综合物探法在岩溶塌陷地质灾害勘查中的研究与应用

邵鹏远，饶振兴，高 轩

（河南省地质矿产勘查开发局 第四地质勘查院，河南 郑州 450001）

当下，我国的地面塌陷事故不时发生，尤其是西南地区，喀斯特地貌发育强烈，地下水作用复杂，岩溶式塌陷较多[1-2]，其危害与成因已逐渐引起社会的广泛关注与讨论。与此同时，如何设法在塌陷事故发生前就对地面下的隐患点进行及时勘查并有效治理[3]，是一个具有重大现实意义的课题。

目前，在早期勘探中应用较多的技术主要为探地雷达法、浅层地震法、高密度电法以及声波电磁波孔间透视等各种地球物理方法[4-7]。其中，物探方法具有勘查效率高、所得图像分辨率高以及对地层零损坏等特点[8]，在岩溶勘测领域得到了较为广泛的应用。张霄等[9]针对地处岩溶发育区的江西南石壁隧道的涌水涌泥现象，对瞬变电磁、高密度电法以及地震映像法进行了综合应用，实现了对水源以及导水通道的准确定位，为隧道病害治理提供了依据；刘现峰等[10]依托黄河下游某堤防工程的隐患探测案例，将地质雷达法、高密度电法和面波法进行了综合运用，从而解决了单一物探方法的局限性问题；王亚辉等[11]针对城市强干扰环境下地下空间的精准探测问题，认为将多参数地球物理测井、微动台阵观测以及高密度电法等方法相结合是最优的途径；冯永来等[12]根据赋矿岩石与围岩之间在磁性和电性方面的差异，将地面高精度磁测、激电等物探方法结合应用，确定了金多金属矿的分布区域与位置；谢兴隆等[13]则将浅层地震反射法、高密度电法、地震折射层析法等综合物探手段应用于甘肃陇南武都杜家沟滑坡的勘查与治理中，对地面调查中的种种疑惑进行科学解答。

综上所述，综合物探方法在隧道病害治理、堤防工程隐患探测、城市地下空间勘查、探矿以及滑坡原因分析等方面均有应用，且大多为3种及以上的综合运用。本文依托某实际地面塌陷事故案例，通过探地雷达和瑞雷波法2种物探方法的综合运用，相互验证，优势互补，从而实现地下岩溶路段的准确探测与推断。

1 工程概况

1.1 工区情况

工区位于河南省郑州市西南地区的岩溶区域。当地地下水开采频繁，地下水位降幅大，于20世纪80年代便时有地面塌陷事故发生，对当地的市政道路、房屋建筑等造成严重损害，利用物探方法开展岩溶地质勘查并进行病害整治很有必要。本文拟以整治工作之一的某填方路堑段与填方路堤段进行说明。该填方路堑段与填方路堤段相距约1 km，沿线岩溶发育密度与强度等不均匀，上覆盖层结构紧密的黏性土填充了约50%的上部岩溶空间，而砂浆与泥土混合物则填充了大部分的下部岩洞空间。下部承压水主要为碳酸盐裂隙水，上部为第四纪覆盖层孔隙潜水。因地下水降幅明显，表现为非承压水的岩溶孔隙水已经形成多处降水漏斗。

1.2 主要治理思路

多道瞬态瑞雷波法在基岩完整性评价、土层分类、道路无损检验等方面物探效果较好，具有衰减小、浅层分辨率高、抗干扰能力强、简单便捷、非侵入性等优势，且其工作时不受各土层的传播速度影响，在近地表地球物理勘探中拥有广泛的应用前景。而探地雷达发射的电磁波为高频波，带宽较窄，分辨率很高，因此具有效率高、无损以及显示直观等特点。

案例路段整治时，在瑞雷波勘探基础上，综合利用瑞雷波法与探地雷达法，即增加探地雷达对浅部覆盖层进行土洞扫描，实现工区岩溶破碎带的全面勘查。结合地质概况，在对测线进行水平剖面测量时考虑不同的雷达中心频率，再对后期数据进行相应处理后，结合GprMax2D软件对地质模型进行雷达正演成像，从而对异常病害进行精确地区分。

