高密度电阻率法在推测某场地溶洞发育规模中的应用

姜士磊，左 帅，赵凤岐，靳永超

(中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司，河北省保定市东风中路1285号 071000)

高密度电阻率法是传统直流电法中垂向直流电测深法与电测剖面法的集成，是探查地质特征的一种常用的物探勘探方法[1-9]，也常常用来探查溶洞，但因为可靠性差而广受诟病，究其原因为影响物探图像的因素复杂，对物探成像结果不能很好的解析或解析困难。文中根据高密度电阻率法原理，并结合多项工程经验，总结出一些溶洞位置及规模解析确定方法，把这些方法应用于实践，得到了很好的效果。以某小区住宅楼地下溶洞探查为例，说明此解析方法及应用效果。

1 高密度电阻率法工作原理

高密度电阻率法是普通电阻率法的扩展和改进，它集中了电剖面法和电测深法的特点，可以同时测量地下岩土层横向和垂向电性的变化特征。

高密度电阻率法的测量系统包括电极系、电极转换装置和高密度工程电测仪，如图1所示。

图1 高密度电阻率法测量系统

电极敷设完成后，通过电极转换装置实现电极排列方式、极距和测点的转换。常用的电极装置类型有三极法和四极法。根据场地实际情况选择合适的电极距，然后等距布置电极。

高密度电阻率法可以在一条剖面上采集到不同装置、不同极距下的大量数据，通过对这些数据进行统计、换算以及滤波处理，可得到电法剖面图，从而进行溶洞位置和规模的确定。

2 溶洞位置及规模确定方法

溶洞在进行物探测试时异常情况分为高阻异常和低阻异常。对溶沟、溶槽及洼地等表层发育区，在电法剖面中，一般表现为高阻与低阻呈锯齿状异常。对溶洞在无充填时，理论上为高阻异常，但有时受到各种因素的影响，也常显示为低阻异常。一般情况，大型、特大型未充填溶洞显示为高阻异常，充填有其它物质时，则显示为低阻异常。

2.1 顶板确定

当溶洞在电法剖面上显示为高阻异常时，视电阻率(在地下岩土体电性分布不均匀或地表起伏不平的情况下，仍按测定均匀水平大地电阻率的方法和计算公式求得的电阻率称之为视电阻率)受到溶洞高视电阻率的影响，从低视电阻率向高视电阻率过渡，视电阻率在溶洞顶附近由低至高急剧变化，急剧变化开始位置即为溶洞顶板。当溶洞在电法剖面上显示为低阻异常时，视电阻率受到溶洞低视电阻率的影响，从高视电阻率向低视电阻率过渡，视电阻率在溶洞顶附近由高至低急剧变化，急剧变化开始位置即为溶洞顶板。

2.2 底板确定

当溶洞在电法剖面上显示为高阻异常时，视电阻率在溶洞底受到洞底岩层低视电阻率的影响，视电阻率开始急剧变低的位置即为溶洞底板。当溶洞在电法剖面上显示为低阻异常时，视电阻率在溶洞底受到洞底岩层高视电阻率的影响，视电阻率开始急剧变高的位置即为溶洞底板。

2.3 溶洞侧壁确定

当溶洞在电法剖面上显示为高阻异常时，异常区域中心向两侧视电阻率开始变小的位置即为溶洞侧壁；溶洞上部洞壁视电阻率变化特征介于顶板和溶洞中部侧壁之间，即视电阻率开始变小和急剧变小之间位置为洞壁；溶洞下部洞壁视电阻率变化特征介于底板和溶洞中部侧壁之间，即视电阻率开始变小和急剧变小之间位置为洞壁。

当溶洞在电法剖面上显示为低电阻异常时，异常区域中心向两侧视电阻率开始变大的位置即为溶洞侧壁；溶洞上部洞壁视电阻率变化特征介于顶板和溶洞中部侧壁之间，即视电阻率开始变大和急剧变大之间位置为洞壁；溶洞下部洞壁视电阻率变化特征介于底板和溶洞中部侧壁之间，即视电阻率开始变大和急剧变大之间位置为洞壁。

用高密度电阻率法探查断溶洞位置和规模时，除了分析成像图(不显示数据，仅以不同颜色显示数据区域)，还要分析电阻率测试数据图，重点是判断视电阻率的变化规律和溶洞位置关系，判断对了，判断溶洞位置及规模的准确性自然就高。

3 工程实例

根据拟建建(构)筑物位置图，结合现场实际情况布置物探线，共布置物探线10条。根据物探(高密度电阻率法)测试成果，对推测的溶洞发育区域进行钻探验证，共布置验证孔5个(编号为B1-B5)，引用详细勘察孔6个。钻孔及物探线布置如图2所示。

