高密度电法与地震映像法联合勘探在岩溶勘察中的应用

高密度电法与地震映像法联合勘探

在岩溶勘察中的应用

李明智，龙 斌，俞仁泉

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550001）

摘 要：我国岩溶地貌分布广泛，类型丰富，可溶性岩在水流的作用下易形成的地下溶洞，对大型工程建设有巨大的危害，探明溶洞的规模与位置并采取预防措施非常重要。高密度电法与地震映像法是工程中探查岩溶中常用的两种方法，但由于物探的多解性，单独一种物探方法难以对空洞进行有效的界定，本文以沪昆线K1347+872横阳山平交道口改立交工程岩溶探测项目为例，论述高密度电法与地震映像法联合勘探在勘测溶洞中的应用，得到结论如下：结合高密度电法与地震映像法可有效查明岩溶的分布范围、埋深和发育情况。 关键词：高密度电法；地震映像；高速公路；岩溶

中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）03-0266-03

岩溶作为一种不良地质情况，广泛的存在于中国南部地区，总面积约占我国国土面积的三分之一，可溶性岩在水的作用下常形成地下溶洞，引起矿坑突水、隧道涌水、隧道泥石流和岩溶塌陷等地质问题，对于工程建设有着极大的危害，在工程建设前，探明岩溶空洞的规模与位置并采取措施是预防岩溶危害有效的措施。

当溶洞无填充物时，溶洞电阻率呈现高阻状态，南方地区岩溶多为填充溶洞，若溶洞填充了泥土与水，则电阻率值将明显低于围岩的电阻率值，这为高密度电法提供了探测条件；同时，溶洞界面由于界面两侧波阻抗相差较大，是弹性波强反射界面，这为地震映像提供了工作条件。高密度电法具有多解性同时受到旁侧影响，特别是在岩溶较为发育的地区，地下岩溶较多，测线附近的岩溶会对测量的视电阻率值产生影响，使得高密度反应的低阻异常可能是测线范围周边的异常体而非我们测线下方的异常，因此仅通过低阻异常往往无法确定溶洞的存在。而溶洞往往引起地震映像数据同相轴错动、缺失、眼球状同相轴、波场能量异常等现象，地震映像法对溶洞定性效果较好，但是无法达到定量解释的程度。本文以沪昆线K1347+872横阳山平交道口改立交工程为例，对高密度电法与地震映像法联合勘探在溶洞探测中的应用进行论述。

一、工区地质与地球物理概况 1．工区地质情况

沪昆线K1347+872横阳山平交道口改立交工程所在地位于湖南省新化县孟公镇付家村，该处为低山丘陵地貌，新

收稿日期：2017-02-01

作者简介：李明智（1990-），男，湖南省祁阳县人，硕士，贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司助理工程师，

主要研究方向为弹性波正演方面的研究。

龙 斌（1990-），男，贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，助理工程师。 俞仁泉（1979-），男，贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，高级工程师。

