后對(duì)物探方法的種類進(jìn)行簡要介紹,提出本文采用的技術(shù)類別;最后,用綜合物探方法對(duì)某地地質(zhì)類型進(jìn)行勘探,并根據(jù)得到的結(jié)果數(shù)據(jù)判斷其土質(zhì)類別,以此來判斷綜合物探方法在地質(zhì)勘探的可行性。本文將幾種物探方法綜合運(yùn)用,依據(jù)勘探得到的土質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)巖層類別進(jìn)行判斷,具有較高的準(zhǔn)確度。

1 綜合物探方法

1.1 巖溶塌陷的形成原因

造成巖溶下陷的主要原因有潛蝕、真空吸蝕、振動(dòng)、液化和氣爆等,通常情況下,地下水的流動(dòng)是造成地面下陷的主要因素。地下水位的漲落是巖溶下陷的誘發(fā)原因,土質(zhì)本身物理性質(zhì)的內(nèi)部因素和上層覆蓋下層的土層是必要條件。巖溶塌陷的誘因[15-17]如表1所列。

表1 巖溶塌陷的誘因[15-17]

因遮蓋層中的空洞是造成巖溶塌陷的主要原因,因此,許多研究專家主要針對(duì)空洞對(duì)土層的影響,而忽視了空洞的形成原因和條件,這導(dǎo)致只考慮災(zāi)后補(bǔ)救而不重視災(zāi)前預(yù)防的現(xiàn)象。在人類未干預(yù)的情況下,土層中空洞的形成需經(jīng)歷很長的時(shí)間,由于人類的活動(dòng),形成時(shí)間將大大縮短,這是施工地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的主要原因之一。空洞的形成條件為[18]：

(1)在第四紀(jì)土層中存在巖溶的空洞、縫隙或斷裂層,且存在流動(dòng)的地下水。

(2)存在灰?guī)r、白云巖等抗壓度低的巖溶,在地下水長時(shí)間的沖刷和浸沒下,整個(gè)巖溶被地下水腐蝕,強(qiáng)度下降。施工過程中增高了地下水的流動(dòng)強(qiáng)度,使不穩(wěn)固的巖溶結(jié)構(gòu)在流動(dòng)過程中脫離原有的整體結(jié)構(gòu)。

(3)隨著地下水位的下落,土層中的空洞增大,使其中的壓強(qiáng)低于大氣壓,最后在外力的作用下塌落。

1.2 物探方法的選擇

物探方法[19]是一種間接勘探的方法,通常是指運(yùn)用各種以物理學(xué)概念為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的儀器以獲得巖溶和礦物等標(biāo)本模型的各個(gè)參數(shù)及分布規(guī)律,隨后根據(jù)現(xiàn)有的物理定義和概念來定位數(shù)據(jù),并解釋為地質(zhì)成果。本文采用的物探方法主要有高密度電阻法、音頻大地法和探地雷達(dá)法3種,其中,探地雷達(dá)法和音頻大地法統(tǒng)稱為電磁探測法。

高密度電阻法[20]主要是基于土層中巖溶結(jié)構(gòu)及各種礦物的電性性能,并通過人力添加穩(wěn)定的電壓和電流,以及電流在地下土層中傳導(dǎo)的規(guī)律判斷組成結(jié)構(gòu)。這種方法與其他傳統(tǒng)電流測試的主要區(qū)別為自動(dòng)化性和集成性。高密度電流包括了傳統(tǒng)電流法的所有裝置,且在進(jìn)行時(shí)只需將電極銅棒以一定間隔排布在預(yù)測線路中。使用過程控制的轉(zhuǎn)換裝置能對(duì)設(shè)施和距離數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,擁有一線設(shè)置及多種設(shè)施收集的優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)的電流法相比,高密度電阻法效率高,且得到的結(jié)果數(shù)據(jù)豐富。

電阻R是一種能表現(xiàn)物體導(dǎo)電性能的參數(shù),與物體長度L和橫截面積S有關(guān),可表示為

(1)

其中,ρ為巖溶的電阻率。圖1為電位差觀測圖。圖1中：A和B為電極;M和N為測量電極。當(dāng)線路中存在電流I時(shí),電極中會(huì)產(chǎn)生電位差,可獲得M和N的電位UM,UN,表示為

(2)

(3)

其中：rAM,rBM,rAN,rBN分別為AM,BM,AN,BN之間的長細(xì)比。

圖1 電位差觀測圖

A和B對(duì)M和N中產(chǎn)生的電位差可表示為

(4)

由式(4)可得

(5)

其中,K為裝置系數(shù),表示為

(6)

