王永剛　易賢龍

摘 要：高密度電法是探測(cè)巖溶空間分布的方法之一，但是受體積效應(yīng)影響，其異常反應(yīng)與真實(shí)地質(zhì)情況存在偏差。而3D溶洞激光掃描技術(shù)解決了巖溶空間信息獲取的難題，有效提高了巖溶定量化解釋的精度。采用高密度電法與3D溶洞激光掃描技術(shù)對(duì)P18輸電塔位底部巖溶進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)，精確查明了塔位巖溶空間分布信息：其樁孔底部溶洞高約1.2 m，頂部及底部埋深分別為9 m、10.2 m，最小、最大直徑分別為0.57 m、1.04 m，為設(shè)計(jì)人員處理巖溶問(wèn)題提供了更精確的巖溶空間信息。

關(guān)鍵詞：高密度電法；3D溶洞激光掃描；巖溶探測(cè)；巖溶空間信息；巖溶處理

Application of high-density resistivity method and 3D laser scanning in Karst cave investigation of transmission line tower bases

WANG Yonggang， YI Xianlong

（PowerChina Guizhou Electric Power Design & Research Institute Corporation Limited， Guiyang 550081， Guizhou， China）

Abstract： The high-density resistivity method is one of the effective methods to characterize the spatial distribution of Karst caves but there is still a certain deviation between the abnormal response and the real geological situation due to the volume effect of resistivity. However， 3D Karst cave laser scanning technology directly solves the problem of Karst spatial information acquisition and effectively improves the accuracy of Karst quantitative interpretation. In this paper， the high-density resistivity method and 3D Karst cave laser scanning technology were used to jointly detect the Karst cave at the bottom of tower P18 and accurately identify the spatial distribution information of the Karst cave： the Karst cave at the bottom of the pile hole is about 1.2 m in height， its buried depth at the top and bottom is 9 m and 10.2 m respectively， and the minimum and maximum diameters are 0.57 m and 1.04 m respectively. These data provide accurate karst spatial information for designers to deal with Karst problems.

Keywords： high-density resistivity method; 3D karst cave laser scanning; karst investigation; karst spatial information; karst treatment

隨著電力建設(shè)的迅速發(fā)展以及土地資源的制約，輸電線路走廊資源越來(lái)越緊缺，導(dǎo)致許多輸電線路將不可避免地穿越地下水較豐富與巖溶強(qiáng)烈發(fā)育等地質(zhì)條件極為復(fù)雜的區(qū)域，因此，在這些區(qū)域進(jìn)行塔基勘察定位時(shí)，需要提高輸電線路地質(zhì)勘察精度，精確探測(cè)塔基巖溶發(fā)育規(guī)模則是地質(zhì)工作中的重中之重（李偉強(qiáng)等，2009）。

目前，在針對(duì)巖溶探測(cè)的眾多方法中，應(yīng)用較廣泛的有地質(zhì)雷達(dá)（Mellett，1995；劉小東等，2013）、瞬變電磁法（王銀等，2017；王康東，2019；萬(wàn)小樂(lè)，2022）、淺層地震方法（汪興旺等，2008；鄭立寧等，2011）、高密度電法（Amini et al.，2016；周文龍等，2016；吳亞楠，2018；馬吉靜，2019；賀桂有等，2019；呂明等，2020；孫茂銳等，2021）等，但是每種方法均存在一定的局限。地質(zhì)雷達(dá)雖能清晰反映巖溶頂部輪廓特征，分辨率高，但對(duì)于覆蓋層較厚的區(qū)域或填充型巖溶，電磁波衰減嚴(yán)重，未能有效刻畫(huà)巖溶發(fā)育規(guī)模，且其探測(cè)深度較小，受地表地質(zhì)條件影響較大。瞬變電磁法由于淺層存在一定的探測(cè)盲區(qū)，對(duì)于淺層巖溶裂隙，溶蝕溝槽等分辨能力較差。而淺層地震波法由于山區(qū)復(fù)雜地形地質(zhì)條件的限制，其耦合性很差，工作效率相對(duì)較低且費(fèi)用較高，因此對(duì)于塔基巖溶探測(cè)受到一定的限制。高密度電法對(duì)空洞型巖溶及填充型巖溶的勘探效果較好，分辨率及勘探效率相對(duì)較高，且受地形影響相對(duì)較小，是塔基巖溶探測(cè)的有效方法，但是由于電阻率的體積效應(yīng)，其異常反應(yīng)與真實(shí)地質(zhì)情況解釋仍存在一定偏差（雷旭友等，2009）。

