何燦高 周振廣

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222)

巖溶指可溶性巖石長期被水溶蝕以及由此引起各種地質(zhì)現(xiàn)象和形態(tài)的總稱，在我國西南地區(qū)廣泛發(fā)育。對于水利工程建設(shè)而言，可溶巖一般屬于硬巖或中硬巖，承載力和抗剪強度較高，具有良好的物理力學特征，完全可以滿足工程建設(shè)的需求，其經(jīng)水的侵蝕作用逐漸形成溶蝕裂隙、溶洞、溶蝕深槽等不同形態(tài)的巖溶，工程性能指標相應(yīng)大大降低，對工程建設(shè)非常不利。在巖溶區(qū)，水庫工程中常見巖溶滲漏、巖溶塌陷、巖溶誘發(fā)地震、巖溶浸沒，以及壩基滲漏、壩基失穩(wěn)、邊坡失穩(wěn)等工程地質(zhì)問題；在地下洞室工程中常見圍巖失穩(wěn)、涌水、突泥等工程地質(zhì)問題。

巖溶勘察在水利工程建設(shè)前期階段尤其重要，主要勘察方法包括地質(zhì)調(diào)查、勘探(鉆探、洞探、豎井和坑槽探)、地球物理勘探(物探)等。地質(zhì)調(diào)查通過調(diào)查地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等，依賴人員經(jīng)驗推斷分析，缺乏直接證據(jù)；勘探通過取芯或開挖直接揭露巖溶，難以反映勘探范圍以外的地質(zhì)情況，且成本較高。

物探方法基于探測的目標體與圍巖的電性、彈性等物性參數(shù)差異進行探測，可客觀反映地層的物性參數(shù)分布特征，通過分析物性參數(shù)與地質(zhì)特征的相關(guān)關(guān)系，將物性分布特征轉(zhuǎn)化為地質(zhì)分布特征，進而實現(xiàn)地質(zhì)勘探的目的。溶蝕巖體相對未溶蝕圍巖多具有較低的彈性、電性參數(shù)，且溶蝕發(fā)育程度越高相應(yīng)的參數(shù)越低。如果溶蝕發(fā)育成溶洞，則分為兩種情況，當溶洞充水或填充黏性土、碎石土時，相對圍巖多具有較低的彈性、電性參數(shù)；當溶洞為空氣充填時，相對圍巖多具有較低的彈性參數(shù)和較高的電性參數(shù)。因此，在巖溶探測中具備采用物探方法的前提。物探方法具備快速、高效、成果直觀、探測精度高、成本低等優(yōu)勢，在工程地質(zhì)勘察中發(fā)揮的作用越來越大。然而物探方法種類繁多，探測原理、工作方式、適用條件各不相同，因此總結(jié)分析各種方法的特點，并在工程勘察實踐中結(jié)合現(xiàn)場工作條件選用合適的方法或方法組合進行探測尤為重要。

1 物探概述

物探方法包括地面探測方法和孔內(nèi)測試方法，基于電性參數(shù)的方法包括高密度電法、瞬變電磁法、音頻大地電磁測深法、探地雷達法等地面探測方法及孔間電磁波CT等孔內(nèi)測試方法；基于彈性參數(shù)的方法包括地震折射波法、瞬態(tài)面波法等地面探測方法及單孔聲波測試、孔間聲波CT等孔內(nèi)測試方法?？變?nèi)全景數(shù)字成像則可直觀顯示孔壁巖體裂隙分布、完整性、溶蝕發(fā)育特征等。

1.1 高密度電法

高密度電法是以地層內(nèi)隱伏目標體與周邊介質(zhì)或不同物性層間存在的電阻率差異為前提的一種直流電法，采用密集的陣列式電極排列進行縱橫向連續(xù)數(shù)據(jù)采集，可獲得一個倒梯形的二維電性剖面，既能揭示地下某一深度水平巖性的變化，又能提供巖性沿縱向的變化情況[1-3]。

高密度電法具備測點密度高、信息量大、工效高、資料解釋直觀等優(yōu)勢；但需較好的接地條件，探測深度約為最大供電極距的1/6，受排列長度限制較大，分辨率隨探測深度加大逐漸降低。多在場地較開闊、供電條件較好、探測深度相對較小時使用；在基巖裸露、覆蓋層接地條件較差或探測深度較大時使用受限。

