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1、电法勘探-地基岩溶的勘察地基岩溶电法探查及效果分析二一五年 十月 十日电法勘探-地基岩溶的勘察1地基岩溶电法探查及效果分析摘要地下水长期作用于灰岩裂隙往往使岩溶或破碎带更加发育，形成地下溶洞，给工程建筑安全带来极大的隐患和危险。本文论述了高密度电法原理、技术方法并通过具体应用实例，论述高密度电法在建筑基槽灰岩地层中圈定溶洞和确认破碎带的应用。实践表明，高密度电法是岩溶勘探中一种行之有效的方法。关键词：岩溶地貌，高密度电法，岩溶探查电法勘探-地基岩溶的勘察20 前沿近几年我国城乡化的快速发展，民生等需要的土地扩张，土地的等资源的利用颇为紧张。如何从充分利用每一块土地，合理利用每一份资源，走可持续
2、发展道路，绿色发展是当今每一个行业的瓶颈。然而近几年，城乡发展所面临的建筑土地扩展，给岩溶地区的开发利用带来各种工程地质问题，岩溶塌陷成为主要环境地质灾害。据不完全统计，现在全球已经有十多个国家存在严重的岩溶塌陷问题。岩溶塌陷一旦产生，一方面会使岩溶地区的工程设施遭到破坏，如工农业建筑、矿山、水利、电设、交通道路等。另一方面造成岩溶地区水土流失环境恶化。岩溶塌陷发育的危害性与普遍性，已经引起社会的关注，从上世纪 70 年代以来，各国的研究者已经开始对这一问题进行商讨交流和解决。0.1 岩溶塌陷概述岩溶地貌是水对可溶性岩石以溶蚀作用为主所塑造的各种地表和地下的面貌。岩溶地貌发生在可溶性岩分布地区
3、，可溶性岩石主要是指碳酸盐类、硫酸盐类及卤盐岩类岩石。我国的岩溶地貌以贵州、广西、云南一带最典型。然而，近几年我国的城市建设速度大大加快，各种民生设施的建设不断的增加，为了保证建筑物的安全，探明地下地质情况是当前所必须的。长期以来，因为岩溶地貌塌陷给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失及其惨重。广州市从 2008 年以来发生过 5 次道路塌陷事故，哈尔滨曾在 8 天内出现 7 次塌陷事故，造成 2 人死亡 2人受伤。根据南宁市城市管理局城市管理指挥中心系统记录统计从2013 年 5 月 1 日至 7 月 31 日，南宁市区共发生 25 起路面塌陷，平均每月超过 7 起。从 2011 年到 201
4、4 年间，3 年的时间内桂林发生岩溶地貌塌陷地质灾害 16 起，每一起地陷都给该市农业生产、城市建设及人民生命财产安全带来较大损失。回顾近几年中国城市地陷可以发现，无论从涉及城市的范围、还是发生的频率，地陷已成为一种常见事故。岩溶地貌是由大自然形成，但是地陷是可以人为避免的。地陷，它将对人类的生活生产带来非常大的影响。城市里的地陷会破坏道路，吞噬往来车辆及行人，从而造成严重的人员伤亡。地陷也会加大周边建筑物的基础不均匀沉降，严重的话，将导致建筑物倒塌。电法勘探-地基岩溶的勘察3施工场地的地陷会威胁到施工人员的生命安全，并延误工期，从而造成巨大的经济损失。农村地区的地陷同样会严重威胁人身安全，造
5、成耕地不平整，雨水成池而不能耕种，房屋倒塌或裂成危险房不能继续居住。更有地陷严重的地区导致整个村庄集体迁移。因此，研究岩溶地貌地陷灾害是十分重要和必要的，勘察手段急需发展。2 高密度电法勘察2.1 高密度电阻率法的观测系统及特点观测系统：高密度电阻率方法在一条观测线上，通常要布上十根乃至数百跟电极，而且多为等间距布设。所谓观测系统：是指在一个排列上进行逐点观测时，供电和测量电极采用何种排列方式。目前常用两种观测系统分别为四电极排列的“三电位系统”和三电极排列的“双边三级系统” ，还有二极采集系统等。 （如图 1）图 1 RESECS高密度电法仪2.1.1 三电位观测系统如图 2 所示，当相隔距
