基于综合物探方法的岩溶塌陷地质灾害勘查及地质材料属性研究

张赞萍

(河南省地质矿产勘查开发局 第四地质矿产调查院,郑州450000)

作为全球岩溶遍布最丰富的国家之一,我国碳酸性岩溶分布面积约占国土面积的1/3,尤其以滇、黔、桂、川、鄂及湘等区域的岩溶为主[1-3]。当前,随着人类科技的快速发展,各种生产技术的优化迫在眉睫。同时,随着工程勘探和建设工程量的不断扩大,对建设用地空间和矿产资源的需求也越来越大。此外,因深层地表的开发及岩溶层的各种外部因素引发的各类地质灾害也逐渐增多。其中,岩溶对建设领域工作的危害主要包括岩溶液体侵入造成楼体基地不稳定及岩溶空洞造成施工过程中天花板或地板的坍塌等[4-6]。因此,在进行工程建设之前,对区域内的地质勘探进行预测是非常重要的工作之一[7-9]。但当前的实际生产手段已无法合理满足社会对地质勘探技术升级的需求,因此,需通过更先进的科学技术对实际生产手段进行不断优化,寻求更合理的地质勘探方法,提高地质灾害勘查工作的效果。基于此,很多研究者进行了综合研究,并提出了相应的技术优化方法。

在较明显的岩溶预测中,工作难度较低,能明显区分地质类型。但实际施工过程中,经常会遇到一些拥有多种地质类型和土质的隐性岩溶地质,对其具体成分的探测仍是一个难以解决的问题。常少英等[10]用岩溶洞穴储层分层解释方法,预测不同时期岩溶洞穴储层的分布,并根据单层溶洞分布规律,分析了岩溶溶洞储集层的连通性。李光勤[11]使用一种高密度电法勘探技术对城市内施工中的地质情况进行了探测,能有效检测出空洞的准确位置。邵鹏远等[12]为高效、准确地对岩溶区地质情况进行勘探,以便有针对性地采取预防措施,避免造成进一步的损失,结合某岩溶区的地面塌陷案例,基于GprMax2D软件进行第四纪覆盖层中土洞的雷达波数值模拟,通过单一变量的成像图,对不同地质情况下的土洞进行分析,并总结出了规律。韩庆定等[13]采用高密度电法、地质雷达和CT孔对透视3种工程物探方法,结合地质钻探等方法对灾害区进行地质环境勘测与应急处治方式设计实施研究,研究表明：塌陷群采取临时应急回填措施,勘查、设计和治理施工同时进行的灾害应急处理方式正确可靠。李海良等[14]采用工程物探先行,结合钻探的应急勘查方法效果良好,采取对地陷区进行片石回填并进行注浆加固地基处治措施,经检测表明处置技术可行,可为大规模岩溶地陷区的灾害应急治理提供借鉴。综上所述,当前的研究对地质勘查的技术发展方向提供了重要参考,但对该技术方法在实际工作中的应用研究还不够成熟,因此,为有效优化当前地质勘查工作方法,本文将采用物探方法对某地岩溶地质进行探测。

本文首先介绍岩溶地质灾害的种类和发生原因;随后对物探方法的种类进行简要介绍,提出本文采用的技术类别;最后,用综合物探方法对某地地质类型进行勘探,并根据得到的结果数据判断其土质类别,以此来判断综合物探方法在地质勘探的可行性。本文将几种物探方法综合运用,依据勘探得到的土质数据对岩层类别进行判断,具有较高的准确度。

1 综合物探方法

1.1 岩溶塌陷的形成原因

造成岩溶下陷的主要原因有潜蚀、真空吸蚀、振动、液化和气爆等,通常情况下,地下水的流动是造成地面下陷的主要因素。地下水位的涨落是岩溶下陷的诱发原因,土质本身物理性质的内部因素和上层覆盖下层的土层是必要条件。岩溶塌陷的诱因[15-17]如表1所列。

表1 岩溶塌陷的诱因[15-17]