1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法以地下介質(zhì)之間的導電性和導磁性差異為物理基礎(chǔ)，利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，以解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法，可獲得地層二維視電阻率剖面[4]。

現(xiàn)場探測為點測方式，不受場地接地條件、地形等限制，探測深度較大、工效高、資料解釋直觀，相比高密度電法，可用于探測深部較小異常，但淺部數(shù)據(jù)可信度差。常與高密度電法同時使用，淺部探測以高密度電法為準，深部探測則以瞬變電磁法為準。

1.3 音頻大地電磁探測法

音頻大地電磁探測法利用天然源大地電磁波在介質(zhì)中的傳播，記錄電磁波時間域信號，通過傅里葉頻譜分析、反演成像等獲取地下介質(zhì)視電阻率剖面[5]。

音頻大地電磁測深法利用的電磁波頻率豐富，探測深度范圍較大，可從數(shù)十米至數(shù)千米，現(xiàn)場探測與瞬變電磁法類似，采用點測方式，不受地形限制，但存在探測盲區(qū)，通常情況下埋深30m以內(nèi)數(shù)據(jù)可信度差，探測分辨率、精度相對高密度電法而言較低，隨著探測深度加大，分辨率逐漸降低，多用于埋深、規(guī)模較大的異常地質(zhì)體如大構(gòu)造破碎帶、巖性分界面、較大落水洞、地下暗河等探測。

1.4 探地雷達法

探地雷達法是利用高頻電磁波的反射來探測有電性差異的界面或目標體的一種物探方法。主頻為數(shù)十、數(shù)百乃至數(shù)千兆赫的高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，通過發(fā)射天線發(fā)射，當遇到異常地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時發(fā)生反射，被接收天線接收，并由主機記錄下來，形成雷達測試剖面圖。根據(jù)電磁波旅行時間、幅度、頻率和波形等特征，可確定地下界面或目標體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征[6]。

探地雷達法探測分辨率高，對規(guī)模較小的異常體反映較好，但探測深度較小，一般在20m以內(nèi)，在黏性土、水分含量高等電阻率較低的介質(zhì)中信號衰減很快，探測深度受限，主要用于解決地表淺部異常，多用于覆蓋層較薄或基巖裸露且地下水位較深的干燥場地。

1.5 地震折射波法

地震折射波法利用人工激發(fā)的地震波在巖土界面產(chǎn)生折射現(xiàn)象，對具有波速差異的地層或構(gòu)造進行探測，可獲取不同層面的地震波速及層厚。

現(xiàn)場探測需場地較為平整，地形起伏不大，要求下層介質(zhì)波速大于上層介質(zhì)，探測深度受炮檢距限制，隨炮檢距增大，地震波能量衰減，在巖溶探測中多用于對高密度電法、瞬變電磁法等不易劃分層位的測段進行補充探測。

1.6 瞬態(tài)面波法

瞬態(tài)面波法利用人工激發(fā)的面波在介質(zhì)中的傳播特性進行探測，其振幅隨深度衰減，能量基本限制在一個波長范圍內(nèi)，同一波長面波的傳播特性反映介質(zhì)在水平方向的變化情況，不同波長面波的傳播特性反映不同深度的地質(zhì)情況。通過采集接收面波信號，對時域信號進行頻譜分析和處理，分離不同頻率的面波，獲取頻散曲線，進而劃分地層。

現(xiàn)場探測要求地形起伏不宜太大，不受地層波速逆轉(zhuǎn)限制，可探測高波速地層以下地質(zhì)情況，具有較高的分辨率，震源所需能量較少，錘擊震源一般可探至地下50m，資料解釋時需要鉆孔或?qū)σ阎刭|(zhì)資料進行標定才能較準確劃分層位。

1.7 單孔聲波測試

單孔聲波測試通過單發(fā)雙收換能器測定孔內(nèi)巖體聲波縱波速度值、進行波速分層并評價其完整性和強度。現(xiàn)場測試需向孔內(nèi)注水耦合，常結(jié)合鉆孔全景數(shù)字成像進行孔內(nèi)綜合測試。

1.8 孔間層析成像(CT)