針對(duì)工程中復(fù)雜的巖溶難題，即使最為直接的鉆探手段也有“一孔之見(jiàn)”及一定的誤判率等局限（王達(dá)等，2016）。目前采用綜合的物探技術(shù)結(jié)合鉆探手段是巖溶探測(cè)的首選方法（劉偉等，2014；王長(zhǎng)風(fēng)，2019），通過(guò)不同物探方法的相互印證讓巖溶得以更進(jìn)一步的精確刻畫(huà)，但各種物探方法均是間接探測(cè)，對(duì)于精確刻畫(huà)仍存在較大的誤差。因此，如何快速有效使得探測(cè)結(jié)果與真實(shí)巖溶地質(zhì)更接近，一直是工程領(lǐng)域技術(shù)人員追求的目標(biāo)。近年來(lái)隨著三維激光掃描技術(shù)在空間信息獲取方面的飛速發(fā)展，使得其在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、地下空間可視化研究方面得到廣泛應(yīng)用（謝雄耀等，2016；黃啟帆，2019；朱杭琦等，2022），而在巖溶探測(cè)方面的研究相對(duì)較少（王景陽(yáng)等，2011）。因此，本文結(jié)合高密度電法與3D溶洞激光掃描技術(shù)，將其應(yīng)用在輸電線路塔基底部隱伏巖溶探測(cè)，查明塔基底部隱伏巖溶的空間分布，為設(shè)計(jì)人員提供更精確的巖溶空間數(shù)據(jù)，從而給巖溶處理提供更經(jīng)濟(jì)有效的處理方案。

1? 研究區(qū)地質(zhì)特征

受輸電線路通道的限制，某擬建線路部分塔位處于公路綠化帶內(nèi)，該區(qū)域位于構(gòu)造變形區(qū)北東向構(gòu)造帶西南翼，地貌類(lèi)型為巖溶谷地殘丘地貌區(qū)，地勢(shì)低洼平緩，地下水埋藏較淺。根據(jù)鉆孔資料，研究區(qū)出露的地層巖性主要為素填土（Q4ml）、三疊系（T2 g）白云巖，如圖1所示。上覆第四系素填土主要成分為黏土、中風(fēng)化白云巖碎石、塊石，粒徑5.0～200.0 mm，碎石含量占40%～50%，級(jí)配一般，均勻性一般，為公路路堤填修筑時(shí)回填，回填時(shí)間約3 a，厚度4～5 m。下伏基巖為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組白云巖，中厚層狀，細(xì)晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，表層呈強(qiáng)—中風(fēng)化狀。節(jié)理裂隙較發(fā)育，寬0.1～5.0 mm，方解石脈充填，巖體較破碎，巖溶中等發(fā)育，主要發(fā)育溶蝕溝槽、溶蝕裂隙、小型巖溶等，由于受到地下水的影響，各塔基底部巖溶無(wú)法直接查明。

巖溶地區(qū)第四系覆蓋層一般表現(xiàn)為低阻特征，但若充填松散的塊石、碎石時(shí)，覆蓋層會(huì)出現(xiàn)局部電阻率變大的異?，F(xiàn)象。而可溶性巖石（白云巖與灰?guī)r）一般表現(xiàn)為中高阻特征，當(dāng)巖溶存在時(shí)，與圍巖相比，若有水或泥質(zhì)填充，反演剖面上則表現(xiàn)為低阻特征，若無(wú)填充或碎石填充，則表現(xiàn)為高阻特征，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)電阻率測(cè)試，場(chǎng)地巖溶相關(guān)介質(zhì)的電性參數(shù)范圍詳見(jiàn)表1，根據(jù)各介質(zhì)參數(shù)的電阻率差異，為巖溶探測(cè)提供了良好的電性前提。

2? 方法原理

2.1? 高密度電法

高密度電法的技術(shù)原理（圖2）與常規(guī)電阻率法基本一致，仍然是以地下巖土導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，它通過(guò)供電電極A、B向地下供電流I，然后在測(cè)量電極M、N間測(cè)量電位差ΔV，從而可求得該點(diǎn)（MN中點(diǎn)）的視電阻率值。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面進(jìn)行分析與反演，便可獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以用于劃分地層、判定異常等（劉國(guó)興，2005）。

通常情況下，巖溶介質(zhì)與圍巖的電性差異較大，因此在淺層物探方法中，高密度電法是有效提供巖溶空間分布信息的方法之一，其對(duì)于空洞型巖溶及填充型巖溶的勘探效果較好，分辨率及勘探效率較高，且受地形影響相對(duì)較?。ǖ浊嘣频龋?003；Redhaounia et al.，2016），是塔基巖溶探測(cè)的有效方法。

