基于綜合物探方法的巖溶塌陷地質災害勘查及地質材料屬性研究

張贊萍

(河南省地質礦產勘查開發局 第四地質礦產調查院,鄭州450000)

作為全球巖溶遍布最豐富的國家之一,我國碳酸性巖溶分布面積約占國土面積的1/3,尤其以滇、黔、桂、川、鄂及湘等區域的巖溶為主[1-3]。當前,隨著人類科技的快速發展,各種生產技術的優化迫在眉睫。同時,隨著工程勘探和建設工程量的不斷擴大,對建設用地空間和礦產資源的需求也越來越大。此外,因深層地表的開發及巖溶層的各種外部因素引發的各類地質災害也逐漸增多。其中,巖溶對建設領域工作的危害主要包括巖溶液體侵入造成樓體基地不穩定及巖溶空洞造成施工過程中天花板或地板的坍塌等[4-6]。因此,在進行工程建設之前,對區域內的地質勘探進行預測是非常重要的工作之一[7-9]。但當前的實際生產手段已無法合理滿足社會對地質勘探技術升級的需求,因此,需通過更先進的科學技術對實際生產手段進行不斷優化,尋求更合理的地質勘探方法,提高地質災害勘查工作的效果?；诖?很多研究者進行了綜合研究,并提出了相應的技術優化方法。

在較明顯的巖溶預測中,工作難度較低,能明顯區分地質類型。但實際施工過程中,經常會遇到一些擁有多種地質類型和土質的隱性巖溶地質,對其具體成分的探測仍是一個難以解決的問題。常少英等[10]用巖溶洞穴儲層分層解釋方法,預測不同時期巖溶洞穴儲層的分布,并根據單層溶洞分布規律,分析了巖溶溶洞儲集層的連通性。李光勤[11]使用一種高密度電法勘探技術對城市內施工中的地質情況進行了探測,能有效檢測出空洞的準確位置。邵鵬遠等[12]為高效、準確地對巖溶區地質情況進行勘探,以便有針對性地采取預防措施,避免造成進一步的損失,結合某巖溶區的地面塌陷案例,基于GprMax2D軟件進行第四紀覆蓋層中土洞的雷達波數值模擬,通過單一變量的成像圖,對不同地質情況下的土洞進行分析,并總結出了規律。韓慶定等[13]采用高密度電法、地質雷達和CT孔對透視3種工程物探方法,結合地質鉆探等方法對災害區進行地質環境勘測與應急處治方式設計實施研究,研究表明：塌陷群采取臨時應急回填措施,勘查、設計和治理施工同時進行的災害應急處理方式正確可靠。李海良等[14]采用工程物探先行,結合鉆探的應急勘查方法效果良好,采取對地陷區進行片石回填并進行注漿加固地基處治措施,經檢測表明處置技術可行,可為大規模巖溶地陷區的災害應急治理提供借鑒。綜上所述,當前的研究對地質勘查的技術發展方向提供了重要參考,但對該技術方法在實際工作中的應用研究還不夠成熟,因此,為有效優化當前地質勘查工作方法,本文將采用物探方法對某地巖溶地質進行探測。

本文首先介紹巖溶地質災害的種類和發生原因;隨后對物探方法的種類進行簡要介紹,提出本文采用的技術類別;最后,用綜合物探方法對某地地質類型進行勘探,并根據得到的結果數據判斷其土質類別,以此來判斷綜合物探方法在地質勘探的可行性。本文將幾種物探方法綜合運用,依據勘探得到的土質數據對巖層類別進行判斷,具有較高的準確度。

1 綜合物探方法

1.1 巖溶塌陷的形成原因

造成巖溶下陷的主要原因有潛蝕、真空吸蝕、振動、液化和氣爆等,通常情況下,地下水的流動是造成地面下陷的主要因素。地下水位的漲落是巖溶下陷的誘發原因,土質本身物理性質的內部因素和上層覆蓋下層的土層是必要條件。巖溶塌陷的誘因[15-17]如表1所列。

表1 巖溶塌陷的誘因[15-17]

因遮蓋層中的空洞是造成巖溶塌陷的主要原因,因此,許多研究專家主要針對空洞對土層的影響,而忽視了空洞的形成原因和條件,這導致只考慮災后補救而不重視災前預防的現象。在人類未干預的情況下,土層中空洞的形成需經歷很長的時間,由于人類的活動,形成時間將大大縮短,這是施工地質災害頻發的主要原因之一?？斩吹男纬蓷l件為[18]：