孔間層析成像技術(shù)借鑒醫(yī)學CT，在鉆孔中激發(fā)彈性波或電磁波信號，在另一個鉆孔中接收傳播過來的信號，根據(jù)射線掃描，對所得到的信息進行反演計算，重建被測范圍內(nèi)巖體彈性波、電磁波參數(shù)分布規(guī)律的圖像，從而圈定地質(zhì)異常體。它是一種物探反演解釋技術(shù)，包含孔間地震波CT、聲波CT、電磁波CT。

由于彈性波或電磁波能量在傳播中逐漸衰減，因此孔間距離不宜過大，橫向探測范圍受限。

1.9 鉆孔全景數(shù)字成像

鉆孔全景數(shù)字成像可直觀、全面地展示孔壁巖體特征，確定巖溶充填情況、溶蝕裂隙分布特征等。

2 工程概況

廣西桂林市長塘水庫工程，初定裝機容量19.6MW，水庫總庫容4.28億m3，由樞紐工程、輸水工程、灌區(qū)工程組成，樞紐工程主要建筑物有攔河大壩、泄水建筑物、電站等，大壩擬建壩型為混凝土重力壩，最大壩高90m，壩頂長度約321m；輸水工程供水范圍包括臨桂、永福兩部分，臨桂方向輸水線路干線長33.38km，分干線長10.10km，永福方向輸水線路干線長6.67km，分干線長23.82km；灌區(qū)工程由楓木、獨峰、爐村、塘堡、廣洞、拉搞和廣福等7個灌片組成，主要建筑物包括輸配水管道、渠(管)道、水閘、倒虹吸、渡槽、涵洞、泵站、水池等。本工程是一座以供水、防洪、灌溉、景觀及旅游通航為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。

輸水工程線路包含隧洞和埋管兩段，隧洞段有2km洞段穿越巖溶極為發(fā)育的溶蝕洼地(基巖為泥盆系灰?guī)r)，輸水線路工程地質(zhì)勘察的重點是查明該段巖溶分布規(guī)律及發(fā)育特征。

3 工程探測應(yīng)用及成果分析

3.1 探測思路

工區(qū)內(nèi)地形較為平坦，地下水位較淺，覆蓋層以第四系黏性土為主，物性特征為低電阻率、低波速，局部碎石土含量較高的區(qū)域電阻率會相對提高；溶蝕巖體物性特征為低電阻率、相對高波速；非溶蝕圍巖物性特征為高電阻率、高波速。

基于覆蓋層、溶蝕巖體及非溶蝕圍巖的物性差異及現(xiàn)場工作條件，首先采用高密度電法進行地面探測，獲取淺部地層信息并粗略劃分地質(zhì)層位；其次采用瞬變電磁法進行深部探測以獲取深部地層信息。對覆蓋層與下伏基巖的分界面則采用地震折射波法進行探測，進一步精確劃分層位；選取典型異常段進行鉆孔取芯以驗證地面物探成果，并在孔內(nèi)開展單孔聲波測試、鉆孔全景數(shù)字成像，精細查明巖溶特征。

3.2 探測成果分析

隧洞中心線位置視電阻率剖面縱向主要呈現(xiàn)三層(相對低阻—低阻—高阻)地電結(jié)構(gòu)，從上至下分別對應(yīng)覆蓋層、強溶蝕發(fā)育的基巖、溶蝕不發(fā)育的基巖(見圖1)。

圖1 高密度電法電阻率剖面

黏性土視電阻率約100～350Ω·m，碎石土含量較高測段視電阻率約500～2600Ω·m，局部測段覆蓋層與下伏巖溶視電阻率接近較難區(qū)分，覆蓋層厚約5～15m；強溶蝕發(fā)育的基巖，視電阻率約10～500Ω·m，層厚約15～30m，其中視電阻率低于150Ω·m區(qū)域推測發(fā)育黏性土、碎石土或地下水充填的溶洞，其余部分溶蝕裂隙發(fā)育，巖溶基本貫通，近水平展布在高程140～170m間(樁號里程1670～1850m間地勢較高，高程可達190m)；溶蝕不發(fā)育的基巖視電阻率約500～6000Ω·m，受探測深度限制，高密度電法對該層揭露范圍較小。

巖溶總體分布在高程140m以上，除樁號里程1690～1800m外，隧洞(高程155m)基本全線穿越溶蝕發(fā)育巖體。

鉆孔ZK3揭露孔深0～8m為含碎石粉質(zhì)黏土，孔深8～28m為溶蝕基巖與黏性土充填的溶洞交替分布，孔深28m以下為完整基巖，與高密度電法劃分的層位基本一致(見圖2)。除局部為破碎溶蝕巖體外，主要為黏性土充填的溶洞。