图2 钻孔及物探线布置图

3.1 场地地层及地下水

第①层杂填土(Qml)：主要由建筑垃圾组成,密实度不均。

第②素填土(Qml)：主要由粉质黏土组成，含少量卵碎石，砂粒，稍湿，稍密。

第⑧-1层全风化石灰岩(∈)：黄褐～灰黄色，已风化成土状，极软岩。

第⑧-2层强风化石灰岩(∈)：黄灰～灰色，岩芯较破碎，成短柱状或碎块状，隐晶质结构，层状构造，主要由碳酸盐矿物组成，局部可见方解石脉，锤击声哑。

第⑧-3层中风化石灰岩(∈)：灰色，岩芯破碎～较完整，呈碎块状～柱状，隐晶质结构，层状构造，主要由碳酸盐矿物组成，局部可见方解石脉，锤击清脆。

第⑧-4层碎石(Qal)：主要由碎石组成，棱角形，一般粒径20mm～50mm，最大粒径110mm，母岩成分为灰岩，空隙充填黏性土，饱和，密实度不均，为溶洞充填物或切割的悬挂岩块。

第⑧-5层溶洞：无充填物，有掉钻、漏水现象。

拟建场地的地下水稳定水位埋深为5.0m～5.5m，赋存于第⑤层卵石及以下岩土层中。

3.2 高密度电阻率法的测试成果与分析

根据详细勘察阶段发现溶洞位置，以溶洞为中心，布置一条物探剖面。通过物探测试，溶洞在电法剖面上显示为低阻异常，如图3所示。根据溶洞在电法剖面上的显现特征，对其物探成果进行分析，如图3至图12所示。物探线方向为：从左至右，从下至上。

图3 高密度电阻率法解析图W1-W1′

W1-W1′物探线50m～95m、140m～160m和170m～192m位置发现有异常低阻体存在，结合该区域地层情况推测为溶洞。其中50m～95m位于场地外。

图4 高密度电阻率法解析图W2-W2′

W2-W2′物探线135m～140m和145m～160m位置发现有异常低阻体存在，结合该区域地层情况推测为溶洞。

W3-W3′物探线50m～95m、120m～155m和165m～180m位置发现有异常低阻体存在，结合该区域地层情况推测为溶洞。其中50m～95m位于场地外，120m～155m部分位于场地外。

图6 高密度电阻率法解析图W4-W4′

W4-W4′物探线75m～95m和165m～195m位置发现有异常低阻体存在，结合该区域地层情况推测为溶洞。其中75m～95m位于场地外。

图7 高密度电阻率法解析图W5-W5′

W5-W5′物探线100m～115m、142m～152m和182m～205m位置发现有异常低阻体存在，结合该区域地层情况推测为溶洞。其中100m～115m位于场地外。

图8 高密度电阻率法解析图W6-W6′

W6-W6′物探线85m～115m和175m～195m位置发现有异常低阻体存在，结合该区域地层情况推测为溶洞，位于场地外。

图9 高密度电阻率法解析图W7-W7′

W7-W7′物探线80m～105m和166m～190m位置发现有异常低阻体存在，结合该区域地层情况推测为溶洞。其中80m～105m位于场地外。

图10 高密度电阻率法解析图W8-W8′

W8-W8′物探线105m～112m和152m～165m位置发现有异常低阻体存在，结合该区域地层情况推测为溶洞，其中105m～112m位于场地外。

图11 高密度电阻率法解析图W9-W9′

W9-W9′物探线152m～168m位置发现有异常低阻体存在，结合该区域地层情况推测为溶洞。

图12 高密度电阻率法解析图W10-W10′

W10-W10′物探线152m～169m位置发现有异常低阻体存在，结合该区域地层情况推测为溶洞。

3.3 用物探成果推测溶洞规模

根据物探测试成果，推测溶洞共计12个，溶洞编号为1#～12#，推测的溶洞平面位置及范围如图13所示。

图13 物探推测溶洞位置及范围图

3.4 钻探验证

根据物探推测的溶洞范围，共布置5个钻孔进行验证。钻孔验证情况如下：

W1-W1′物探线140m～160m位置经67#钻孔验证确有溶洞。

W2-W2′物探线145m～160m位置经B4#钻孔验证确有溶洞。

W4-W4′物探线165m～195m位置经B3#钻孔验证确有溶洞。

W5-W5′物探线142m～152m位置经B2#钻孔验证，为全风化石灰岩，全风化岩厚度约14.3m，未见溶洞；182m～205m位置经B5#钻孔验证确有溶洞。

W7-W7′物探线166m～190m位置经67#和B4#钻孔验证确有溶洞。

W10-W10′物探线152m～169m位置经B1#和B3#钻孔验证确有溶洞。根据详细勘察阶段72#孔钻探揭露情况，该位置未发现溶洞。因此，将物探推测的11#溶洞分为11A#和11B#两个溶洞。