地表面電位差的測量值可表示為

(7)

收集數(shù)據(jù)之后,得到的電阻率就是視電阻率,但不能直接使用,還須經(jīng)二次處理后,才能將地下土層的組成介質(zhì)顯現(xiàn)出來,然后才能結(jié)束其中的信息。圖2為高密度電阻法數(shù)據(jù)處理流程圖。先將收集的數(shù)據(jù)用相關(guān)軟件導(dǎo)出,轉(zhuǎn)換為研究設(shè)備能識(shí)別的格式;然后引入地形數(shù)據(jù),對(duì)測量線路過長的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合;隨后傳入設(shè)備軟件,對(duì)損壞的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行刪除,使用最小二乘法,反復(fù)運(yùn)算到偏差符合要求;最后得出結(jié)果。

音頻大地法[21]是利用頻率為0.1～10 000 Hz的天然交變電磁場探測的一種物探方法,基于電磁感應(yīng)的原理,測試設(shè)施的磁場的檢測值能把土層介質(zhì)的電阻率吸納為數(shù)據(jù)。由于趨膚效應(yīng),周期不一樣的磁場信號(hào)擁有不同的穿透能力,頻率高的磁場被土層削弱,而低頻率的磁場能穿透更深的土層,將不同深度的巖溶電阻率返回地表監(jiān)測處。

圖3為音頻大地法數(shù)據(jù)收集儀的工作示意圖。數(shù)據(jù)收集儀包括收集主機(jī)、磁場放大器、x和y的電極子及x和y的磁棒放大器。測試的過程中,須將磁棒遠(yuǎn)離放大器設(shè)置,距離一般為5～10 m,這樣能減輕儀器之間磁場的影響。同時(shí),磁棒須在地表掘坑設(shè)置,這是為減輕空氣流動(dòng)等外部因素的干擾。最后,為得到準(zhǔn)確性高的數(shù)據(jù),一般在野外進(jìn)行測試,遠(yuǎn)離城市中的電線等用電設(shè)施。

圖4為音頻大地法的數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)構(gòu)。其中,劃分了預(yù)處理和后處理兩部分,本文介紹預(yù)處理的過程,通過判斷數(shù)據(jù)圖形的方向和平滑程度及位移糾正。根據(jù)相鄰接節(jié)點(diǎn)的變化程度對(duì)圖形平滑處理,得到多個(gè)剖面的結(jié)果,并進(jìn)行比較,反復(fù)進(jìn)行反演,直到偏差符合預(yù)期停止。

圖2 高密度電阻法數(shù)據(jù)處理流程圖

圖3 音頻大地法數(shù)據(jù)收集儀的工作示意圖

圖4 音頻大地法的數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)構(gòu)

探地雷達(dá)法[22]是電磁方法的一種,通過天線將頻率為10～1 000MHz的脈沖波發(fā)射至地表中,根據(jù)地層中不同巖溶結(jié)構(gòu)對(duì)脈沖波的反射和折射來反映地質(zhì)的不同結(jié)構(gòu)。

探地雷達(dá)的脈沖波在地層中傳播時(shí),電場和磁場的關(guān)系可表示為

E(r,t)=E0e-βrcosf(ωt-αr)

(8)

H(r,t)=H0e-βrcosf(ωt-αr)

(9)

其中：E0為初始電場強(qiáng)度;H0為初始磁場強(qiáng)度;α為相位系數(shù);β為吸收系數(shù);ω為脈沖波角頻率;r為傳播深度;t為時(shí)間。

1.3 試驗(yàn)區(qū)域的地質(zhì)文獻(xiàn)記錄

選取的研究區(qū)域位于國道G227公路西側(cè),內(nèi)有鄉(xiāng)村道路,距離G227國道約5 km,距離民樂縣城約40 km,具有便捷的交通物流條件。施工開始前,使用第1.2節(jié)所述方法對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行勘測,由于需將結(jié)果與文獻(xiàn)記載數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,文獻(xiàn)[23]給出了該地區(qū)的一些巖溶組成,地區(qū)地質(zhì)情況如表2所列。

綜合物探法是指多種地球物理勘探方法的共同使用,物探方法眾多,有電法、放射性及磁法等。民樂縣位于民樂盆地中央坳陷和東部斜坡的交界位置,結(jié)合以往實(shí)測物性資料分析認(rèn)為主要存在3個(gè)電性層：第四系與新近系上部疏勒河組為表層次高阻層;新近系白楊河組電阻率最低,構(gòu)成低阻層;震旦系為一套高阻層,震旦系內(nèi)部還有一定的電性變化,底部基巖主要為花崗巖。本文研究區(qū)域地層內(nèi)部電性差異較明顯,構(gòu)成了進(jìn)行電法勘探工作的地球物理前提。結(jié)合前人所做工作,以高密度電阻法和電磁場法探測應(yīng)用于地?zé)峥辈橹行Ч罴?故本文電法勘探中選擇這兩種方法。