2.2? 3D溶洞激光掃描

3D溶洞激光掃描是一種采用相位激光測(cè)距的原理進(jìn)行空間三維激光掃描，結(jié)合先進(jìn)的軟件圖像處理技術(shù)，能精準(zhǔn)地刻畫(huà)出目標(biāo)體的規(guī)模、大小等詳細(xì)信息的技術(shù)手段（許新國(guó)等，2014）。目前被廣泛應(yīng)用于地下溶洞、各種采空區(qū)、孔徑測(cè)量及地下管道、水流暗道的探測(cè)與查找，尤其在工程地質(zhì)問(wèn)題中的巖溶及采空區(qū)探測(cè)效果非常精確，其能夠準(zhǔn)確定位溶洞及采空區(qū)所在地層的位置、發(fā)育規(guī)模、形狀大小等詳細(xì)數(shù)據(jù)。在不同深度進(jìn)行水平掃描探測(cè)，可采集不同深度巖溶規(guī)模信息，通過(guò)4D成圖軟件將掃描點(diǎn)云準(zhǔn)確還原成真實(shí)地下溶洞及采空區(qū)的模擬圖，并能準(zhǔn)確計(jì)算其體積，定量化解釋精度高，更直觀地解決了地質(zhì)人員在勘探中無(wú)法判斷地下溶洞采空區(qū)的方位與部位的形狀和大小等難題，為處理巖溶及采空區(qū)引起的工程地質(zhì)問(wèn)題提供了可靠的資料。

3? 資料分析解釋

盡管施工圖勘察階段已采取了多種勘探手段探測(cè)塔基底部隱伏巖溶的發(fā)育情況，但由于地下水較豐富且埋藏較淺，致使研究區(qū)隱伏巖溶問(wèn)題極其復(fù)雜，受地形地質(zhì)條件及單一探測(cè)方法缺陷等條件限制仍未能精確查明塔位底部巖溶空間分布信息，從而在樁孔開(kāi)挖時(shí)，底部側(cè)壁發(fā)現(xiàn)大小不等的溶洞。受地下水的影響及溶洞開(kāi)孔較小，無(wú)法直接查明側(cè)壁或底部巖溶空間分布信息。因此本次研究將高密度電法與3D溶洞激光掃描技術(shù)相結(jié)合，利用高密度電法對(duì)巖溶刻畫(huà)的優(yōu)勢(shì)及3D溶洞激光掃描技術(shù)定量化解釋的優(yōu)勢(shì)相互補(bǔ)充印證，為設(shè)計(jì)人員提供更精確的巖溶空間數(shù)據(jù)。

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)地球物理特征，并結(jié)合高密度電阻率反演結(jié)果、3D溶洞激光掃描成果，遵循“由點(diǎn)及線、從已知到未知、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從二維到三維”的原則對(duì)場(chǎng)地視電阻率反演斷面資料進(jìn)行推斷解釋?zhuān)渲懈呙芏入姺ǚ囱莶捎米钚《朔囱莘椒?，其處理解釋流程如圖3所示。

3.1? 視電阻率剖面

為了研究?jī)煞N方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，選取P18號(hào)塔位進(jìn)行研究，其中P18號(hào)塔位L2-L2測(cè)線沿線路前進(jìn)方向橫跨樁孔，從其反演結(jié)果可明顯看出，測(cè)線里程小號(hào)側(cè)即P18號(hào)塔位東側(cè)，從實(shí)測(cè)視電阻率及反演視電阻率剖面上均表現(xiàn)為低阻形態(tài)，由此推斷P18號(hào)塔位東側(cè)水力聯(lián)系更緊密，基巖裂隙貫通程度較好。

另外從塔位附近實(shí)測(cè)視電阻率剖面及二維反演電阻率剖面可看出，塔位樁孔東側(cè)視電阻率呈現(xiàn)低阻圈閉狀態(tài)，推斷為樁底側(cè)壁充水溶洞所致，溶洞頂部埋深約8 m，底部埋深約10.5 m，高約2 m，寬約3.5 m（如圖4紅色虛線所示），而樁孔設(shè)計(jì)深度底部則表現(xiàn)為高阻形態(tài)，由此可推斷P18號(hào)塔位側(cè)壁溶洞未沿樁孔底部發(fā)育，主要發(fā)育方向?yàn)闃犊讉?cè)壁東側(cè)。由于地下水較豐富，受地下水及高密度電法上部低阻產(chǎn)生的體積效應(yīng)影響，其反演推斷結(jié)果可能大于真實(shí)巖溶規(guī)模，下文將借助3D溶洞激光掃描技術(shù)定量化的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步確定該巖溶空間信息。