名称 填土 卵石土 粉质粘土 灰岩 填充溶洞

建立交桥桥址处为农田，地势平坦。根据工作区工程地质勘察报告，该场地范围内地表大部分为第四系地层。按地层从上至下顺序，将各地层岩性特征描述如下：

（1）填筑土，主要组成成份为基岩风化残积粉质粘土及少量的花岗岩碎石、块石等；

（2）卵石土，主要组成成份为砂岩质，砾石直径2~10cm，含量大于50%，成椭圆形，间隙充填砂及少量粉质粘土；

（3）粉质粘土，由粘粒及粉粒组成，以粘粒为主，局部夹少量沙粒，土质不均匀。层厚1.0~9.40m，埋藏深度2.50~6.60m；

（4）中风化石灰岩，埋藏深度6.0~44.50m。 2．地球物理概况

由以上地层岩性可知，探测区段涉及的地层介质有填筑土、卵石土、粉质粘土及石灰岩，根据该类岩土介质的物性参数经验值列表如表1。

表1 部分岩土介质的物性参数

视电阻率/Ω.m

30～120 20～100 15～45 500～2,000 30～200

纵波速度/km*s

0.6～1.3 1.0～2.0 1.5～1.7 2.5～3.5 1.0～1.5

-1

密度/kg*m 1.5～1.7 1.5～1.7 1.7～1.9 2.3～2.7 1.0～1.2

-3

从上表岩土介质的物性参数可知，在第四系人工填土层、卵石土、粉质粘土层、灰岩之间，以及与岩溶、溶洞等异常地质构造之间，无论在电阻率以及地震波速度等方面均存在

第3期 李明智等：高密度电法与地震映像法联合勘探在岩溶勘察中的应用 267 较明显的差异。这为在本区开展地球物理勘查提供了较好的物性条件。因此，用反映电性差异的电阻率法勘探以及反映弹性波速度差异的地震勘探，具有较好的地球物理前提。

二、物探方法的原理 1．高密度电法

高密度电阻率法是在常规电阻率法基础上发展起来的新型物探方法，其工作原理与常规电法勘查一致，以岩土介质的导电性差异为基础，研究在人为施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律。

高密度电法通过供电电极向地下供入直流电流，建立起电场，通过改变供电（A、B极）、测量装置（M、N极）的排列、大小和相对位置来改变电流在地下的分布情况，在地面测量电场的变化，就可以推断出地层电阻率深度的变化，达到测量地下情况的目的，其测试原理示意图见图1。

图1 高密度原理示意图

假设有地表任意两个位置有供电电极A、B进行供电，再任意选取两个位置M、N作为测量电极，测量M、N之间的点位差，可得到均匀地质体下电阻率的计算公式：

ρ=K

ΔUMNΙ

（1） 式中

K=

2π

⎛⎜1111⎞ ⎝AM−AN−BM+BN⎟ （2） ⎠

公式（1）即是使用电阻率法测量地下均匀地质体电阻率的基本公式。其中K是一个只与电极间距离有关的系数，即电极装置系数。在实际的电阻率测量中供电电极与测量电极会设置在一条直线上。公式（1）得到的电阻率是均匀地质体的电阻率，在实际的测量环境中，不存在均匀的地质体，有此式得到的是地下某一层各种物质组合在一起所反映出的电阻率，是各物质电阻率一种综合表现，也就是我们所说的视电阻率。

高密度电法的测量装置的有温纳法、施伦贝谢尔法、微分法、偶级-偶级法等，本文采用施伦贝谢尔法进行岩溶探测，测量时，M、N间距保持不变，供电电极A、B同时逐点分别向左、右移动，得到一个剖面，接着，M、N向前移动一个电极，再以同样的方式跑级，得到另一条剖面。最后得到二维剖

面图。 2．地震映像法

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种方法，可利用的地震波包括反射波，折射波，面波等，故地震映像法又称地震共偏移距法和地震多波勘探，它是以某一个固定的偏移距逐步移动测点来接收地震信号，利用多种地震波的特征，通过分析波场特征获取地下物性分界面的一种浅层地震勘探方法。其工作原理如图2。 地震仪 震源 界面1 界面2图2 地震映像工作原理

在工程勘探中，沿着测线方向，采用单道激发、单道接收的方法。在数据采集过程中，保持两个相邻两个激发点的距离即道间距保持不变，每次移动激发点和接收点的距离即偏移距也要保持不变，最后可以得到一个共偏移距的时间剖面。当地下存在溶洞或者破碎带等异常情况时，根据弹性波反射原理和惠更斯原理，在溶洞或构造破碎带的位置会造成同相轴的错动，缺失，眼球状同相轴及产生绕射波等异常。因此可根据地震映像时间剖面图，分析波场特征，就可判断溶洞的发育情况。在工程勘探中，实际测量的点是激发点与接收点的之间的中心点，因此实际测得的数据反映的是该偏移距范围内地下的地质情况。地震映像法数据处理简单，数据质量较好的状态下可以做到无需做任何处理的程度，避免了人工处理的干扰，可以保留地震波的所有特征。