2 基于GprMax2D的道路空洞正演模拟

2.1 道路结构模型

根据实际的道路结构建立路基模型及其雷达成像图，如图1所示。模型中，最上层厚20 cm，为人工填土混凝土，相对介电常数取8，电导率为0.005 S/m；开挖扰动带设为第2层，厚60 cm，相对介电常数取12，电导率为0.1 S/m，主要由各种矿砂、泥炭以及沉积土等富集而成，属第四纪覆盖层；第3层为白云岩与灰岩，相对介电常数为7，电导率取0.025 S/m，厚度为70 cm。上述3层的磁导率均为1，介质弛豫时间为0。

在路基模型建立完成后，为分析不同情况下的雷达波正演成像结果，在不同大小、激励源频率以及空洞填充物的条件下，分别对模型进行了正演模拟。

2.2 不同天线中心频率下的正演模拟

将道路和脱空的结构与电磁性质维持一致，通过改变Richer子波的中心频率来研究雷达波成像规律，实现不同天线频率下的正演模拟。道路结构与图1相同，增设长0.4 m、宽0.1 m的矩形脱空区域，模型及相应的雷达成像如图2、图3所示。

由不同中心频率、相同空洞的雷达正演模拟结果可知，异常物附近的成像图均有弧形弯起，原因是电磁波到达端点后又作为新的绕射源向四周绕射。同时，雷达经过异常上部位置时，其所接收的上界面反射波、下界面反射波以及上下界面多次反射波的雷达波能量逐渐递减，700 MHz下各种反射波的能量更易被发现，说明高频率波的分辨率更高。然而对于空洞上下反射面而言，300 MHz和500 MHz的雷达反射波更能清楚地反映，高频率却因过多的杂波而对下反射界面有所掩盖，造成实际探测中异常位置判断的误差。因此，雷达波频率并不是越高越好，应结合实际地况选择适当频率的发射天线。

图1 道路结构模型与500 MHz雷达成像Fig.1 Road structure model and 500 MHz radar imaging diagram

图2 空气洞模型与300 MHz雷达成像Fig.2 Air hole model and 300 MHz radar imaging

图3 500 MHz雷达与700 MHz雷达成像Fig.3 Imaging diagram of 500 MHz radar and 700 MHz radar

2.3 不同空洞填充物下的雷达波正演模拟

保持道路结构、空洞位置与大小不变，取天线中心频率为500 MHz，通过将空洞填充物依次取为水、水与空气、饱和黏土与空气3种工况，分析相应的雷达成像规律，如图4—图6所示。

（1）第四纪覆盖层土洞中充满水时，雷达波经过异常区的走时变慢，能量被水吸收而衰减迅速，横向区无下界面反射波，正演图体现为：异常区域边界有倾斜绕射波，上方反射波走时延长，下方基岩界面无反射波，雷达反射波状呈现为倒三角形。

（2）空洞为半空气半水时，异常区域上下边界区分显著，整体体现为向上弧状，且反射能量强，电磁波走时变短。在波形图中，异常区内部多次反射的电磁波以余波状传递至下方，异常范围的上下界面与异常中的分界面可根据弧状结构进行粗略识别。

图4 空洞充水工况与雷达成像Fig.4 Cavity water filling condition and radar imaging diagram

图5 空洞半充水、半空气工况与雷达成像Fig.5 Working condition of cavity half filled with water and half air and radar imaging diagram

图6 空洞半空气、半黏土工况与雷达成像Fig.6 Working conditions of cavity，half air and half clay and radar imaging diagram

（3）空洞为半空气、半黏土时，由于饱和黏土具有较强的吸收能力，故电磁波反射变少，异常区大小及位置可以根据该模型进行推断。

综上所述，在同一中心频率的发射天线下，3种空洞在不同填充工况下的雷达波形成像图具有不同的特点，可一定程度上指导后期的雷达波数据解释。

2.4 不同异常深度下的雷达波正演模拟

取600 MHz中心频率，维持其他结构参数相同，将第2层中的岩溶空洞移动至第3层，相应的雷达波成像图变化如图7、图8所示。

图7 位于浅部的空洞工况与雷达成像Fig.7 Working condition and radar imaging diagram of shallow cavity

