地质雷达和高密度电法在岩溶厂址的应用

陈鸿亮， 饶传友

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041)

灰岩工区最常见的不良地质现象就是岩溶问题，强烈岩溶发育地区严重影响了工程基础稳定性，是工程质量安全中的一大隐患。岩溶发育存在埋藏情况不明确，发育情况不规则，充填物质复杂等特征，也使得现场勘察工作难度大，加大了勘察工作量。本次电厂工程为查明场内岩溶发育情况，在利用传统钻探工作的基础上，根据岩溶体和围岩体存在的电、磁特性差异[1]，采用了地质雷达和高密度电法两种物探方法，利用各方法对不同类型岩溶探测结果的比较和验证，总结各方法的优缺点，对最终物探结果进行反演解释，有效查明了岩溶发育类型、规模，解决本工程岩溶地质勘察问题。

1 地质与地球物理背景

1.1 区域地质构造

工区位于黔西南州贞丰县，该区域在大地构造单元上属于扬子准台地，基底由前震旦系浅变质岩系组成，地壳表层构造主要变形期为印支-燕山和喜山期。在早印支与燕山运动中，地块受南北向强烈挤压，形成以贞丰背斜为主的褶皱构造，绝大部分褶皱由东向西延伸，由南向北波浪起伏蔓延，同时伴生压性断裂沿褶皱两翼发育。后期燕山运动中，地块进一步活动，以东、西挤压为主，同时受北东、南西向压扭影响，产生大量近似南北和北东、南西向扭性、张性、压扭性断裂构造。第四纪以后地壳明显上升，溶蚀、侵蚀和剥蚀作用加剧，岩溶与非岩溶地貌突出，形成以侵蚀为主的低中山河谷地形。

1.2 地球物理勘探方法的选择

地球物理勘探方法的选择需根据地下介质的物理特性和各目标介质差异性综合考虑。地质雷达方法主要利用电磁波在地下介质传播时，当遇到介电常数差异大的两种介质，电磁波发生反射，反射系数R决定了反射能量大小[2]。根据公式(1)可知，介质反射信号大小取决于介电常数差异，介电常数差异性越大，目标体信号表征越显著。介质反射系数R表达式为：

(1)

式中：ε1、ε2为两种地下介质相对介电常数。

高密度电法主要利用地下目标体与周围介质之间的电阻率差异为基础查明目标体，特别是对地下中-大型的含水溶蚀通道、溶蚀空洞、充填型溶洞等目标体和围岩电阻率差异显著、特征明显的介质，勘探效果较好。

2 地质雷达探测

2.1 典型雷达反演剖面

2.1.1 典型溶洞反演剖面分析

场地灰岩与第四系地层电性差异大，根据溶洞异常雷达剖面(见图1)，在溶洞界面上，反射波表现为强反射，在溶洞位置同相轴呈双曲线形态，反射波振幅变大，同相轴较杂乱，散射现象明显。溶洞内部有第四系堆积体，则反射波能量梯度衰减快，充填物对电磁波信号吸收强，回波多呈低频波[3]。

图1 溶洞异常雷达剖面

2.1.2 典型岩溶裂隙剖面分析

场地内岩溶主要发育通道为灰岩底部与泥灰岩顶部界面，一般发育为连续的水溶裂隙面。根据岩溶裂隙异常图(见图2)在形态上沿岩层产状分布，由于裂隙对雷达子波的吸收造成雷达反射波在局部发生畸变，畸变程度与裂隙规模有关。雷达反射波在裂隙面表现为高频反射，振幅变大，同相轴呈连续的高亮宽幅直线。由于场地内小型褶曲构造较多，为岩溶裂隙提供天然的发育通道，由裂隙雷达图可见构造裂隙切割岩体形成的溶蚀面。

2.2 雷达探测成果总结

根据现场勘察结果，地下介质雷达波规律性明显(见表1)。电磁波在完整基岩内部物理参数变化较小的情况下，能量衰减弱，反射界面不明显，同相轴分布均匀，能量变化小，表现为细密亮条反射波。未充填型溶洞由于洞体内部为空气，介电常数与基岩差异性大，弧形反射界面较明显，洞体顶板位置清晰，尺寸可根据弧形顶面平缓区段的1/2～1/3估算，洞体规模和形态不易推断。充填型溶洞由于充填物含水率及密度不均匀，其反射界面明显，但散射波较多，其洞体形态不易判断，填充物难以准确判断。灰岩与泥灰岩溶蚀裂隙面在雷达图像上呈现明显的连续的亮条强反射，反射界面清晰，产状明确。