表2 地區(qū)地質(zhì)情況[23]

2 綜合物探方法應(yīng)用

2.1 使用高密度電阻法探測的地質(zhì)成分

本文實(shí)驗(yàn)使用高密度電阻法對(duì)該建筑工地的地下地質(zhì)情況進(jìn)行勘探,是一種非破壞性的地下勘探方法。該方法利用電流在地下不同地質(zhì)介質(zhì)中的傳播速度和路徑的不同,檢測出地下不同的物理屬性,如地層厚度和巖性等。通過這種勘探方式,可獲得該建筑工地中幾種具有不同物理屬性的巖溶結(jié)構(gòu)的信息。通過將實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)資料中的巖石成分進(jìn)行對(duì)比,可對(duì)巖溶結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的分析,判斷出地層中的地質(zhì)組成部分。判斷過程中,須考慮多種因素,如地質(zhì)構(gòu)造及地球化學(xué)特征等。在建筑工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中,巖溶結(jié)構(gòu)的信息十分重要,能為工程施工提供科學(xué)依據(jù),以免工程出現(xiàn)安全隱患。因此,地下勘探技術(shù)在工程施工中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。圖5為使用高密度電阻法探測得到的地質(zhì)物理數(shù)據(jù)。

圖5 使用高密度電阻法探測得到的地質(zhì)物理數(shù)據(jù)

通過對(duì)巖溶結(jié)構(gòu)的物理屬性進(jìn)行觀察和分析,可獲得該巖溶結(jié)構(gòu)的一些基本特征,并通過對(duì)比文獻(xiàn)資料,了解該巖溶結(jié)構(gòu)的具體名稱和性質(zhì)。由圖5可見,巖溶結(jié)構(gòu)A的密度為1.98 g·cm-3,內(nèi)摩擦角為12°,承載壓力為160 kPa,這表明該巖溶結(jié)構(gòu)具有較低的密度和承載壓力、較小的內(nèi)摩擦角度,是一種黏土,黏土是一種比較松軟的巖石,地質(zhì)特征較難支撐較大的壓力,因此在工程施工時(shí)需特別注意;巖溶結(jié)構(gòu)B的密度為2.31 g·cm-3,內(nèi)摩擦角為50°,承載壓力為550 kPa,這表明該巖溶結(jié)構(gòu)具有較高的密度和承載壓力,較大的內(nèi)摩擦角度,是一種泥質(zhì)白云巖,泥質(zhì)白云巖是一種含有泥質(zhì)顆粒的白云巖,具有較高的密度和承載能力,在工程施工時(shí)能起到較好的支撐作用;巖溶結(jié)構(gòu)C的密度為2.45 g·cm-3,內(nèi)摩擦角是55°,承載壓力為750 kPa,這表明該巖溶結(jié)構(gòu)具有較高的密度和承載壓力,較大的內(nèi)摩擦角度,是一種白云質(zhì)灰?guī)r,白云質(zhì)灰?guī)r是一種具有光滑質(zhì)地和較大強(qiáng)度的巖石,適合用于建筑工程的建設(shè)和修建,在工程施工中具有廣泛的應(yīng)用前景。因此,通過對(duì)不同巖溶結(jié)構(gòu)的物理屬性進(jìn)行分析和對(duì)比,可了解到具體的地質(zhì)特征和巖性類型,能為工程施工提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 使用電磁場法探測的地質(zhì)成分

為后續(xù)工程施工提供詳細(xì)的地質(zhì)信息,本文采用音頻大地法和探地雷達(dá)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這兩種方法作為電磁場探測法的兩種常用方法,都能對(duì)巖溶結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測。通過對(duì)這兩種方法進(jìn)行探測,可獲得實(shí)驗(yàn)區(qū)域更全面的地質(zhì)信息,以便更準(zhǔn)確地了解該區(qū)域的巖層結(jié)構(gòu)。探測過程中,各種物理數(shù)據(jù)都需被精確測量,并進(jìn)行比對(duì)分析。通過將探測得到的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)記載的物理數(shù)值進(jìn)行比對(duì),可進(jìn)一步驗(yàn)證探測結(jié)果的準(zhǔn)確性,保證后續(xù)工程施工的可靠性。通過綜合分析,可更加全面地了解實(shí)驗(yàn)區(qū)域的巖溶結(jié)構(gòu)特征,為工程施工提供更加詳細(xì)的地質(zhì)信息和可靠的依據(jù),有助于制定與地質(zhì)特征相適應(yīng)的施工方案,規(guī)劃合理的建設(shè)和修建計(jì)劃,減少工程安全風(fēng)險(xiǎn),提高工程施工的成功率和效率。圖6為使用電磁場法探測得到的地質(zhì)物理數(shù)據(jù)。

