阮娟,岑超,2,崔健,2,曹彦荣,2,韩红庆,2
(1.江苏省有色金属华东地质勘查局, 江苏南京 210007; 2.江苏华东八一四地球物理勘查有限公司,江苏南京 210007)
溶洞是岩溶地区工程建设中一种潜在的地质灾害,它们规模不一,形状各异,溶洞易引起地面塌陷,危及建筑物、水库和矿山等的安全[1-4]。建筑施工前,利用地球物理方法探测场地内溶洞分布以采取相应措施,对保证建筑物安全具有重要意义。
探测溶洞的方法包括高密度电法、地质雷达测量、重力测量、浅层地震发射法、微动测量等[4]。已见利用高密度电法和地质雷达探测溶洞相关文献资料,孙茂锐等[2]开展了高密度电法与低频雷达天线同位置岩溶区实测分析。刘振宇等[4]在某城镇山心村地质环境调查评价工作中,应用高密度电法与地质雷达探测岩溶及土洞。阿发友[5]以贵州省关岭县永宁隧道为例,验证了高密度电法在溶洞探测中的应用效果,并利用地质雷达做了探测对比,总结了两种方法的优缺性。于清水等[6]在广西柳州地区使用高密度电法与地质雷达联合探测地下溶洞,说明了区分充气溶洞和石灰岩的方法。姚伟等[7]应用高密度电法和地质雷达在昆明长水国际机场开展岩溶勘查,采用地质雷达对高密度电法异常部位进行验证。此外还有于江龙等[1]、闭遗山[3]报道的案例等。
但上述案例均为自然地貌下的探测实例,仅见一例钻探验证。本文以某施工中的强干扰条件下建筑场地的溶洞探测工作为例,结合钻探验证成果,说明了强干扰条件下高密度电法结合地质雷达能有效探测溶洞分布。
本次工作位于正在实施场地平整的建筑工地上,场地内施工车辆较多且有卡车穿梭;地表碎石、杂土堆积,平整度仍较差,总体施工条件为强干扰、地表情况复杂。另受地形限制,场地及周边可实施物探工作的范围较小。
场地尚未开挖平整前,实施了数个间距较大的勘察钻孔,结果显示场地内岩溶发育。由于地下情况较复杂,钻孔成果无法显示地下溶洞的整体分布及联通情况。因此投入高密度电法、地质雷达物探工作,目的是查明20m以浅的溶洞分布及连通性。物探工作实施时不掌握钻孔资料,物探成果完成后,将物探推测溶洞范围与前期钻探成果进行了对比,两者基本吻合。由于物探工作是在场地平整进行到后期阶段开展的,所以钻探工作与物探工作的地表高程不同。
根据前期勘察钻探揭露,场地内基岩为震旦系上统陡山沱组上段(Z2d2)燧石质-灰岩质角砾岩,上覆人工填土层(Q4ml)、第四系全新统坡残积层(Qdl+el)。各地层岩性特征为:
(1)人工填土(Q4ml):为褐黄、褐灰色素填土,主要为角砾,夹少量黏性土,角砾成分为山体岩石经加工后的碎屑,局部为黏性土夹约20%~40%的岩石风化碎块,呈松散状态,局部稍密状态,堆填年限小于3年,密实度不均匀,稍湿~湿,呈松散~稍密状态,层厚0.2m~12.9m。
(2)第四系坡残积(Qdl+el)黏土:黄褐色、褐灰色,主要由粉黏粒含量约10%~30%的岩石风化碎屑组成,碎屑粒径1cm~2cm,稍湿~湿,呈可塑,局部硬塑状态,层厚0.8m~7.3m。
(3)震旦系下统陡山沱组上段(Z2d2)燧石质-灰岩质角砾岩:褐灰、深灰色,碎裂结构,角砾状构造,岩石中含角砾75%,角砾次圆状,颗粒直径数毫米至数厘米,角砾成分以灰岩为主,含约30%的燧石质角砾。局部可见囊状风化体及溶蚀裂隙、溶蚀孔洞。本次勘察主要揭露为中风化带。
受溶蚀作用影响,燧石质-灰岩质角砾岩风化带中岩溶现象发育,其主要表现形态为溶蚀沟槽、溶蚀裂隙或溶洞,溶蚀沟槽、溶蚀裂隙均被溶蚀充填物全充填。溶蚀充填物呈褐灰、褐黄色,主要为黏土夹约30%的风化岩碎屑组成,呈可塑状态,局部软塑状态。视厚度约1m~20m。