6、离为 a（a=nx，x 为点距，n=1，2，3，4）的四个电极，只需要改变倒显得连接方式，在同一个测点上就可获得装置（、）的视电阻率（ s 、 s 、 s ）值，故称为三电位系统，其中 为温纳装置， 为偶极装置， 则称双二极装置。电法勘探-地基岩溶的勘察4图 2 三电位观测系统示意图（x=1，a=2x）（a）温纳装置；（b）偶极装置；（c）双二极装置2.1.2 双边三级观测系统如图 3 所示，该系统是当供电电极 A 固定在某测点之后，在其两边各测点上沿相反的方向上进行观测。当整条剖面先测定之后，在相同极距 AO（O 为 MN 中点）所对应的测点上均可以获得两个三级装置的视电阻率。根据他们之间的
7、相表达式，便可换算出对称四极、温纳。偶极以及双二极等装置的电阻率，从而可以绘出相应的段面等值曲线。图 3 双边三级观测系统示意图主要特点：1.高效、准确：在 14 分钟内就可以完成一个 542 点的剖面测量工作。2.大量储存：在储存电阻率数据参数的情况下可以储存 43680次的测量值，在储存电流参数和电阻率的情况下，可以储存 21849电法勘探-地基岩溶的勘察5次以上的测量值，在低电量的情况下，这些数据也可以得到有效的保存。3.接地检查：在野外的工作过程中随时快捷、方便的检查每个电极的接地良好性。4.电极排列：装置类型可以灵活多变，即可按变断面连续滚动扫描测量（电极排列有 A-MN、A-M、A
8、B-MN、AB-M、MN-B、A-MN 矩形、A-MN-B、跨孔偶极） ，又可按固定断面（电极排列有ABMN、AMNB、AMN、AMBN、A-MN-B、MNB、自电 MN、自电 M、充电MN、充电 M）扫描测量。2.2 高密度电法的设备组成高密度电法的数据采集系统由 3 部分组成分别为：主机、电极系统、多路电极转换器。主机通过供电电缆和通讯电缆向多路电极转换器发出工作命令，同时向电极系统供电并接受和储存测量的数据。然而多路电极装换器用电缆控制电极系统的每个电极的供电和测量状态。主机会自动储存采集得数据，然后通过相应软件把测量的原始数据传送给相应的计算机。计算机再次将原始数据装换成处理软件所要求
9、的格式，经过相应的模块处理进行地形校正、剔除畸变点后，绘出视电阻率的等值线图。目前，国内外研发的高密度电法观测系统有很多，主要有多路电极装换器、多功能数字激电仪、高级电法处理软件等。工作流程如图 4 所示。图 4 高密度电法工作流程电法勘探-地基岩溶的勘察62.3 高密度电法勘察的适用性高密度电阻率法在勘查覆盖型岩溶发育地区的第四系土洞发育、灰岩岩溶、断裂发育情况以及确定灰岩的分布情况等方面，能取得较好的地质效果。高密度电法是一种快速、高效、经济的浅表岩溶构造勘查手段，这种方法能够有效地发现我们所关注的深度范围内的岩溶构造，较为准确地确定岩溶存在的位置及大小。高密度电阻率法有一个明显的缺点，就
10、是对场地的要求较高，要求工作区地形相对较平坦，所以一般来说高密度电法在平地或地势平缓的地方应用效果会比较好。3 工程实例的分析应用泉州澜山和府住宅小区属山前坡积相地貌单元；该处地基岩土层由两部分构成，上部以第四纪松散堆积层为主，坡（洪）积相成因；下部为刚性的寒武纪石灰岩，属岩溶发育地带，不良地质现象较发育；并且岩溶作用形成的岩溶洞穴对后期地基稳定性会造成较大的不利影响。经前期工程详勘钻探揭露工区内存在多个大小不等溶洞，为进一步查明基槽岩溶发育情况，现对 3#楼基槽进行工程物探勘查工作。3.1 工作方法思路在充分分析本次物探勘查地质任务和工区内地球物理条件基础上，确定采用高密度电阻率法对基槽进行
11、探测分析。本次高密度电法，它通过 A，B 电极向地下供电法 I，然后在M，N 极间测量电位差 ，从而求得该记录点的视电阻率U。根据实测的视电阻率剖面，进行计算，处理，分IUKs析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而可以划分地层，圈闭异常等。从地质条件分析，勘查区下覆灰岩地层，受地表水和地下水溶蚀作用下岩溶较发育。地下溶蚀地质条件的存在使得灰岩地层的电性发生明显变化，电性的变化不仅与溶洞的溶蚀程度及范围有关，同时也受溶洞充填物影响。即灰岩溶洞在充水或充泥条件时阻值较低，而充填物较少或溶洞空腔则为高阻反映，在雨季表现低阻，在枯水期又表现出高阻。电法勘探-地基岩溶的勘察73.2 现场施工高密度电阻
