综合物探方法在评价岩溶区稳定性中的应用★

叶 青 刘秀敏

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

岩溶区地表塌陷作为一种常见的自然灾害，会对人民生命财产安全造成极大危害。由于其在时间上的突发性，空间上的隐蔽性和影响因素的复杂性[1]，使用以高密度电阻率法、地震反射法、地质雷达等技术方法为代表的物探方法，对探测已存在的岩溶塌陷迹象，预防工程灾害有重大意义。董浩斌等[2-4]对高密度电阻率法的发展进程、工作原理及工程实例作了概括。何国全等[5-9]在工程实践中总结出高密度电阻率法有分辨率高、数据采集高效便捷、抗干扰能力强，但探测深度浅，对地形要求高的特点；郭玉华等[6,10-12]认为等地震反射法有较高的精度和较好的探测效果，甚至能对地底层面、岩体起伏、细小断层等精确定位，但抗干扰能力弱，易受外界影响；茹瑞典等[13-16]在工程应用中认为地质雷达作为一种较先进的无损探测方法，具有高精度、高效率、高抗干扰能力，但探测深度有限。

由于各物探方法存在多解性，且自身均具有一定局限性，使用单一方法难以解决实际应用中遇到的综合问题，为了提高探测岩溶塌陷隐患的可靠性，综合运用多种探测技术，多个结果相互印证，是提高探测技术的准确度，得到更为可靠的探测结果的行之有效的方法,黄毓铭等[17-20]通过在工程案例中的应用验证了综合物探方法的可行性。

本文通过将高密度电阻率法、地震反射法和地质雷达相结合，对湖北黄石市铁山乡三岔路村老土桥岩溶塌陷区进行了针对性的探测，圈定该地的岩溶土洞发育区域，并与勘察钻孔资料相互比对综合分析，取得了较好的勘察效果。

1 综合探测方法原理

在岩溶塌陷区域探测工作中，探测方法的选择尤为重要。以高密度电阻率法、地震反射法、地质雷达等为代表的诸多物探方法在理论上均可行。但由于物探方法存在多解性，以及各方法应用到工程实地时所面对的复杂情况下的局限性，某一种探测方法难以取得全面准确的探测结果。故本次综合探测方法采用基于三种不同工作原理的探测方法，将所得结果互相验证，以期达到更精确的探测效果。

1.1 高密度电阻率法

常规电法的基本原理为以岩、土导电性差异为基础，研究供电电场在空间上的分布特点以及变化规律，寻找地下电阻率异常体，从而解决地质问题。高密度电阻率法与常规点法原理相同，不同的是在观测中设置测点密度更高，实际测量时，先将全部电极布置在间距相同的测点上，由主机控制供电电极和接受电极的变化，自动完成测量。由于使用了大量的电极，且电极之间可自由组合，使用此法可获取更多的地电信息。

高密度电阻率法工作原理如图1所示，一次性将全部电极布设在观测剖面各测点上将数十或数百根电极一次性布设完毕，利用由程序控制的电极转换装置选择不同的电极排列组合方式，形成全自动的数据采集系统。对所取得的数据，经过特定程序传输主电测主机进行处理和自动反演成像，得到特定剖面的地电信息图。

测定地下电阻率的公式为:

(1)

(2)

其中，ρs为视电阻率;ΔV为M与N间的电位差;I为供电电流；K为装置系数；AM，AN，BM和BN均为各电极间的距离。

测区采用对称四级装置方式(温纳装置)及A，B，M，N等距排列，其中A和B为供电电极，M和N为测量电极，电极间距为一个电极距，随隔离系数等间隔增加。工作原理如图2所示。

1.2 地震反射法

浅层地震反射法是工程地质勘察工作中的重要方法，其原理利用地震波在岩、土介质中的传播理论，通过人工在地面激发的地震波，传到浅部地层不同构造分布后产生的反射波，通过检波器接收反射波信号，浅层地震仪接收反射地震波，通过反射波在时间剖面上的不同分布形态分析各个地质层的起伏变化情况和地质构造分布。

地震波在介质中的传播遵循惠更斯原理和费马定律，在遇到不同的均质分解面时，波会产生反射和透射。根据斯奈尔定律，地面上某点接收到的反射波信号实际为反射波、折射波和直达波的综合反映，需要对所研究的波组进行分离。