三、 数据采集与解释

本工程的目的为探明立交桥桥墩位置有无溶洞发育，受到铁路、公路与建筑物的，纵测线难以展开，探测深度无法达到要求，因此本次项目以横测线为主。高密度电法测量参数为：电极数：80个，点距4m，采用斯伦贝谢尔法进行探测，最大层数34层。在每个桥墩的位置以及桥墩左右各5m布置一条横测线，41号电极位于桥墩中心位置。按操作规程，测量前检查电极接地情况，数据采集完成对采集到的数据进行质量检查，未发现有明显的干扰，数据质量较好，符合工程要求。将数据导入计算机，进行坏点去除，地形校正等预处理，利用最小二乘法并调整参数进行反演。图3为16号墩处高密度电法反演结果。通过图3可以看到：由于该区域岩溶较为发达，反演结果低阻异常位置较多，其中位于桥墩附近的有两块明显的异常区域，其一位于128~160m段，埋深约17~34m，异常呈椭圆形，电阻率值在40~70Ω·m，中心位置电阻率值约40Ω·m，推测低阻异常为岩体破碎，裂隙发育，异常中间位置可能存在溶洞；第二个异常区域位于188~212m段，埋深约10~22m，电阻率值在40~75Ω·m，中心位置电阻率值约40Ω·m，推测

268 中 国 水 运 第17卷 异常为岩溶裂隙发育，异常区域中间位置可能存在溶洞。

图3 高密度电法反演断面图

由于高密度电法旁侧影响以及多解性的影响，高密度电法无法对低阻是否为溶洞做出较为确定的判断。本文在桥墩位置再进行一次地震映像勘察，地震映像测量参数：炮检距离6m，采样间隔：0.025 ms，采样长度0.20s，检波器主频38 Hz。图4为地震映像法时间域剖面，为了方便进行对比，地震映像的里程经过了转换，与高密度里程一致，160m处为桥墩中心位置。由图4可以看出：在里程145~160m段，0.06~0.1s处同相轴凌乱、错动；0.1~0.12s处出现弧形同相轴；在圆圈范围内，随着深度增加，波场能量未出现衰减，波场出现异常，推测为空洞强反射界面引起波场震荡。

图4 地震映像法时间域剖面

结合高密度电法与地震映像，得到结论如下：145~160m段高密度电法为低阻异常，地震映像出现同相轴凌乱，错动，波场异常，推测存在溶洞发育，溶洞深度约17~26 m；在128~145m段、188~212m段高密度存在低阻异常，地震映像无明显反应，推测为岩溶裂隙发育，岩体破碎或旁侧异常影响。

为验证物探成果，布置了3个钻孔，3个钻孔由左至右转 （上接第207页）

图2 桩顶碎裂处理步骤

五、结束语

桩基施工是整个桥梁施工的第一步，也是整个项目质量控制的重点及难点，海上深水区锤击施工PHC桩受水深、涌浪、潮差等自然条件影响较大，因此，在充分调查的基础上，

采取科学合理的质量问题预防措施以及相应的处置工艺是保证PHC桩施工质量的关键。

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化为高密度里程桩号分别为：1、160、166m。钻孔结果为：1m处钻孔在深度16m处打到溶洞，160、166m处钻孔均未见溶洞。通过钻孔验证，可以看出通过高密度电法与地震映像法结合，准确的确定了溶洞的位置与埋深，并有效降低了旁侧异常的影响与物探的多解性引起的误差。

四、结论

运用高密度电法与地震映像法联合勘探岩溶，提高了岩溶勘察的准确性，准确探明了桥墩处溶洞的位置与埋深。高密度电法是找溶洞最为常见的方法，但是高密度电法具有多解性同仅通过低阻异常无法准确的判断是否时受到旁侧异常的影响，

存在溶洞，而地震映像法对溶洞也有较强的反应，地震映像定性能力强，但无法对溶洞进行定量分析。通过结合两种方法，通过地震映像可有效的排除高密度电法的假异常，两者结合可准确判断异常是否由溶洞引起，并确定异常的位置与埋深。

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