高密度電阻率法在輸水隧洞工程巖溶勘察中的應(yīng)用

馬強(qiáng)

摘要：高密度電阻率法效率高，信息數(shù)據(jù)采集豐富，顯示直觀而被廣泛運(yùn)用于巖溶、采空區(qū)、滲漏檢測(cè)、滑坡勘察等領(lǐng)域。某輸水隧洞在前期施工過(guò)程中，出現(xiàn)巖溶塌陷、突水、突泥等危險(xiǎn)情況，在選擇應(yīng)用了高密度電阻率法實(shí)地勘察后，發(fā)現(xiàn)幾處明顯物探異常，結(jié)合地質(zhì)資料分析后，在后期施工過(guò)程中采取防護(hù)措施，避免的危險(xiǎn)情況的發(fā)生。通過(guò)開(kāi)挖，驗(yàn)證了高密度電阻率法成果與實(shí)際情況一致，證實(shí)了高密度電阻率法在巖溶勘察中的有效性。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法；巖溶；物探異常

1.引言

貴州位于西南卡斯特的斜坡和腹心地帶，巖溶十分發(fā)育，給各類工程建設(shè)活動(dòng)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。近年來(lái)，水利行業(yè)發(fā)展迅猛，各地興修水庫(kù)、大壩、濕地公園等，給當(dāng)?shù)貛?lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。然而，在這些水利工程建設(shè)過(guò)程中，常常會(huì)遇到一些困難。尤其是在輸水隧洞施工階段，遇到巖溶塌陷、突水、突泥等危險(xiǎn)情況，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)了嚴(yán)重影響，甚至威脅到人的生命安全。因此，查明這些巖溶的位置，埋深，分布等特征，對(duì)整個(gè)隧洞施工顯得尤為重要。

測(cè)區(qū)地形陡峭，切割強(qiáng)烈，覆蓋層一般厚度在幾米左右，覆蓋層下面為灰?guī)r，水的長(zhǎng)期溶蝕作用，巖溶十分發(fā)育。巖溶發(fā)育的巖石及溶洞與完整巖石相比，其電阻率存在較大差異，這為高密度電阻率法的應(yīng)用提供了條件。實(shí)踐證明運(yùn)用高密度電阻率法對(duì)貴州某輸水隧洞工程進(jìn)行巖溶勘察取得了良好的效果，查明了隧洞軸線上方巖溶的位置及分布情況，為下一步工作提供了可靠依據(jù)。

2.方法原理

高密度電阻率法實(shí)質(zhì)上是電阻率法，其理論、方法及應(yīng)用與電阻率法是一致的。高密度電阻率法是一種陣列式勘探方法，是電剖面和電測(cè)深的有機(jī)組合。野外測(cè)量時(shí)多根電極（幾十根至百根）一次布設(shè)在測(cè)點(diǎn)上，通過(guò)程控開(kāi)關(guān)按一定的裝置形式逐點(diǎn)測(cè)量。因其效率高，數(shù)據(jù)采集信息豐富，顯示直觀而被廣泛運(yùn)用于巖溶、采空區(qū)、滲漏檢測(cè)、滑坡勘察等領(lǐng)域[2]。

高密度電阻率法有多種裝置，不同裝置形式探測(cè)效果有所區(qū)別。例如：溫納裝置（α）對(duì)于地質(zhì)分層效果好，斯倫貝爾裝置對(duì)于孤立地質(zhì)體識(shí)別效果好。

3.應(yīng)用實(shí)例

3.1地質(zhì)概況

測(cè)區(qū)位于黔北高原北東部，大婁山脈東北分支南側(cè)，地勢(shì)總體南西、西部及北部高、東部及中部低，南西及西北高坡陡，叢山連綿；山頂高程多在1000m左右，山間谷壩高程多在700m～800m左右。測(cè)區(qū)碳酸鹽巖分布面積廣泛，約占85%以上，地貌以巖溶地貌為主，侵蝕地貌次之，碳酸鹽巖分布區(qū)組合形態(tài)有裂隙狀溶洞、落水洞、暗河、天窗、巖溶洼地等。