因遮盖层中的空洞是造成岩溶塌陷的主要原因,因此,许多研究专家主要针对空洞对土层的影响,而忽视了空洞的形成原因和条件,这导致只考虑灾后补救而不重视灾前预防的现象。在人类未干预的情况下,土层中空洞的形成需经历很长的时间,由于人类的活动,形成时间将大大缩短,这是施工地质灾害频发的主要原因之一。空洞的形成条件为[18]：

(1)在第四纪土层中存在岩溶的空洞、缝隙或断裂层,且存在流动的地下水。

(2)存在灰岩、白云岩等抗压度低的岩溶,在地下水长时间的冲刷和浸没下,整个岩溶被地下水腐蚀,强度下降。施工过程中增高了地下水的流动强度,使不稳固的岩溶结构在流动过程中脱离原有的整体结构。

(3)随着地下水位的下落,土层中的空洞增大,使其中的压强低于大气压,最后在外力的作用下塌落。

1.2 物探方法的选择

物探方法[19]是一种间接勘探的方法,通常是指运用各种以物理学概念为基础设计的仪器以获得岩溶和矿物等标本模型的各个参数及分布规律,随后根据现有的物理定义和概念来定位数据,并解释为地质成果。本文采用的物探方法主要有高密度电阻法、音频大地法和探地雷达法3种,其中,探地雷达法和音频大地法统称为电磁探测法。

高密度电阻法[20]主要是基于土层中岩溶结构及各种矿物的电性性能,并通过人力添加稳定的电压和电流,以及电流在地下土层中传导的规律判断组成结构。这种方法与其他传统电流测试的主要区别为自动化性和集成性。高密度电流包括了传统电流法的所有装置,且在进行时只需将电极铜棒以一定间隔排布在预测线路中。使用过程控制的转换装置能对设施和距离数据进行收集,拥有一线设置及多种设施收集的优点,与传统的电流法相比,高密度电阻法效率高,且得到的结果数据丰富。

电阻R是一种能表现物体导电性能的参数,与物体长度L和横截面积S有关,可表示为

(1)

其中,ρ为岩溶的电阻率。图1为电位差观测图。图1中：A和B为电极;M和N为测量电极。当线路中存在电流I时,电极中会产生电位差,可获得M和N的电位UM,UN,表示为

(2)

(3)

其中：rAM,rBM,rAN,rBN分别为AM,BM,AN,BN之间的长细比。

图1 电位差观测图

A和B对M和N中产生的电位差可表示为

(4)

由式(4)可得

(5)

其中,K为装置系数,表示为

(6)

地表面电位差的测量值可表示为

(7)

收集数据之后,得到的电阻率就是视电阻率,但不能直接使用,还须经二次处理后,才能将地下土层的组成介质显现出来,然后才能结束其中的信息。图2为高密度电阻法数据处理流程图。先将收集的数据用相关软件导出,转换为研究设备能识别的格式;然后引入地形数据,对测量线路过长的数据进行整合;随后传入设备软件,对损坏的数据点进行删除,使用最小二乘法,反复运算到偏差符合要求;最后得出结果。

音频大地法[21]是利用频率为0.1～10 000 Hz的天然交变电磁场探测的一种物探方法,基于电磁感应的原理,测试设施的磁场的检测值能把土层介质的电阻率吸纳为数据。由于趋肤效应,周期不一样的磁场信号拥有不同的穿透能力,频率高的磁场被土层削弱,而低频率的磁场能穿透更深的土层,将不同深度的岩溶电阻率返回地表监测处。

图3为音频大地法数据收集仪的工作示意图。数据收集仪包括收集主机、磁场放大器、x和y的电极子及x和y的磁棒放大器。测试的过程中,须将磁棒远离放大器设置,距离一般为5～10 m,这样能减轻仪器之间磁场的影响。同时,磁棒须在地表掘坑设置,这是为减轻空气流动等外部因素的干扰。最后,为得到准确性高的数据,一般在野外进行测试,远离城市中的电线等用电设施。

图4为音频大地法的数据预处理结构。其中,划分了预处理和后处理两部分,本文介绍预处理的过程,通过判断数据图形的方向和平滑程度及位移纠正。根据相邻接节点的变化程度对图形平滑处理,得到多个剖面的结果,并进行比较,反复进行反演,直到偏差符合预期停止。