图8 位于深部的空洞工况与雷达成像Fig.8 Working condition and radar imaging diagram of deep cavity

由图7、图8可知，当空洞由第2层介质移动至深处第3层介质时，雷达波能量已经衰减至很少，几乎无法探测到空洞情况。原因是第四纪覆盖层中的黏土含水量较大，导电体富集，吸收了大部分电磁波能量，导致在探测基岩中的岩溶裂隙时，能量不足，效果不明显。这也说明了雷达的探测深度宜处于土层中，过深的探测深度将影响其使用效果。

3 综合物探方法的实施

根据探测原理可知，岩溶空洞以及破碎带等岩溶塌陷异常可由瑞雷波法精确测得，但实践中，上覆盖土层中的某些土洞却无法全部被勘探出来，导致勘探成果不全面。如未被勘探出来的土洞进一步发育扩大，极有可能引发道路塌陷，这就需要借助探地雷达对第四纪覆盖层中的土洞异常进行补测。本文仅以案例中的填方路堑为例进行说明。该填方路堑的里程编号为D2K746+000 m—D2K746+240 m。

先利用瑞雷波法对工区进行勘探，得到瑞雷波成像图，如图9所示。由图9可知，瑞雷波在地下的0～5 m处的速度比较均匀，体现为该区域结构连续密实，无土洞、破碎带等异常低速区；而面波速度在5 m以下变大明显，并逐渐进入碳酸盐岩层。该瑞雷波成像图表明浅部土层中没有勘探到异常。

图9 填方路堑处瑞雷波法勘探成果Fig.9 Rayleigh wave exploration results at filling and cutting

为进一步弥补瑞雷波勘探的不足，避免浅部土层中的某些土洞未被勘查出来而造成潜在隐患，采用SIR-3000型地质雷达仪进行浅层补测。设定仪器水平参数中的扫描频率为50 s一次，天线中心频率为100 MHz，样本扫描比为512，时窗80 ns，介电常数取7。采集数据后，进行偏移矫正、四次指数增益以及滤波等处理，获得该填方路堑部分的探地雷达勘探成果，限于篇幅，选取其中2处路段进行分析，如图10、图11所示。

图10 路堑D2K746+016 m—D2K746+030 m段雷达剖面Fig.10 Radar profile of cutting section D2K746+016 m～D2K746+030 m

图11 路堑D2K746+220 m—D2K746+240 m段雷达剖面Fig.11 Radar profile of cutting section D2K746+220 m～D2K746+240 m

由探地雷达勘探剖面可知，在瑞雷波法勘探时未发现异常的浅部土层0～5 m内，通过雷达补勘，发现了多处杂乱的不规则电磁波反射，且能量强，几乎均呈向下圆弧形，对比上述基于GprMax2D软件的雷达正演结果可作推断，所选取填方路堑的2处路段存在规模较小的结构松散区或土洞，而这些浅层异常是造成岩溶塌陷最直接的因素。通过后期的钻探资料验证，其与此次综合物探分析的成果基本一致，表明综合物探方法的应用效果较好。

4 结语

本文对瑞雷波法和探地雷达法2种物探方法进行了综合应用，通过优势互补，实现了对案例工区填方路堑下岩溶塌陷地质的全面准确勘探，并得到了后期钻探资料的验证，效果较为理想。

（1）隐伏岩溶是造成地面塌陷事故的基本原因所在，综合物探方法具有无损、快速、高效等特点，对岩溶区的隐伏岩溶勘测定位具有天然优势。

（2）探地雷达的电磁波在含水介质中衰减迅速，对基岩以上覆盖层中的土洞探测效果较好，深处效果不明显；瑞雷波法的面波可有效勘探碳酸盐岩层中的洞穴。将2种物探方法结合进行综合物探，可实现精度与深度的互补，达到良好的勘探效果。

（3）针对岩溶塌陷地质灾害，在实践中应采取多种物理量的测量与分析，进行综合物探，从而对工区的地质状况作出多方位的解释，保证勘探成果的全面性、准确性。