(1)在第四紀土層中存在巖溶的空洞、縫隙或斷裂層,且存在流動的地下水。

(2)存在灰巖、白云巖等抗壓度低的巖溶,在地下水長時間的沖刷和浸沒下,整個巖溶被地下水腐蝕,強度下降。施工過程中增高了地下水的流動強度,使不穩固的巖溶結構在流動過程中脫離原有的整體結構。

(3)隨著地下水位的下落,土層中的空洞增大,使其中的壓強低于大氣壓,最后在外力的作用下塌落。

1.2 物探方法的選擇

物探方法[19]是一種間接勘探的方法,通常是指運用各種以物理學概念為基礎設計的儀器以獲得巖溶和礦物等標本模型的各個參數及分布規律,隨后根據現有的物理定義和概念來定位數據,并解釋為地質成果。本文采用的物探方法主要有高密度電阻法、音頻大地法和探地雷達法3種,其中,探地雷達法和音頻大地法統稱為電磁探測法。

高密度電阻法[20]主要是基于土層中巖溶結構及各種礦物的電性性能,并通過人力添加穩定的電壓和電流,以及電流在地下土層中傳導的規律判斷組成結構。這種方法與其他傳統電流測試的主要區別為自動化性和集成性。高密度電流包括了傳統電流法的所有裝置,且在進行時只需將電極銅棒以一定間隔排布在預測線路中。使用過程控制的轉換裝置能對設施和距離數據進行收集,擁有一線設置及多種設施收集的優點,與傳統的電流法相比,高密度電阻法效率高,且得到的結果數據豐富。

電阻R是一種能表現物體導電性能的參數,與物體長度L和橫截面積S有關,可表示為

(1)

其中,ρ為巖溶的電阻率。圖1為電位差觀測圖。圖1中：A和B為電極;M和N為測量電極。當線路中存在電流I時,電極中會產生電位差,可獲得M和N的電位UM,UN,表示為

(2)

(3)

其中：rAM,rBM,rAN,rBN分別為AM,BM,AN,BN之間的長細比。

圖1 電位差觀測圖

A和B對M和N中產生的電位差可表示為

(4)

由式(4)可得

(5)

其中,K為裝置系數,表示為

(6)

地表面電位差的測量值可表示為

(7)

收集數據之后,得到的電阻率就是視電阻率,但不能直接使用,還須經二次處理后,才能將地下土層的組成介質顯現出來,然后才能結束其中的信息。圖2為高密度電阻法數據處理流程圖。先將收集的數據用相關軟件導出,轉換為研究設備能識別的格式;然后引入地形數據,對測量線路過長的數據進行整合;隨后傳入設備軟件,對損壞的數據點進行刪除,使用最小二乘法,反復運算到偏差符合要求;最后得出結果。

音頻大地法[21]是利用頻率為0.1～10 000 Hz的天然交變電磁場探測的一種物探方法,基于電磁感應的原理,測試設施的磁場的檢測值能把土層介質的電阻率吸納為數據。由于趨膚效應,周期不一樣的磁場信號擁有不同的穿透能力,頻率高的磁場被土層削弱,而低頻率的磁場能穿透更深的土層,將不同深度的巖溶電阻率返回地表監測處。

圖3為音頻大地法數據收集儀的工作示意圖。數據收集儀包括收集主機、磁場放大器、x和y的電極子及x和y的磁棒放大器。測試的過程中,須將磁棒遠離放大器設置,距離一般為5～10 m,這樣能減輕儀器之間磁場的影響。同時,磁棒須在地表掘坑設置,這是為減輕空氣流動等外部因素的干擾。最后,為得到準確性高的數據,一般在野外進行測試,遠離城市中的電線等用電設施。

圖4為音頻大地法的數據預處理結構。其中,劃分了預處理和后處理兩部分,本文介紹預處理的過程,通過判斷數據圖形的方向和平滑程度及位移糾正。根據相鄰接節點的變化程度對圖形平滑處理,得到多個剖面的結果,并進行比較,反復進行反演,直到偏差符合預期停止。

圖2 高密度電阻法數據處理流程圖

圖3 音頻大地法數據收集儀的工作示意圖

圖4 音頻大地法的數據預處理結構

探地雷達法[22]是電磁方法的一種,通過天線將頻率為10～1 000MHz的脈沖波發射至地表中,根據地層中不同巖溶結構對脈沖波的反射和折射來反映地質的不同結構。

探地雷達的脈沖波在地層中傳播時,電場和磁場的關系可表示為

E(r,t)=E0e-βrcosf(ωt-αr)

(8)

H(r,t)=H0e-βrcosf(ωt-αr)

(9)