3.2? 巖溶空間掃描

根據(jù)高密度電法反演結(jié)果，P18塔位樁孔底部溶洞位于樁底側(cè)壁東部。開(kāi)挖及水磨鉆鉆進(jìn)情況揭示，溶洞開(kāi)口直徑約20 cm，樁徑1.6 m，已開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度8.8 m，樁孔內(nèi)水位距離地面孔口深度約2.9 m。由于水質(zhì)渾濁，加上存在5.9 m的靜水位高度，導(dǎo)致技術(shù)人員無(wú)法直接查明底部溶洞規(guī)模大小。借助水磨鉆鉆孔，將3D溶洞激光掃描儀的激光探頭慢慢從樁底洞口方位下放，從9.0 m位置開(kāi)始計(jì)數(shù)掃描，每間隔0.2 m待溶洞掃描圖像穩(wěn)定時(shí)保存一次掃描數(shù)據(jù)，直至10.2 m探頭無(wú)法下放為止，共保存7組溶洞平面掃描數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)4D成圖軟件將掃描水平切片數(shù)據(jù)還原為地下真實(shí)溶洞三維空間（圖5），其中部分水平切片數(shù)據(jù)如圖6所示。根據(jù)3D溶洞激光掃描結(jié)果，在激光探頭有效下放范圍內(nèi)，P18塔位樁孔底部溶洞高約1.2 m，頂部深度約9 m，底部深度約10.2 m，最小直徑寬約0.57 m，最大直徑寬約1.04 m，溶洞空腔體積約0.22 m3，未沿樁孔底部發(fā)育，與高密度電法反演電阻率結(jié)果圈定的異常相吻合，定量化解釋精度更高。但儀器探頭在下放至巖溶底部時(shí)可能會(huì)受局部遮擋物阻礙無(wú)法下放至溶洞底部，無(wú)法查明底部是否存在巖溶。

3.3? 綜合地質(zhì)剖面

根據(jù)高密度電法反演電阻率結(jié)果與3D溶洞激光掃描結(jié)果綜合判定，塔位東側(cè)水力聯(lián)系更緊密，基巖裂隙貫通程度較好；樁孔底部溶洞高約1.2 m，頂部深度約9 m，底部深度約10.2 m，最小直徑寬約0.57 m，最大直徑寬約1.04 m，未沿樁孔底部發(fā)育。樁底不同深度巖溶掃描平面圖及沿其發(fā)育最大方位地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖7，后經(jīng)施工單位施工開(kāi)挖驗(yàn)證，樁底釬探5 m內(nèi)未見(jiàn)巖溶，樁孔側(cè)壁巖溶與物探解釋結(jié)果相吻合。

4? 結(jié)論

1）通過(guò)高密度電法與3D溶洞激光掃描技術(shù)的相互印證，精確查明了塔基底部巖溶空間分布信息：塔位東側(cè)水力聯(lián)系更緊密，基巖裂隙貫通程度較好；樁孔底部溶洞高約1.2 m，頂部深度約9 m，底部深度約10.2 m，最小直徑寬約0.57 m，最大直徑寬約1.04 m。

2）3D溶洞激光掃描技術(shù)解決了特殊巖溶地質(zhì)條件（含水巖溶、危險(xiǎn)性較大的巖溶）下的巖溶空間信息獲取困難的難題，與其他物探方法相結(jié)合更進(jìn)一步提升巖溶定量化解釋的精度。為設(shè)計(jì)人員提供了更精確的巖溶空間信息，從而給經(jīng)濟(jì)有效的巖溶處理方案提供了精確的數(shù)據(jù)支撐。

3）3D溶洞激光掃描儀器探頭在下放至巖溶底部時(shí)可能會(huì)受局部遮擋物阻礙無(wú)法下放至溶洞底部，無(wú)法查明底部是否存在巖溶，但是根據(jù)高密度反演電阻率結(jié)果顯示，塔位10.5 m底部呈現(xiàn)高阻，為相對(duì)完整的基巖，溶洞未沿樁孔底部發(fā)育。

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收稿日期：2023-02-08；修回日期：2023-03-14

基金項(xiàng)目：基于地層特征的電力鐵塔斜坡穩(wěn)定性影響因子分析和三維信息技術(shù)研究項(xiàng)目（GZEDKJ-2020-07）資助

第一作者簡(jiǎn)介：王永剛（1989- ），男，碩士，工程師，主要從事巖土工程勘察及地球物理勘探工作。E-mail：ygwang_paper@163.com

引用格式：王永剛，易賢龍，2023.高密度電法與3D溶洞激光掃描在輸電線路塔基巖溶探測(cè)中的應(yīng)用效果分析［J］.城市地質(zhì)，18（3）：89-95