高密度电法与地质雷达联作在岩溶及土洞探测中的应用

刘振宇，邹仁辉

(广西壮族自治区地质环境监测总站，广西 南宁 530029)

在工程建设中时常会遇到地下土洞、溶洞、软弱下卧层等不良地质现象，这些不良地质现象会严重地影响到基础工程质量与施工进度。因此，对工程建设区内地下岩溶、土洞等隐伏地质灾害分布范围及空间位置的有效探测，意义十分重大。就岩溶及土洞的勘察工作而言，依靠单一地质钻探方法去解决该类问题只能提供少量信息，且费时、费工，不一定能达到预期的效果。地球物理勘察方法因其强大的优势，在实际工程建设过程中常常被采用，常用方法有高密度电法、地质雷达测量、重力测量、浅层地震反射法和微动测量等[1-9]。而无论哪一种物探方法都具有其条件性、局限性、多解性，仅采用单一方法较难准确地圈定地质灾害的规模特征与其具体位置，如地质雷达检测地下溶洞、土洞的局限性在于探测深度限制，一般探测有效深度在10m以内，且受地层含水量影响，含水量过大效果不明显[10]，而高密度电法可探测深度较大。高密度电法分辨率低，不能反映溶洞内充填物的分层情况和反映小体积溶洞，而地质雷达分辨率高，可反映溶洞内部充填物分层情况和小体积溶洞[11]。本文将高密度电法与地质雷达测量方法有效地结合，充分发挥两者的优点，将两种方法获得的资料成果对比分析，辅以地质钻探工程验证，以达到精确、高效勘探的目的，为工程设计和施工处理提供可靠的依据。

1 工作原理

1.1 高密度电法

高密度电法是对常规电法的一种综合，兼具剖面法与电测深的效果，它是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将电极置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现数据的快速和自动采集。当测量结果送入微机后，还可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种物理解释的结果。其工作原理、测点布置图1所示。

高密度电阻率法同常规电阻率剖面法、测深法相比，既能提供探测地质体在某一深度沿水平方向的电性的变化趋势，也能反映地质体在沿垂直方向不同深度电性的变化情况，该方法能从二维断面上反映出探测地质体的电性畸变特征。图示直观，易于分辨。

1.2 地质雷达

地质雷达(又称探地雷达，Ground Penetrating Radar，简称GPR)方法，是利用高频电磁波(1MHz～1GHz)，以脉冲形式通过发射天线被定向地送入地下。雷达波在地下介质中传播时，当遇到存在电性差异的地下介质或目标体时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线所接收。在对接收天线所接收到的雷达波进行分析和处理的基础上，根据所接收到的雷达波波形、强度、电性及几何形态，从而达到对地下地层目标体的探测。

图1 高密度电法测点示意图

实际测量时，地质雷达发射天线和接收天线紧靠地面，由发射机发射的短脉冲电磁波经发射天线辐射传入大地，当电磁波在地下介质中传播时，主要受介质的相对介电常数和电导率的影响。当在两种介质的交界部位，由于介电常数的变化，电磁波便发生类似光学的反射和折射，反射的强弱与介电常数直接有关。其工作原理图2所示。

地质雷达资料的解释主要依据剖面的反射信号特征，特别是反射信号的同相轴变化以及信号的强弱(幅度)，一般主要表现为层状(线性同相轴)、管线状(双曲线同相轴)、洞穴状(双曲线同相轴)异常特征。

图2 地质雷达观测示意图

2 工程应用

2.1 工程概况

研究区位于某城镇南部山心村一带，处于较开阔山间微型盆地地形，四面环山，汇水面积大，小溪、水塘等分布密集，地表水丰富；山心村大部分民房为简易砖混结构，个别为土坯房，为浅基础或无基础。新建某高速公路段隧道从山心村东部下方穿过，在隧道施工过程中出现多次涌水突泥、冒顶事件，受隧道施工的影响，山心村出现多处地面塌陷、地面沉降、地裂缝(含房屋裂缝)以及地下水位下降等地质环境问题。

2.2 地质概况

根据前人资料和隧道勘探资料，山心村一带处于岩浆岩与变质岩交界地带，地层岩性复杂，出露主要有三叠纪～二叠纪大隆超单元高垠单元(T1G)中细粒(斑状)堇青黑云二长花岗岩，区域变质的钦州～岑溪亚区岭脚组(S1.)变粒岩，隐伏地层有中泥盆统信都组(D2x)，之上为第四系覆盖层。

2.3 地球物理特征

研究区内岩土层自上而下为：粘土、花岗岩或者变质岩(研究区内主要为大理岩)。由现场实测资料可知，粘土的介电常数为5～40(其值随着含水量的增大而增大，测区上覆地层为湿粘土，介电常数大于10)，花岗岩和大理岩的介电常数为6左右，水的介电常数为80；粘土的电阻率小于100Ω·m，基岩的电阻率大于100Ω·m。以上物性参数特征表明，研究区内物性差异较大，具有采用高密度电法勘探和地质雷达测量的地球物理前提条件。

