高密度電法與3D溶洞激光掃描在輸電線路塔基巖溶探測中的應(yīng)用效果分析

王永剛　易賢龍

摘 要：高密度電法是探測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P18輸電塔位底部巖溶進行聯(lián)合探測，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)計人員處理巖溶問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；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)域進行塔基勘察定位時，需要提高輸電線路地質(zhì)勘察精度，精確探測塔基巖溶發(fā)育規(guī)模則是地質(zhì)工作中的重中之重（李偉強等，2009）。

目前，在針對巖溶探測的眾多方法中，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；萬小樂，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，未能有效刻畫巖溶發(fā)育規(guī)模，且其探測深度較小，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盲區(qū)，對于淺層巖溶裂隙，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，工作效率相對較低且費用較高，因此對于塔基巖溶探測受到一定的限制。高密度電法對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較高，且受地形影響相對較小，是塔基巖溶探測的有效方法，但是由于電阻率的體積效應(yīng)，其異常反應(yīng)與真實地質(zhì)情況解釋仍存在一定偏差（雷旭友等，2009）。

針對工程中復(fù)雜的巖溶難題，即使最為直接的鉆探手段也有“一孔之見”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的首選方法（劉偉等，2014；王長風(fēng)，2019），通過不同物探方法的相互印證讓巖溶得以更進一步的精確刻畫，但各種物探方法均是間接探測，對于精確刻畫仍存在較大的誤差。因此，如何快速有效使得探測結(jié)果與真實巖溶地質(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），而在巖溶探測方面的研究相對較少（王景陽等，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，查明塔基底部隱伏巖溶的空間分布，為設(shè)計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，地貌類型為巖溶谷地殘丘地貌區(qū)，地勢低洼平緩，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%，級配一般，均勻性一般，為公路路堤填修筑時回填，回填時間約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—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，覆蓋層會出現(xiàn)局部電阻率變大的異常現(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，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)驗及現(xiàn)場電阻率測試，場地巖溶相關(guān)介質(zhì)的電性參數(shù)范圍詳見表1，根據(jù)各介質(zhì)參數(shù)的電阻率差異，為巖溶探測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)，它通過供電電極A、B向地下供電流I，然后在測量電極M、N間測量電位差ΔV，從而可求得該點（MN中點）的視電阻率值。根據(jù)實測的視電阻率剖面進行分析與反演，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，且受地形影響相對較?。ǖ浊嘣频龋?003；Redhaounia et al.，2016），是塔基巖溶探測的有效方法。

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距的原理進行空間三維激光掃描，結(jié)合先進的軟件圖像處理技術(shù)，能精準(zhǔn)地刻畫出目標(biāo)體的規(guī)模、大小等詳細(xì)信息的技術(shù)手段（許新國等，2014）。目前被廣泛應(yīng)用于地下溶洞、各種采空區(qū)、孔徑測量及地下管道、水流暗道的探測與查找，尤其在工程地質(zhì)問題中的巖溶及采空區(qū)探測效果非常精確，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)。在不同深度進行水平掃描探測，可采集不同深度巖溶規(guī)模信息，通過4D成圖軟件將掃描點云準(zhǔn)確還原成真實地下溶洞及采空區(qū)的模擬圖，并能準(zhǔn)確計算其體積，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)隱伏巖溶問題極其復(fù)雜，受地形地質(zhì)條件及單一探測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，從而在樁孔開挖時，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孔較小，無法直接查明側(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，利用高密度電法對巖溶刻畫的優(yōu)勢及3D溶洞激光掃描技術(shù)定量化解釋的優(yōu)勢相互補充印證，為設(shè)計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“由點及線、從已知到未知、從簡單到復(fù)雜、從二維到三維”的原則對場地視電阻率反演斷面資料進行推斷解釋，其中高密度電法反演采用最小二乘反演方法，其處理解釋流程如圖3所示。

3.1? 視電阻率剖面

為了研究兩種方法的技術(shù)優(yōu)勢，選取P18號塔位進行研究，其中P18號塔位L2-L2測線沿線路前進方向橫跨樁孔，從其反演結(jié)果可明顯看出，測線里程小號側(cè)即P18號塔位東側(cè)，從實測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。

另外從塔位附近實測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)計深度底部則表現(xiàn)為高阻形態(tài)，由此可推斷P18號塔位側(cè)壁溶洞未沿樁孔底部發(fā)育，主要發(fā)育方向為樁孔側(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)勢進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。開挖及水磨鉆鉆進情況揭示，溶洞開口直徑約20 cm，樁徑1.6 m，已開挖至設(shè)計深度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位置開始計數(shù)掃描，每間隔0.2 m待溶洞掃描圖像穩(wěn)定時保存一次掃描數(shù)據(jù)，直至10.2 m探頭無法下放為止，共保存7組溶洞平面掃描數(shù)據(jù)，經(jīng)過4D成圖軟件將掃描水平切片數(shù)據(jù)還原為地下真實溶洞三維空間（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可能會受局部遮擋物阻礙無法下放至溶洞底部，無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)剖面圖見圖7，后經(jīng)施工單位施工開挖驗證，樁底釬探5 m內(nèi)未見巖溶，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)合更進一步提升巖溶定量化解釋的精度。為設(shè)計人員提供了更精確的巖溶空間信息，從而給經(jīng)濟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可能會受局部遮擋物阻礙無法下放至溶洞底部，無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，為相對完整的基巖，溶洞未沿樁孔底部發(fā)育。

參考文獻

底青云，倪大來，王若，王秒月，2003.高密度電阻率成像［J］.地球物理學(xué)進展（2）：323-326.