1.3 地质雷达

地质雷达是将高频电磁波以宽频带短脉冲形式，在地面经发射天线(T)将信号传入地下，到达地层界面或地质异常体之后反射回地面的接收天线(R)，通过分析电磁波反射信号的时频与振幅特征，得到目标地层或地质异常体的特征信息。其测试原理示意图如图3所示。

图3中,T为发射天线，R为接收天线，X为两者间距，H为反射点埋深，电磁波从T出发，经层面或目标体后反射回地面接收天线R耗时t，设电磁波在介质中传播速度为V，得到时距公式:

(3)

该式体现层面或目标体位置与时间之间的关系。

2 研究区物探工作布置及结果解释分析

2.1 工区地质概况

岩溶塌陷区位于湖北省黄石市铁山矿区西部。地势东高西低，地面高程大多在51 m～55 m间。

根据本次勘察钻探施工结果，在勘探深度范围内，该区域土层自上而下分为六层。

2.2 物探工作布置

针对研究区域内的地质灾害所进行的物探工作，为查明老土桥区(主要是村民集中居住生活区域)地下50 m内可能存在的溶(土)洞位置和大小，研究其是否与研究区地表塌陷间存在联系，服务于之后的岩溶塌陷预测及防治工作，研究区域开展了以高密度电阻率法、地震反射法和地质雷达探测相组合的综合物探方法。其中探测范围和测线布置如图4所示，物探工作量如表1所示。

表1 实物工作量统计一览表

2.2.1高密度电阻率法

本次物探工作高密度电阻率法部分使用由重庆奔腾数控研究所研发生产的WDJD-2型号高密度电法仪以及和该仪器配套的分析处理软件，采用对称四级装置方式(温纳装置)对各个测线剖面进行测量。

2.2.2浅层地震反射法

本次探测工作采用地震等偏移反射测量法(COD法)，采用由中国科学院武汉岩土力学研究所研发的FDE24一体化地震仪，针对现场实际情况，设置偏移距δx=2 m，点距Δx=2 m，记录时窗400 ms。物探工作严格按DZ/T 0170浅层地震勘探技术规程等国家相关行业标准执行。

2.2.3地质雷达

除沿测线布置的高密度电阻率法和地震反射法测点外，同时还采用地质雷达探测研究区域内民用建筑下的岩溶分布情况。设备选用瑞典ABEM公司设计制造的RAM-AC/GPR地质雷达，天线对50 MHz，天线间距为24 m，自动叠加，点距50 cm自动触发采集。

2.3 物探资料解释

由于物探工作量较多，选取其中C3测线以及8号房屋的探测结果为例进行资料分析解释。

如图5，图6所示，从电阻率反演剖面图分析，C3测线覆盖层电阻率普遍在15 Ω·m～250 Ω·m间，土层电阻率等值线沿水平方向间断不连续，成层性差，分布不均匀，土层厚度沿测线呈波浪形，起伏较大，说明此段土层沿测线方向分布不均匀，基岩电阻率等值线到达完整岩石电阻率的跨度较大，说明该区域基岩面较为起伏，完整基岩埋深约为10 m～20 m，浅部岩溶有一定的发育。在测线18 m～42 m处，有一闭合低电阻率等值线处，顶部埋深3 m；52 m～81 m处，有一条状低阻区域，顶部埋深7 m，推测该区域有岩溶发育现象；测线86 m～96 m处浅部有一凹槽状低阻区，顶部埋深5 m，低电阻率等值线变深，并伴随一定的起伏，在该段测线处，地震反射波剖面图同相轴不连续，并且底部下凹变宽，推断为岩溶裂隙发育带或岩石破碎带，可能伴随溶洞。

由电阻率反演剖面图所获信息与地震反射波剖面图所获信息分析，二者均对该测线区域内可能存在的岩溶土洞发育现象有所显示且具有明显的相关性。将二者信息综合分析反映岩溶发育区、断裂带充填区示意图如图7所示。