圖6 使用電磁場法探測得到的地質(zhì)物理數(shù)據(jù)

由圖6可見,巖溶結(jié)構(gòu)A的密度為1.68 g·cm-3,基底摩擦系數(shù)為0.25,橫波在其中的傳播速度為0.14 km·s-1,根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析,結(jié)合已有的研究資料,可初步判斷,巖溶結(jié)構(gòu)A屬于松軟泥土;巖溶結(jié)構(gòu)B的密度為1.91 g·cm-3,基底摩擦系數(shù)為1.25,橫波在其中的傳播速度為0.4 km·s-1,從這些數(shù)據(jù)可初步判斷,巖溶結(jié)構(gòu)B屬于黏土;巖溶結(jié)構(gòu)C的密度為2.49 g·cm-3,基底摩擦系數(shù)為0.65,橫波在其中的傳播速度為3 km·s-1,由此可初步判斷,巖溶結(jié)構(gòu)C屬于白云質(zhì)灰?guī)r。同時(shí),由圖5和圖6比較可見,密度探測法和電磁場法所測得的黏土和白云質(zhì)灰?guī)r的數(shù)值較為相似,這表明這兩種探測方法的數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性,因此這兩種方法是可行的。綜上所述,對(duì)圖6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的巖溶結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行初步判斷和分析,同時(shí),密度探測法和電磁場法都可作為較可靠的探測方法,為后續(xù)工程施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)信息和可靠的依據(jù)。

通過使用電磁場法和高密度電阻法兩種綜合物探方法對(duì)某地施工用地的地質(zhì)組成進(jìn)行了勘測,將勘測得到的數(shù)值與文獻(xiàn)記錄數(shù)值進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)結(jié)果偏差較小,巖溶的物理數(shù)值趨于一致。因此,這兩種方法均能在地質(zhì)的勘測中進(jìn)行應(yīng)用,能較準(zhǔn)確地推斷該地的地質(zhì)組成。

3 結(jié)論

巖溶區(qū)不合理的人類工程活動(dòng)和降雨耦合使巖溶地下水反復(fù)變化,引發(fā)土洞氣爆作用擊穿溶洞較薄頂板,同時(shí)孕育土洞或使土體強(qiáng)度降低,加速與誘發(fā)了巖溶塌陷等自然-人為復(fù)合型次生地質(zhì)災(zāi)害。利用合適的勘探方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、治理,或事發(fā)后調(diào)查、評(píng)價(jià)災(zāi)害發(fā)生原因,在防災(zāi)減災(zāi)方面具有現(xiàn)實(shí)意義。綜合物探方法具有快速、精確、探測范圍廣及成本低的特點(diǎn),在很多救災(zāi)、減災(zāi)、防災(zāi)中得到了廣泛應(yīng)用。正確解釋并利用綜合物探成果顯得非常重要。當(dāng)入射波遇到斷裂破碎帶、溶槽、溶洞、土洞、軟土或塌陷擾動(dòng)土等不同的波阻抗分界面時(shí),地質(zhì)雷達(dá)或淺層地震反射波法出現(xiàn)反射波頻率變低、波形發(fā)胖、波的反射和繞射或多次振蕩拖尾現(xiàn)象。土洞、軟土、巖溶發(fā)育帶、破碎巖及地下暗河等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生高密度電測深法低阻異常。

本文利用高密度電阻法和電磁場法對(duì)某地施工用地的地質(zhì)組成進(jìn)行了勘測,結(jié)果表明,這兩種方法均能在地質(zhì)的勘測中進(jìn)行應(yīng)用,能較準(zhǔn)確地推斷該地的地質(zhì)組成。本文方法為巖溶塌陷的分析、評(píng)價(jià)、治理提供了一定的參考。但這兩種方法存在無法對(duì)地質(zhì)中的雜質(zhì)部分進(jìn)行區(qū)分的不足,若遇到復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境,由于雜質(zhì)的存在,可能會(huì)導(dǎo)致探測結(jié)果與記錄數(shù)值偏差過大的情況。因此,在后續(xù)的研究中,如何分析出雜質(zhì)成分是一項(xiàng)亟待進(jìn)行的重要工作。