物性测定结果表明,本区黄墟组(Z2h2)燧石质-灰岩质角砾岩电阻率变化范围21744Ω·m至9300Ω·m,平均电阻率15534Ω·m,为高阻地层。Q4ml、Qdl+el的电性特征为中高阻。溶洞则由于含水或可塑、软塑状态的溶蚀充填物,表现为高阻背景下的低阻异常,或高低阻梯度带。
高密度电法是以地下空间内地质体之间的电阻率差异为研究对象,按照协定的观测系统进行供电与测量,把收录到的地电数据体进行去噪、计算、分析以及表达,从而揭示出地下介质的空间分布及变化特征[8]。
高密度电法属于常规直流电法序列,其方法基本原理是利用电源经AB极向地下供一定强度的直流电,同时利用MN极(一般为不极化罐或铜棒)接收地电信息,从而研究地下介质的电阻率变化规律,并结合岩石、土层的物性差异,划分异常,圈定不同类型的地质体。如图1所示,在高密度电法施工时,根据提前设计的观测装置按照间隔一次性布设好全部电极,包括AB、MN,根据探测深度设置好层数、装置类型等关键参数,可以实现野外数据的全自动采集并计算每个记录点的电阻值,室内基于仪器采集存储的电阻率剖面,利用阻尼最小二乘等反演算法完成数据处理、反演工作,获得深度-电阻率剖面,用于地质解释。
地质雷达以快速、无损的探测方式,在工程勘察和地质灾害勘察等领域发挥着重要的作用,其方法原理是根据不同地层或目标体的电性(主要是介电常数)差异,利用发射线圈(T)发送宽频带的高频电磁波,电磁波在传播过程中,遇到电性分界面,经反射或折射后返回地面,被布设的接收天线(R)所接收,传递到雷达系统中显示、存储;利用专业软件分析雷达主机接收的反射波的波形、信号强度、双程旅时的变化,推断出地下目标体的空间特征,如位置、形态和深度等。
如图1所示,T为发射天线,R为接收天线,由天线T发射的高频电磁波在地下介质中传播遇到目标体后发生反射和折射,反射信号返回到地面被天线R记录,通过雷达主机显示得到回波曲线。
图1 高密度电法(上)及地质雷达(下)工作原理图
高密度电法仪选用DUK-2A型多功能数字高密度电法仪。地质雷达采用瑞典进口的MALA型高精度地质雷达,雷达天线中心频率为40MHZ。
野外数据采集共完成高密度电法2条,点距2.5m,其中L1线测线长度115m,电极点47个;L2线测线长度125m,电极点51个。探地雷达采用连续测量的方式共完成测线2条,其中D1线与高密度电法L1线部分重复,线长65m;D2线与高密度电法L2线部分重复,线长40m。
选择典型的高密度电法L1线及地质雷达D1线说明溶洞探测效果。高密度电法L1线电阻率反演剖面图显示,剖面电性结构成似层状,深部电阻率偏高,浅部电阻率偏低。根据电性异常特征,圈定2个溶洞。其中:①号溶洞,位于测线33m~105m处,其规模较大,由东向西逐渐变深,呈条带状,同时,探地雷达D1剖面也显示,该溶洞浅部有一层强反射层,推测其内部含水。②号溶洞位于测线的45m~60m处,表现为高低阻梯度带的异常,推测其内部为溶蚀充填物(图2、图3)。
图2 高密度电法L1线反演剖面及解释成果
图3 探地雷达D1线处理剖面成果
L1沿线共有4个钻孔,自东至西分别为ZK1、ZK2、ZK3、ZK4。四个钻孔均钻遇①号溶洞,洞内含水;ZK2深部钻遇②号溶洞,洞内主要为溶蚀充填物(图2),与物探推测结果基本一致。
(1)强干扰条件下,高密度电法结合地质雷达,互为参考,推测了20m以浅含水溶洞和含溶蚀充填物溶洞的分布范围,与钻探结果基本一致。
(2)高密度电法结合地质雷达可较准确查明溶洞分布范围,指导后期灌浆处理等措施以确保场地安全,是值得推广的探测溶洞的物探方法组合。