图2 高密度电阻法数据处理流程图

图3 音频大地法数据收集仪的工作示意图

图4 音频大地法的数据预处理结构

探地雷达法[22]是电磁方法的一种,通过天线将频率为10～1 000MHz的脉冲波发射至地表中,根据地层中不同岩溶结构对脉冲波的反射和折射来反映地质的不同结构。

探地雷达的脉冲波在地层中传播时,电场和磁场的关系可表示为

E(r,t)=E0e-βrcosf(ωt-αr)

(8)

H(r,t)=H0e-βrcosf(ωt-αr)

(9)

其中：E0为初始电场强度;H0为初始磁场强度;α为相位系数;β为吸收系数;ω为脉冲波角频率;r为传播深度;t为时间。

1.3 试验区域的地质文献记录

选取的研究区域位于国道G227公路西侧,内有乡村道路,距离G227国道约5 km,距离民乐县城约40 km,具有便捷的交通物流条件。施工开始前,使用第1.2节所述方法对地质情况进行勘测,由于需将结果与文献记载数据进行对比,文献[23]给出了该地区的一些岩溶组成,地区地质情况如表2所列。

综合物探法是指多种地球物理勘探方法的共同使用,物探方法众多,有电法、放射性及磁法等。民乐县位于民乐盆地中央坳陷和东部斜坡的交界位置,结合以往实测物性资料分析认为主要存在3个电性层：第四系与新近系上部疏勒河组为表层次高阻层;新近系白杨河组电阻率最低,构成低阻层;震旦系为一套高阻层,震旦系内部还有一定的电性变化,底部基岩主要为花岗岩。本文研究区域地层内部电性差异较明显,构成了进行电法勘探工作的地球物理前提。结合前人所做工作,以高密度电阻法和电磁场法探测应用于地热勘查中效果最佳,故本文电法勘探中选择这两种方法。

表2 地区地质情况[23]

2 综合物探方法应用

2.1 使用高密度电阻法探测的地质成分

本文实验使用高密度电阻法对该建筑工地的地下地质情况进行勘探,是一种非破坏性的地下勘探方法。该方法利用电流在地下不同地质介质中的传播速度和路径的不同,检测出地下不同的物理属性,如地层厚度和岩性等。通过这种勘探方式,可获得该建筑工地中几种具有不同物理属性的岩溶结构的信息。通过将实验所得的数据与文献资料中的岩石成分进行对比,可对岩溶结构进行进一步的分析,判断出地层中的地质组成部分。判断过程中,须考虑多种因素,如地质构造及地球化学特征等。在建筑工程的规划和设计中,岩溶结构的信息十分重要,能为工程施工提供科学依据,以免工程出现安全隐患。因此,地下勘探技术在工程施工中具有重要的应用价值。图5为使用高密度电阻法探测得到的地质物理数据。

图5 使用高密度电阻法探测得到的地质物理数据

通过对岩溶结构的物理属性进行观察和分析,可获得该岩溶结构的一些基本特征,并通过对比文献资料,了解该岩溶结构的具体名称和性质。由图5可见,岩溶结构A的密度为1.98 g·cm-3,内摩擦角为12°,承载压力为160 kPa,这表明该岩溶结构具有较低的密度和承载压力、较小的内摩擦角度,是一种黏土,黏土是一种比较松软的岩石,地质特征较难支撑较大的压力,因此在工程施工时需特别注意;岩溶结构B的密度为2.31 g·cm-3,内摩擦角为50°,承载压力为550 kPa,这表明该岩溶结构具有较高的密度和承载压力,较大的内摩擦角度,是一种泥质白云岩,泥质白云岩是一种含有泥质颗粒的白云岩,具有较高的密度和承载能力,在工程施工时能起到较好的支撑作用;岩溶结构C的密度为2.45 g·cm-3,内摩擦角是55°,承载压力为750 kPa,这表明该岩溶结构具有较高的密度和承载压力,较大的内摩擦角度,是一种白云质灰岩,白云质灰岩是一种具有光滑质地和较大强度的岩石,适合用于建筑工程的建设和修建,在工程施工中具有广泛的应用前景。因此,通过对不同岩溶结构的物理属性进行分析和对比,可了解到具体的地质特征和岩性类型,能为工程施工提供科学依据。