根据详细勘察阶段68#钻孔揭露，该位置有小型串珠状溶洞。

结合物探及钻探验证，确定的溶洞为12个，编号1#～10#、11A#和11B#，钻探验证后溶洞位置及范围如图14所示。

3.5 溶洞发育规模及特征

根据物探测试结果及钻探验证，结合详细勘察阶段报告，洞隙的形态为溶洞、串珠状溶洞等，以垂直溶蚀发育为主。B2钻孔位置物探测试结果显示为异常点，经钻探验证，该位置覆盖层以下全风化岩厚度较大，全风化岩厚度约14.3m，未见溶洞发育。根据钻探验证结果及物探测试结果，勘察区域溶洞有12个，各溶洞特征如表1所示。

图14 钻探验证后溶洞位置及范围图

表1 溶洞基本特征表

Tab.1 The basic characteristics of karst caves

溶洞编号洞顶标高/m洞底标高/m充填情况洞体形态埋藏条件顶板情况备注139.0137.31半充填或水流冲蚀充填物洞体小埋藏浅顶板厚度0.5m,顶板厚度与洞跨比小,有切割的悬挂岩块,未胶结36.3126.81密实沉积物填满洞体大埋藏浅顶板厚度1.0m,顶板厚度与洞跨比小,有切割的悬挂岩块,未胶结236.5024.00—串珠状溶洞埋藏深根据物探测试图,顶板厚度约3.0m,顶板厚度与洞跨比小场地外340.9037.60半充填洞体小埋藏浅顶板厚度1.2m,顶板厚度与洞跨比小,有切割的悬挂岩块,未胶结36.6025.20密实沉积物填满洞体大埋藏浅顶板厚度1.0m,顶板厚度与洞跨比小,有切割的悬挂岩块,未胶结标高37.60m～38.10m为空洞439.5020.00—串珠状溶洞埋藏浅根据物探测试图,顶板厚度约1.0m,顶板厚度与洞跨比小530.5027.50—串珠状溶洞埋藏深根据物探测试图,顶板厚度约10.0m,顶板厚度与洞跨比大628.0024.50—串珠状溶洞埋藏深根据物探测试图,顶板厚度约13.0m,顶板厚度与洞跨比大724.5021.50—串珠状溶洞埋藏深根据物探测试图,顶板厚度约16.0m,顶板厚度与洞跨比大829.1617.36半充填串珠状溶洞埋藏深顶板厚度4.2m,顶板厚度与洞跨比小,有切割的悬挂岩块,未胶结941.0029.50—串珠状溶洞埋藏浅根据物探测试图,顶板厚度约1.0m,顶板厚度与洞跨比小1037.0031.00—串珠状溶洞埋藏深根据物探测试图,顶板厚度约5.0m,顶板厚度与洞跨比小11A37.3633.36密实沉积物填满串珠状溶洞埋藏深顶板厚度6.0m,顶板厚度与洞跨比小,有切割的悬挂岩块,未胶结11B42.1741.67未充填串珠状溶洞埋藏浅,复体相连顶板厚度1.8m,顶板厚度与洞跨比小,有切割的悬挂岩块,未胶结38.9725.67半充填串珠状溶洞埋藏浅,复体相连顶板厚度2.7m,顶板厚度与洞跨比小,有切割的悬挂岩块,未胶结标高41.67m～42.17m为空洞

4 结论

根据溶洞位置及规模的确定方法，结合本次物探成果，推测出溶洞发育位置及规模，溶洞的发育情况经过钻探得以验证，说明了物探测试结果的准确性。同时，也证实文中提出的判断溶洞位置及规模的方法合理可行。

通过物探和钻探验证，确定了拟建建筑物地基溶洞发育位置及规模，查明拟建场地发育溶洞12个，溶洞基本特征如表1所示。B2钻孔位置物探测试结果显示为异常点，经钻探验证，覆盖层以下全风化岩厚度约14.3m，未见溶洞发育。此次高密度电阻率法测试为溶洞治理提供了准确有效的勘察资料，为工程的后期建设提供了技术支撑。