測(cè)區(qū)出露地層從老到新依次為寒武系中上統(tǒng)（∈2-3 ls）至三疊系中統(tǒng)松子坎組（T2s）及第四系（Q）地層，碳酸鹽巖類與碎屑巖類相間分布，其中碳酸鹽巖類主要由寒武系婁山關(guān)群、奧陶系桐梓紅花園組、志留系石牛欄群、二疊系棲霞茅口組、吳家坪組、長(zhǎng)興組、三疊系茅草鋪組、夜郎組玉龍山段等的灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r組成。碎屑巖類則主要由寒武系金頂山組、明心寺組、奧陶系湄潭組、志留系龍馬溪群、韓家店群、三疊系夜郎組九級(jí)灘段、松子坎組等泥頁(yè)巖、砂巖組成。

3.2地球物理特征

通常情況下，干的溶洞被空氣充滿，而空氣的電阻率無(wú)窮大，因此干洞呈現(xiàn)出高阻特征；當(dāng)溶洞被水或泥質(zhì)充滿時(shí)，水或泥質(zhì)增強(qiáng)了溶洞的導(dǎo)電性，因此充滿水或泥質(zhì)的溶洞呈現(xiàn)出低阻特征；完整灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r的電阻率高，完整性差或節(jié)理裂隙發(fā)育、風(fēng)化破碎的灰?guī)r電阻率較低[3]。測(cè)區(qū)主要巖土介質(zhì)電阻率特征值見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，本次勘探的目標(biāo)體與圍巖存在著明顯的電性差異，完全具備開(kāi)展高密度電阻率法工作的地球物理前提條件。因此，利用高密度電阻率法查明工程區(qū)巖溶及其分布是完全有效和可行的。

3.3野外工作方法

本次工作選用重慶精凡科技有限公司生產(chǎn)的N2高密度電法儀，電極距10m，電極道數(shù)120道，采用斯倫貝爾裝置，滾動(dòng)測(cè)量。測(cè)線沿輸水隧洞中軸線方向布置，測(cè)線長(zhǎng)度1400m。每個(gè)電極采用中海達(dá)RTK儀器實(shí)地定點(diǎn)并做好標(biāo)記。

遇水泥路面、公路或巖石出露時(shí)，用鹽袋代替電極或在電極處加鹽水等措施，以改變接地條件，獲取高質(zhì)量的采集數(shù)據(jù)。

3.4資料處理與解釋

3.4.1數(shù)據(jù)處理

高密度電法的數(shù)據(jù)處理主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)反演兩個(gè)過(guò)程。數(shù)據(jù)預(yù)處理就是將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，然后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯和合成，剔除跳躍點(diǎn)、數(shù)據(jù)圓滑等。

數(shù)據(jù)處理完成后，再將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入RES2DINV進(jìn)行反演，反演采用最小二乘法，迭代次數(shù)5次。第5次均方根誤差等于9.9%。將反演結(jié)果數(shù)據(jù)保存，成圖。

3.4.2資料解釋

根據(jù)圖3所示，整條剖面巖層完整性較差，共存在5處明顯異常，分別編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，各個(gè)異常分別解釋如下：Ⅰ號(hào)異常為一低阻異常，視電阻率值約500Ω·m～1000Ω·m，兩側(cè)巖石視電阻率高，大于3500Ω·m，該異常從地表一直延伸到深部，異常上部窄，下部寬，異常寬度10m～80m，推測(cè)該段為溶蝕破碎帶，并被泥質(zhì)所填充；Ⅱ號(hào)異常為一高阻異常，視電阻率值約大于10000Ω·m，該異常為一圈閉異常，異常深度約36m～90m，異常寬度約58m，推測(cè)該處為干洞或半填充的溶洞；Ⅲ號(hào)異常為一高阻異常，視電阻率值約大于30000Ω·m，該異常從埋深40m一直延伸到深部，異常寬度約36m，推測(cè)該處巖溶發(fā)育；Ⅳ號(hào)異常為一低阻異常，視電阻率值約300Ω·m～500Ω·m，兩側(cè)巖石視電阻率高，大于1000Ω·m，該異常從地表一直延伸到深部，異常寬度約100m，推測(cè)該處為溶蝕破碎帶，含泥質(zhì)或水；Ⅴ號(hào)異常為一較低阻異常，視電阻率值約2000Ω·m，兩側(cè)巖石視電阻率高，大于5000Ω·m，該異常從地表一直延伸到深部約60m處，異常寬度約25m；推測(cè)該處巖溶發(fā)育。結(jié)合地質(zhì)資料以及隧洞開(kāi)挖情況等綜合分析，得到地質(zhì)推斷成果圖，見(jiàn)圖4。