8号房屋雷达探测图如图8所示，在测线550道～700道和1050道～1200道，测深2 m～4 m处，雷达探测图同向轴不连续，测线顶部均显示出可追踪的双曲线反射，反射波组局部中断、略微起伏，相对宽缓，显示为长波长、强振幅。反射强度逐渐往深处降低，到中下部出现微弱反射，说明该区浅部可能有埋设体并有可能与浅部岩溶有关联。

位于C3测线与8号房屋汇合处布设有钻孔H7，岩芯取样如图9所示。其中深度0 m～0.7 m为杂填土，主要由粘性土、碎石等组成，其上部0.4 m为耕土；0.7 m～7.4 m为粘土，呈黄褐色，可塑，局部含少量灰白色条纹状粘土及铁锰质结核。7.4 m～11.8 m为浅灰色大理岩，节理裂隙极发育，裂隙面上可见大量的泥钙质附着物。岩芯破碎，呈半柱状，采取率为50%～58%，岩溶极发育，7.7 m～8.4 m发育充填可塑状粉质粘土的溶洞。

由电阻率反演剖面图与地震反射波剖面图所反映信息分析推断C3测线上18 m～42 m区域内地层浅部存在岩石相对破碎或岩溶发育区，而8号房屋与H7钻孔正处于该区域内。地质雷达反映8号房屋地下2 m～4 m存在的异常目标体，可能与该处存在的岩溶发育现象有联系。三种物探方法所得到的分析结果互相吻合。根据H7钻孔岩芯取样的结果分析，验证了综合物探方法下该探测结果的正确性。

3 物探成果总结

通过研究区域以往勘察钻孔的资料及本次物探(高密度电阻率法、地震反射法、地质雷达)资料的综合分析，初步统计认为有19处地段存在溶(土)洞分布，详细情况见表2，通过对物探资料整理总结，绘制研究地区溶(土)洞分布图见图10。

表2 溶洞、土洞分布情况一览表

岩溶塌陷往往需要特定的地质条件如开启的岩溶裂隙、一定厚度的沉积物盖层和水动力活动条件等。综合分析表明，塌陷区中部和西部的下伏岩层为大理岩，而该层大理岩中的浅层溶洞较发育，部分地段的土层中已经存在土洞，本区岩溶水位较深，位于土和岩层交界面下，且有丰富的地表水及雨水补给，故具备发生岩溶塌陷的地质条件，易发生岩溶塌陷。东北角岩层为闪长岩，岩溶难以发育。

由其分布图可以看出塌陷区西部和中部存在多处岩溶发育破碎区和溶沟、溶槽，由于下部大理岩裂隙发育，地下水垂直运动频繁，土层潜蚀形成土洞，土洞也集中分布于塌陷区的中西部。

4 结语

通过高密度电阻率法、地震COD反射法和地质雷达三种探测方法对测区内地质情况综合分析，弥补了单一探测方法在探测范围、效率、准确性方面的局限性，并以钻孔所取得的岩芯信息验证了该方法分析结果的正确性，为相关工程勘察工作提供参考。

根据本次工作的物探结果，结合地质情况和经验分析结果综合分析，将本塌陷区按照岩溶发育强度分成三个区：

1)岩溶不发育区—闪长岩区—稳定区。

该区位于塌陷区的东北角—东部，其基岩为闪长岩，基岩埋深较浅，物探工作和地质工作未在该区发现溶洞，该基岩的特性也决定其岩溶不发育，因此该区稳定性较好，其房屋可能存在的沉降问题与地基土层的不均匀性有关。

2)岩溶发育区—大理岩(Ⅰ)区—不稳定区。

该区位于塌陷区的北部及西北部，为岩溶发育区，其特点是基岩为大理岩，岩溶现象发育，通过本次地质工作，有10处溶洞(土洞)位于该区，本区易发生岩溶塌陷，为不稳定区。

3)岩溶较难发育区—大理岩(Ⅱ)区—较稳定区。

除了上面两个部分外，老土桥村塌陷区的其余部分，其基岩为大理岩，通过地质调查少见溶洞等岩溶现象，但其边缘区域发育有溶洞(土洞)现象，考虑到土体破坏存在一定的塌陷角，本区场地的稳定性可能受溶洞塌陷影响，属于较稳定区。