图2 岩溶裂隙异常雷达剖面

表1 地下介质雷达波特征表

3 高密度电法探测

3.1 单边三极测试原理

本次场地由于场地地形起伏较小，测线高差最大仅20 m。现场采用了温纳四极测量和单边三极测量方法，但是根据试测效果和数据来看，单边三极测量在测试深度和垂直分辨上较温纳好[4]，地形起伏较小的情况下，本次现场主要采用三极测量法，以提高反演数据的分辨率。

本次高密度电法主要采用单边三极测量法，它是将温纳四极、偶极及微分装置按一定方式组合后构成的一种测量系统[5]，其测量方式为A不动，M、N逐点同时向右移动，得到一条滚动线；接着A、M、N同时向右移动一个电极，A不动，M、N逐点同时向右移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到平行四边形断面。

根据单边三极测试特点，视电阻率参数的计算公式为：

(2)

式中：a为电极距；ΔU为测量电势差；I为测量电流。

3.2 典型高密度电法反演断面分析

3.2.1 典型构造裂隙带反演断面分析

测线L3位于一号主厂房东南侧石灰石库至高压厂用变压器部分，根据高密度电法视电阻率等值线(见图3)，其上覆盖的含碎石黏土电阻率50～150 Ω·m，泥灰岩电阻率在600～1 200 Ω·m，灰岩电阻率在1 500 Ω·m以上。根据反演电阻率等值线图像显示在测线12.5 m方向、深度5 m以内有一闭合低阻线圈，为溶槽区，溶槽内充填黏土。测线方向80 m处、深部25 m存低阻区，电阻率小于200 Ω·m，和周围灰岩形成明显的高低阻分界带，该处为充填型溶洞发育区。测线126 m处、深度10 m以下闭合低阻线圈电阻率100～250 Ω·m，视电阻率与周围基岩差异大，推测为垂直裂隙带，裂隙带内为黏土充填，含水率较高。

图3 构造裂隙高密度电法地电断面图

3.2.2 典型充填型溶洞反演断面分析

测线L13位于一号锅炉范围湿式除尘器至石灰石浆液箱，该断面(见图4)上层视电阻率为200～1 000 Ω·m，主要为回填土及碎石，灰岩电阻率一般为2 000 Ω·m以上。根据反演等值线图可知，在测线36 m左右范围内，Y13-1号异常点，有一较低阻等值线，两侧为闭合高阻等值线圈，视电阻率值为150～250 Ω·m，推断该处为溶蚀槽沟，槽沟内充填为含碎石粉质黏土及部分黏土。测线 85 m处，深度约10 m处，存在一闭合极低阻等高线圈，电阻率一般小于250 Ω·m，该处为异常点Y13-2，推断该异常为一充填型溶洞，溶洞为椭圆状充填型，向下延展性不明显。

图4 充填型溶洞高密度电法地电断面图

3.3 高密度电法成果总结

根据高密度电法测试结果和钻探结果比对(见表2)，该区域一号主厂房东南侧岩溶以充填型溶蚀洞穴、溶蚀裂隙为主。其中溶洞为含碎石粉质黏土半-全充填，洞体规模较大，部分垂向呈串珠状分布，具有连通性，本次单边三极测量探测深度约35 m，对全充填型溶洞探测效果较好，但溶洞厚度和规模最小二乘法反演结果有明显的放大作用，放大规模为实际规模的2～3倍。单边三极测量法对半充填、空洞探测效果较差，判断可能受场地内小型褶皱的影响，地层产状复杂，高阻等值线不均匀，团块分布无规律，反演后圆滑数据不能清晰反映地下洞穴实际电阻率情况。溶蚀裂隙内主要以条带状低阻异常为主，局部有高阻等值线呈团块分布，其三极单边测量分辨率较高。

表2 地下介质电阻率及等值线特征表

4 结语

(1)地质雷达多次覆盖点测法对复杂场地适应性好，可提高分辨率，对复杂场地岩溶探测效果明显好于连续测量法。

(2)地质雷达在裂隙面，特别是含水裂隙面的探测效果明显，对未充填溶洞的顶板及大小有一定分辨率，但充填型溶洞的尺寸、形态判断存在一定误差。

(3)单边三极高密度电法测量断面呈四边形，测量边界范围较温纳法大，分辨率较温纳法高，但是受地形条件及噪声影响大[6]，易受地下不均匀体及地层产状的影响。

(4)单边三极高密度法对基岩界面判断较清晰，对充填型溶洞的位置、形态有较准确判断，但是规模上有放大效应，对裂隙面的判断由于等值线圆滑效果，形态和规模上均有一定误差。

(5)地质雷达和高密度电法探测岩溶效果各有优缺点，通过以上两种物探手段相对比，能互相补充，对岩溶发育勘察的效果明显。在复杂场地内，由于地下介质的多解性，物探法仍可能存在一定程度的判断失误，工程上需结合岩土勘察资料进行综合分析，保证岩溶勘察的准确性。