為了保障施工安全，在整個(gè)隧洞施工過(guò)程中，對(duì)各個(gè)物探異常段做了安全防護(hù)。當(dāng)隧洞開(kāi)挖至K1+303（對(duì)應(yīng)物探Ⅰ號(hào)異常）、K1+865（對(duì)應(yīng)物探Ⅲ號(hào)異常）時(shí)，周圍巖石破碎，夾雜黏土，并有少量地下水滲出，與物探低阻異常解釋成果較一致；當(dāng)開(kāi)挖至K1+705時(shí)，隧洞上方出現(xiàn)一溶洞，該溶洞未填充，與物探高阻異常相對(duì)應(yīng)；當(dāng)開(kāi)挖至K2+162（對(duì)應(yīng)物探Ⅴ號(hào)異常）時(shí)，出現(xiàn)巖溶塌陷，地表出現(xiàn)直徑約1.5m的大坑，與物探解釋成果較一致。通過(guò)開(kāi)挖情況，驗(yàn)證了物探方法的有效性，避免了施工過(guò)程中出現(xiàn)安全事故。

4.結(jié)論與建議

通過(guò)上述實(shí)地應(yīng)用及隧洞開(kāi)挖情況，證實(shí)了高密度電阻率法在輸水隧洞巖溶勘察中的有效性，經(jīng)過(guò)研究分析，總結(jié)出幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)與建議。

4.1高密度電阻率法在灰?guī)r地區(qū)查找溶洞、溶蝕破碎帶等效果較好，空洞或半填充的溶洞一般呈現(xiàn)出高視電阻率特征，溶蝕破碎或全填充的溶洞一般呈現(xiàn)出低視電阻率特征。

4.2高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集效率高，信息量豐富，適合淺部巖溶勘察。對(duì)于大深度的勘察，高密度電阻率法效率大大降低，因此大深度的勘察，建議使用電磁法類的方法，例如MT，AMT。

4.3建議在布置物探測(cè)線時(shí)，運(yùn)用RTK實(shí)地定點(diǎn)，以便后期進(jìn)行K值矯正，異常驗(yàn)證等。

4.4對(duì)于推斷的異常應(yīng)加強(qiáng)驗(yàn)證，以便利用驗(yàn)證資料進(jìn)一步指導(dǎo)物探的解釋工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勝業(yè)，潘玉玲，等；應(yīng)用地球物理學(xué)原理[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社. 2004.

[2]楊進(jìn).環(huán)境與工程地球物理[M].北京：地質(zhì)出版社. 2011.

[3]何國(guó)全.高密度電阻率法在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)， 2016， 13（02）：175-178.

[4]蔣富鵬，肖宏躍，劉壘，等；高密度電法在工程巖溶勘探中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)， 2013， 1003：389-393.

[5]李樹(shù)瓊，蔣叢林，馬志斌，等；高密度電法在巖溶地區(qū)勘查中的應(yīng)用[J].礦物學(xué)報(bào)， 2013， 3304：540-544.

[6]董茂干，吳姍姍，李家棒，等；高密度電法在巖溶發(fā)育特征調(diào)查中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)， 2015， 1202： 194-199.

[7]鄭智杰，甘伏平，曾潔，等；不同深度巖溶管道的高密度電阻率法反演特征[J].中國(guó)巖溶， 2015， 3403： 292-297.

[8]韓凱，陳玉玲，陳貽祥，等；巖溶病害水庫(kù)的滲漏通道探測(cè)方法——以廣西全州縣洛潭水庫(kù)為例[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2015， 3411： 116-125.

[9]王喜遷，孫明國(guó)，張皓，等；高密度電法在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探， 2011， 3905： 72-75.

[10]胡樹(shù)林，陳烜，帥恩華，等；超高密度電阻率法在巖溶及破碎帶探測(cè)中的應(yīng)用[J].物探與化探， 2011， 3506： 821-824.

[11]王紅兵.高密度電法在巖溶勘察中的應(yīng)用和研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào)， 2012， 905： 551-554.

[12]朱亞軍，王艷新，等；高密度電法和瞬變電磁法在地下巖溶探測(cè)中的綜合應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)， 2012， 906： 738-742.

[13]劉偉，甘伏平，趙偉，等；高密度電法與微動(dòng)技術(shù)組合在巖溶塌陷分區(qū)中的應(yīng)用分析——以廣西來(lái)賓吉利塌陷為例[J].中國(guó)巖溶， 2014， 3301： 118-122.