賀桂有，王永剛，2019.高密度電阻率成像與聯(lián)合剖面法在輸電線路隱伏巖溶探測中的綜合應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報，16（1）：53-60.

黃啟帆，2019.綜合物探與三維激光技術(shù)在鈾尾礦庫可視化的應(yīng)用研究［D］.南昌：東華理工大學(xué).

雷旭友，李正文，折京平，2009.超高密度電阻率法在土洞 、煤窯采空區(qū)和巖溶勘探中應(yīng)用研究［J］.地球物理學(xué)進展，24（1）：340-347.

李偉強，葉靜風(fēng)，陳志杰，別傳炎，2009.可溶巖地區(qū)大型電力工程巖溶問題研究［J］.電力勘測設(shè)計，10（5）：6-14.

劉國興，2005.電法勘探原理與方法［M］.北京：地質(zhì)出版社.

劉偉，甘伏平，趙偉，陳玉玲，2014.高密度電法與微動技術(shù)組合在巖溶塌陷分區(qū)中的應(yīng)用分析：以廣西來賓吉利塌陷為例［J］.中國巖溶，33（1）：118-122.

劉小東，彭斌，黃河，柳建新，2013.地質(zhì)雷達(dá)在溪洛渡—浙西±800 kV 特高壓直流輸電線路工程塔基勘察中的應(yīng)用［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，21（5）：722-729.

呂明，王永剛，楊明瑞，2020.綜合物探方法在輸電線路樁基巖溶探測中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報，17（3）：386-392.

馬吉靜，2019.高密度電阻率法的異常識別和推斷：以溶洞探測和尋找地下水為例［J］.地球物理學(xué)進展，34（4）：1489-1498.

孫茂銳，陳超，劉路，李星，2021.高密度電法與低頻雷達(dá)天線同位置巖溶區(qū)實測分析［J］.工程地球物理學(xué)報，18（4）：519-523.

萬小樂，2022.綜合勘察方法在城市地下車站巖溶勘察中的應(yīng)用［J］.城市地質(zhì)，17（3）：346-354.

汪興旺，楊勤海，孫黨生，薛典軍，2008.巖溶探測中井間地震波層析成像的應(yīng)用［J］.物探與化探（1）：105-108.

王達(dá)，李藝，周紅軍，劉躍進，張林霞，孫建華，2016.我國地質(zhì)鉆探現(xiàn)狀和發(fā)展前景分析［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），43（4）：1-9.

王景陽，魏旭，余洪，林承陽，2011.基于三維激光技術(shù)的溶洞掃描及數(shù)據(jù)后處理方法［J］.實驗室研究與探索，30（7）：219-221.

王康東，2019.綜合電法勘探在巖溶勘查中應(yīng)用研究：以安徽池州市為例［J］.宿州學(xué)院學(xué)報，34（10）：81-84.

王銀，席振銖，蔣歡，候海濤，周勝，范福來，2017.等值反磁通瞬變電磁法在探測巖溶病害中的應(yīng)用［J］.物探與化探，41（2）：360-363.

王長風(fēng)，2019.綜合物探方法技術(shù)在巖溶塌陷防治工程中的應(yīng)用［J］.安徽地質(zhì)，29（4）：286-289.

吳亞楠，2018.高密度電阻率法在萊蕪市泉河地區(qū)巖溶地質(zhì)勘查中的應(yīng)用［J］.中國巖溶，37（4）：617-623.

謝雄耀，盧曉智，田海洋，季倩倩，李攀，2016.基于地面三維激光掃描技術(shù)的隧道全斷面變形測量方法［J］.測繪通報（2）：143-144.

許新國，許喬清，梅林海，許正銀，2014.一種用于勘探溶洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測裝置及其勘探方法［P］.中國，CN104089604A.

鄭立寧，謝強，馮治國，任新紅，趙文，王建珍，2011.瞬態(tài)瑞雷面波法巖溶路基注漿質(zhì)量檢測現(xiàn)場試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，33（12）：1934-1937.

周文龍，吳榮新，肖玉林，2016.充水溶洞特征的高密度電阻率法反演分析研究［J］.中國巖溶，35（6）：699-705.

朱杭琦，徐亮亮，方秀友，趙思仲，2022.基于三維激光掃描技術(shù)的地鐵隧道健康檢測與安全性評估應(yīng)用［J］.城市地質(zhì)，17（4）：493-500.

AMINI A，RAMAZI H，2016.Application of Electrical Resistivity Imaging for Engineering Site Investigation：A Case Study on Prospective Hospital Site，Varamin，Iran［J］.Acta Geophysics，64（4）：2200-2213.

MELLETT J S，1995.Ground penetrating radar applications in engineering，environmental management，and geology［J］.Journal of Applied Geophysics，33（1-3）：157-166.

REDHAOUNIA B，ILONDO B O，GABTNI H，SAMI K，BEDIR M，2016.Electrical Resistivity Tomography （ERT） Applied to Karst Carbonate Aquifers：Case Study from Amdoun，Northwestern Tunisia［J］.Pure and Applied Geophysics，173（4）：1289-1303.

收稿日期：2023-02-08；修回日期：2023-03-14

基金項目：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)研究項目（GZEDKJ-2020-07）資助

第一作者簡介：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中的應(yīng)用效果分析［J］.城市地質(zhì)，18（3）：89-95