圖2 鉆孔ZK3巖芯

部分測段采用地震折射波法進行探測(見圖3)。探測深度范圍內(nèi)地層可分為三層波速結(jié)構(gòu)，第一層地震波速300～380m/s，層底埋深3.8～5.0m，為水位以上覆蓋層；第二層波速1240～1440m/s，層底埋深9.6～14.5m，為水位以下覆蓋層；第三層地震波速約2290m/s，為溶蝕發(fā)育的基巖。在高密度電法探測的基礎(chǔ)上，劃分了地下水位并精細劃分了覆蓋層底界面。

圖3 地震折射波法時距曲線

瞬變電磁法探測，視電阻率剖面同樣呈現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)，第一層視電阻率約250～500Ω·m，層厚約10～18m，為覆蓋層；第二層視電阻率約500～1100Ω·m，層厚約30～60m，為溶蝕巖體；第三層視電阻率約1100～1500Ω·m，為溶蝕不發(fā)育巖體。瞬變電磁法劃分的層位與高密度電法總體趨勢一致，但對覆蓋層、巖溶等淺部信息劃分精度差，補充了深部信息，揭露工區(qū)溶蝕發(fā)育較強且分布在高程130m以上，以下未見明顯的巖溶發(fā)育跡象，巖溶發(fā)育呈貫通狀，無孤立發(fā)育的巖溶(見圖4)。

圖4 瞬變電磁法視電阻率剖面

部分巖溶孔內(nèi)聲波測試結(jié)果，孔深41～47m巖體波速約1800～1980m/s，為完全黏性土充填的溶洞；孔深47～51m巖體波速約2000～3320m/s，為溶蝕發(fā)育且部分黏性土充填。聲波統(tǒng)計表明，溶蝕較為發(fā)育孔段巖體波速范圍值、平均值分別為1520～3320m/s、2280m/s，完整性系數(shù)平均值0.13，為破碎巖體(見圖5)。

圖5 巖溶聲波測試曲線

典型巖溶孔內(nèi)全景數(shù)字成像測試結(jié)果，從左至右分別為地下水充填的溶洞、完全黏性土充填的溶洞、溶蝕發(fā)育且部分黏性土充填(見圖6)。

圖6 巖溶鉆孔全景數(shù)字成像

3.3 探測結(jié)論

本工程輸水隧洞巖溶段地層為三層結(jié)構(gòu)，從上至下依次為覆蓋層、強溶蝕發(fā)育的基巖、溶蝕不發(fā)育的基巖。覆蓋層為含碎石的粉質(zhì)黏土，局部碎石含量較高，層厚約5～15m，地下水位位于覆蓋層內(nèi)，埋深約3.8～5.0m；強溶蝕發(fā)育的基巖，層厚約15～40m，主要分布于高程約130m以上，近水平發(fā)育，呈貫通狀，未見孤立發(fā)育巖溶，多形成黏性土或地下水充填的溶洞。

4 結(jié) 語

本文依據(jù)巖溶與圍巖在電性、彈性參數(shù)方面的差異，提出了采用物探方法進行巖溶探測的思路，介紹了常用的物探方法及其適用條件、優(yōu)劣勢、不同的方法組合，并在巖溶探測實踐中加以應(yīng)用，查明了巖溶分布規(guī)律和特征，取得了較好的效果。

巖溶探測中應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件選擇合適的方法探測或多種方法組合進行綜合探測并相互補充驗證。地面探測方法隨深度增加探測精度會降低，尤其高密度電法、瞬變電磁法、大地電磁法等具有體積效應(yīng)，電阻率剖面是地下一定范圍內(nèi)介質(zhì)的綜合反映，很難對異常區(qū)進行精細劃分，如本工程中視電阻率剖面顯示巖溶發(fā)育層視電阻率極低，推測巖溶多形成黏性土或地下水充填的溶洞，鉆孔實際揭露的多為溶洞與溶蝕巖體交替分布。因此，在地面探測的基礎(chǔ)上，很有必要對異常區(qū)進行鉆孔取芯并進行孔內(nèi)物探測試，進一步提高探測精度。