12、率施工测线布置根据现场基槽实际开挖情况及勘察要求，在 3#楼基槽里布置3 条电法测线，测线走向为东西走向，测线间距分别为 4m 和4.5m，3 条测线分别布置 31 个电极，测线长度为 39m，电极间距为 1.3m。现场布置测线时，测量电极应尽量与地面耦合，保证各个测量电极的连通性。仪器设备本次电法勘查数据采集时采用由江苏东华测试技术公司生产的WBD-1 型并行高密度电法仪，选用了分辨力较高的温纳偶极装置。仪器设备清单如下： WBD-1 网络并行电法监测系统采集仪器 1 台，通道数 64 道； 专用电源模块 2 台； 笔记本电脑 1 台 电法专用大线 1 根，线缆总长 80m；3.3 效果分析
13、本次物探勘查工作是以高密度电阻率法为主要方法对基槽下方地质层位划分与岩溶发育程度进行分析评价。3#楼基槽所得物探成果及地质解释剖面图如下。图 5 高密度电法观测系统布置图电法勘探-地基岩溶的勘察8图 6 3#楼高密度电法测线布置图图 7 测线 1 视电阻率图从各条视电阻率剖面可见剖面视电阻率介于 035m。根据视电阻率变化规律来划分层位，将低于 812m 作为浅层粘土层，将大于 20m 作为相对高阻区解释为完整灰岩，将基岩中相对低阻区解释为溶洞发育区。以上述解释原则为基础对 3#楼基槽粘土层厚度和岩溶发育程度展开解释。电法勘探-地基岩溶的勘察9图 8 测线 1 地质解释剖面图图 9 测线 2
14、视电阻率图 图 10 测线 2 地质解释剖面图图 11 测线 3 视电阻率图 图 12 测线 3 地质解释剖面图3#楼基槽 3-1 号、3-2 号和 3-3 号测线自南向北依次排列。各条测线视电阻率剖面规律性明显，浅部为 03m 阻值稍高，中间36m 为低阻夹层，深部为高阻层。结合地质资料解释认为基槽下伏灰岩层界面埋深约 6m，以表面溶蚀作用为主，基岩界面多为溶牙、溶沟或溶槽，基岩面以下未发现较大规模的隐伏溶洞（长轴10m） 。基岩面以上为粘土层，受基岩起伏和岩溶地貌控制，浅部粘土层厚度有一定变化，其中 3-1 号和 3-2 号土层厚度较稳定，均厚约电法勘探-地基岩溶的勘察1056m。3-3
15、号线在测线北部土层厚度变薄，均厚约 3m。根据视电阻率分层性推断浅部粘土层自浅向深土质不均匀，其中在 3m6m 存在残积土或粉（砂）质粘土夹层，土体强度发生变化。3.4 勘察结论分析综合分析各条测线所得的视电阻率结果图及地质解释剖面图，可得以下结果：所探测 3#基槽下伏灰岩层界面埋深约 6m，以表面溶蚀作用为主，基岩界面多为溶牙、溶沟或溶槽基岩深部（20m 以下）未发现较大规模的隐伏溶洞（长轴10m） 。基岩面以上为粘土层，受基岩起伏和岩溶地貌控制，浅部粘土层厚度有一定变化，其中 3-1 号和 3-2 号线土层厚度较稳定，均厚约 56m。3-3 号线在测线西部土层厚为 56m，在东部土层厚度变
16、薄，均厚约 3m。浅部粘土层自浅向深土质不均匀，其中在 3m6m 存在残积土或粉（砂）质粘土夹层，土体强度发生变化。4 结束语本文通过介绍高密度电法在岩溶勘查中的应用，对高密度电法在工程岩溶勘探中的可行性、有效性进行分析。能解决岩溶地区如下问题：岩溶（包括岩溶空洞、溶沟等岩溶形态）的空间分布规模。通过大量的工程实例勘查，可以总结出岩溶发育具有以下特点：岩溶发育受区域地质构造控制，山脉的总体走向与区内的构造线方向基本一致。岩溶的发育主要受地质构造的控制，多分布坡脚的可溶性碳酸盐中。岩溶形态地表以溶沟、溶槽为主，地下岩溶以裂隙岩溶为主，漏斗、落水带等在碳酸盐和其它岩类交界处特别发育。裂隙走向大多与构造线方向一致。随着电子计算机的发展和工程的需求，高密度电法将会在环境领域上得到广泛的应用，可以利用高密度电法反演电阻率来确定垃圾场的填埋范围，同