2.4 工作方法

本次高密度测深使用的是重庆奔腾数控技术研究所生产的DUK-2型高密度电阻率仪，数据采集采用了温纳装置进行测量，点距5m，通过测得的视电阻率经过反演得出电阻率断面图；高密度共布设了4条测线，主要布设在山心村村委附近，测线编号为G1～G4，测线总长度为1180m；

地质雷达探测采用的是瑞典MALA地球科学仪器公司制造的MALA ProEx型第三代全新数字式地质雷达，该地质雷达利用脉冲波来探测地下的地质情况，具有高保真，高分辨率，全程数字控制和数字化采集等特色，为了兼顾较深的探测范围和较高的分辨率，本次探测工作采用了100MHz屏蔽天线。地质雷达测线共布设了13条，主要布设在研究区内的道路上，测线编号为L1～L13，测线总长度为3335m。

3 资料解译

3.1 高密度电法资料解译

高密度电法数据处理主要以surfer软件做的视电阻率拟断面图和用瑞典二维反演软件和重庆奔腾数控公司李晓晴编的二维反演软件进行反演成图。在视电阻率反演成果图中，纵向坐标表示岩土层探测深度，横向坐标为测线剖面长度，而色标则代表反演视电阻率。

图3为高密度电法勘探G2测线视电阻率等值线图及地质推断图，其水平范围95-99m、深度5.5m～9.1m地层，水平范围182m～187m、深度8.1m～9.6m地层，水平范围215m～222m、深度6.6m～8.7m地层，水平范围239m～243m、深度5.4m～8.4m地层的视电阻率等值线低阻圈闭，结合地质相关资料推测这些低阻异常区为地下土洞发育区域；水平范围195m～206m、深度20.1m～28.2m地层的视电阻率等值线疏松有圈闭趋势，结合地质等相关资料推测该异常区域为地下溶洞发育区。

图3 G2测线高密度视电阻率等值线图及地质推断图

图4为高密度电法勘探G4测线视电阻率等值线图及地质推断图，其水平范围121m～126m、深度2.6m～6.1m地层，水平范围136m～140m、深度4.6m～6.7m地层，水平范围158m～167m、深度4.8m～7.7m地层的视电阻率等值线低阻圈闭，结合地质等相关资料推测这些低阻异常区为地下土洞发育区域；水平范围96m～104、深度14.7m～19.1m，水平范围159m～164m，深度14.6m～20.5m地层的视电阻率等值线疏松有圈闭趋势，结合地质等相关资料推测这些异常区域为地下溶洞发育区。

3.2地质雷达资料解译

地质雷达数据用Reflexw二维数据处理软件对数据文件进行处理成图，其流程为：数据输入→数据转换→去直流漂移→去除开始时间→能量增益→水平滤波→带通滤波→反褶积→滑动平均→图形编制→注释→输出剖面图→编辑图像，最终绘制出彩色波形影像图。

图5所示的L9测线地质雷达影像图与图3所示的G2测线高密度视电阻率等值线图为同一测量剖面。由图可知：在水平72.0m～76.1m、深度0.7m～2.0m范围处，呈现弧形反射波，推测该区域为土洞发育区；在水平105～110m、深度2.2m～7.8m范围处，界面杂乱且反射波较为明显，推断该异常区为土层松散的反映，异常范围内为土洞发育区；在水平131m～149m、深度3.1m～7.6m范围处，呈现杂乱强反射波，结合地质等相关资料分析，认为该异常区为溶蚀裂隙发育区；在水平169m～185m、深度1.8m～7.0m范围处，在深度0-3m界面反射波较为杂乱且非常明显，3m～8m范围内呈多道水平强反射波形，推断该回波特征异常区为土层松散的反映，范围内为地下土洞、溶洞发育区域。

图6所示的L10测线地质雷达影像图与图4所示的G4测线高密度视电阻率等值线图重叠测量剖面。由图可知：在水平标位置59m～63m、深度2.0m～6.2m范围处，反射波振幅强度大，波形杂乱不均匀，结合地质等相关资料分许，认为该异常区为溶洞发育区域；在水平标位置88m～91m、深度1.5～6.0m范围处，界面杂乱且反射波较为明显，推断该异常为土层松散的反映，异常范围内为土洞发育区域；

通过实际材料图对两种方法测线相互重合地段的高密度电法视电阻率反演成果图与地质雷达成果图进行对比分析，在相同空间位置两者所推断的异常区规模大小是基本一致的，两种方法相互验证和补充。为了验证结果的可靠性，沿G2测线(L9测线)进行地质钻探工程验证，在不同深度范围发现软弱岩层、土层4处，钻进全部漏水3处，大小空洞近8个。

图5 L9测线地质雷达影像图

图6 L10测线地质雷达影像

4 结语

将高密度电法与地质雷达相结合，对地下岩溶及土洞进行勘探，资料解释互相验证与补充，能较好的排除干扰，经过地质钻探工程验证，进一步表明该方法的组合运用是有效且合理的，资料推断结果准确，基本查明了工程建设区下伏岩溶、土洞的规模特征与具体位置，为工程设计与施工处理提供了科学的指导依据。