2.2 使用电磁场法探测的地质成分

为后续工程施工提供详细的地质信息,本文采用音频大地法和探地雷达法进行实验,这两种方法作为电磁场探测法的两种常用方法,都能对岩溶结构进行探测。通过对这两种方法进行探测,可获得实验区域更全面的地质信息,以便更准确地了解该区域的岩层结构。探测过程中,各种物理数据都需被精确测量,并进行比对分析。通过将探测得到的数据与文献记载的物理数值进行比对,可进一步验证探测结果的准确性,保证后续工程施工的可靠性。通过综合分析,可更加全面地了解实验区域的岩溶结构特征,为工程施工提供更加详细的地质信息和可靠的依据,有助于制定与地质特征相适应的施工方案,规划合理的建设和修建计划,减少工程安全风险,提高工程施工的成功率和效率。图6为使用电磁场法探测得到的地质物理数据。

图6 使用电磁场法探测得到的地质物理数据

由图6可见,岩溶结构A的密度为1.68 g·cm-3,基底摩擦系数为0.25,横波在其中的传播速度为0.14 km·s-1,根据这些数据分析,结合已有的研究资料,可初步判断,岩溶结构A属于松软泥土;岩溶结构B的密度为1.91 g·cm-3,基底摩擦系数为1.25,横波在其中的传播速度为0.4 km·s-1,从这些数据可初步判断,岩溶结构B属于黏土;岩溶结构C的密度为2.49 g·cm-3,基底摩擦系数为0.65,横波在其中的传播速度为3 km·s-1,由此可初步判断,岩溶结构C属于白云质灰岩。同时,由图5和图6比较可见,密度探测法和电磁场法所测得的黏土和白云质灰岩的数值较为相似,这表明这两种探测方法的数据具有较高的准确性和可靠性,因此这两种方法是可行的。综上所述,对图6中的数据进行分析,可对试验区域的岩溶结构特征进行初步判断和分析,同时,密度探测法和电磁场法都可作为较可靠的探测方法,为后续工程施工提供准确的地质信息和可靠的依据。

通过使用电磁场法和高密度电阻法两种综合物探方法对某地施工用地的地质组成进行了勘测,将勘测得到的数值与文献记录数值进行对比,发现结果偏差较小,岩溶的物理数值趋于一致。因此,这两种方法均能在地质的勘测中进行应用,能较准确地推断该地的地质组成。

3 结论

岩溶区不合理的人类工程活动和降雨耦合使岩溶地下水反复变化,引发土洞气爆作用击穿溶洞较薄顶板,同时孕育土洞或使土体强度降低,加速与诱发了岩溶塌陷等自然-人为复合型次生地质灾害。利用合适的勘探方法及时发现、治理,或事发后调查、评价灾害发生原因,在防灾减灾方面具有现实意义。综合物探方法具有快速、精确、探测范围广及成本低的特点,在很多救灾、减灾、防灾中得到了广泛应用。正确解释并利用综合物探成果显得非常重要。当入射波遇到断裂破碎带、溶槽、溶洞、土洞、软土或塌陷扰动土等不同的波阻抗分界面时,地质雷达或浅层地震反射波法出现反射波频率变低、波形发胖、波的反射和绕射或多次振荡拖尾现象。土洞、软土、岩溶发育带、破碎岩及地下暗河等不良工程地质现象会产生高密度电测深法低阻异常。

本文利用高密度电阻法和电磁场法对某地施工用地的地质组成进行了勘测,结果表明,这两种方法均能在地质的勘测中进行应用,能较准确地推断该地的地质组成。本文方法为岩溶塌陷的分析、评价、治理提供了一定的参考。但这两种方法存在无法对地质中的杂质部分进行区分的不足,若遇到复杂的地质环境,由于杂质的存在,可能会导致探测结果与记录数值偏差过大的情况。因此,在后续的研究中,如何分析出杂质成分是一项亟待进行的重要工作。