其中：E0為初始電場強度;H0為初始磁場強度;α為相位系數;β為吸收系數;ω為脈沖波角頻率;r為傳播深度;t為時間。

1.3 試驗區域的地質文獻記錄

選取的研究區域位于國道G227公路西側,內有鄉村道路,距離G227國道約5 km,距離民樂縣城約40 km,具有便捷的交通物流條件。施工開始前,使用第1.2節所述方法對地質情況進行勘測,由于需將結果與文獻記載數據進行對比,文獻[23]給出了該地區的一些巖溶組成,地區地質情況如表2所列。

綜合物探法是指多種地球物理勘探方法的共同使用,物探方法眾多,有電法、放射性及磁法等。民樂縣位于民樂盆地中央坳陷和東部斜坡的交界位置,結合以往實測物性資料分析認為主要存在3個電性層：第四系與新近系上部疏勒河組為表層次高阻層;新近系白楊河組電阻率最低,構成低阻層;震旦系為一套高阻層,震旦系內部還有一定的電性變化,底部基巖主要為花崗巖。本文研究區域地層內部電性差異較明顯,構成了進行電法勘探工作的地球物理前提。結合前人所做工作,以高密度電阻法和電磁場法探測應用于地熱勘查中效果最佳,故本文電法勘探中選擇這兩種方法。

表2 地區地質情況[23]

2 綜合物探方法應用

2.1 使用高密度電阻法探測的地質成分

本文實驗使用高密度電阻法對該建筑工地的地下地質情況進行勘探,是一種非破壞性的地下勘探方法。該方法利用電流在地下不同地質介質中的傳播速度和路徑的不同,檢測出地下不同的物理屬性,如地層厚度和巖性等。通過這種勘探方式,可獲得該建筑工地中幾種具有不同物理屬性的巖溶結構的信息。通過將實驗所得的數據與文獻資料中的巖石成分進行對比,可對巖溶結構進行進一步的分析,判斷出地層中的地質組成部分。判斷過程中,須考慮多種因素,如地質構造及地球化學特征等。在建筑工程的規劃和設計中,巖溶結構的信息十分重要,能為工程施工提供科學依據,以免工程出現安全隱患。因此,地下勘探技術在工程施工中具有重要的應用價值。圖5為使用高密度電阻法探測得到的地質物理數據。

圖5 使用高密度電阻法探測得到的地質物理數據

通過對巖溶結構的物理屬性進行觀察和分析,可獲得該巖溶結構的一些基本特征,并通過對比文獻資料,了解該巖溶結構的具體名稱和性質。由圖5可見,巖溶結構A的密度為1.98 g·cm-3,內摩擦角為12°,承載壓力為160 kPa,這表明該巖溶結構具有較低的密度和承載壓力、較小的內摩擦角度,是一種黏土,黏土是一種比較松軟的巖石,地質特征較難支撐較大的壓力,因此在工程施工時需特別注意;巖溶結構B的密度為2.31 g·cm-3,內摩擦角為50°,承載壓力為550 kPa,這表明該巖溶結構具有較高的密度和承載壓力,較大的內摩擦角度,是一種泥質白云巖,泥質白云巖是一種含有泥質顆粒的白云巖,具有較高的密度和承載能力,在工程施工時能起到較好的支撐作用;巖溶結構C的密度為2.45 g·cm-3,內摩擦角是55°,承載壓力為750 kPa,這表明該巖溶結構具有較高的密度和承載壓力,較大的內摩擦角度,是一種白云質灰巖,白云質灰巖是一種具有光滑質地和較大強度的巖石,適合用于建筑工程的建設和修建,在工程施工中具有廣泛的應用前景。因此,通過對不同巖溶結構的物理屬性進行分析和對比,可了解到具體的地質特征和巖性類型,能為工程施工提供科學依據。

2.2 使用電磁場法探測的地質成分

為后續工程施工提供詳細的地質信息,本文采用音頻大地法和探地雷達法進行實驗,這兩種方法作為電磁場探測法的兩種常用方法,都能對巖溶結構進行探測。通過對這兩種方法進行探測,可獲得實驗區域更全面的地質信息,以便更準確地了解該區域的巖層結構。探測過程中,各種物理數據都需被精確測量,并進行比對分析。通過將探測得到的數據與文獻記載的物理數值進行比對,可進一步驗證探測結果的準確性,保證后續工程施工的可靠性。通過綜合分析,可更加全面地了解實驗區域的巖溶結構特征,為工程施工提供更加詳細的地質信息和可靠的依據,有助于制定與地質特征相適應的施工方案,規劃合理的建設和修建計劃,減少工程安全風險,提高工程施工的成功率和效率。圖6為使用電磁場法探測得到的地質物理數據。

圖6 使用電磁場法探測得到的地質物理數據

由圖6可見,巖溶結構A的密度為1.68 g·cm-3,基底摩擦系數為0.25,橫波在其中的傳播速度為0.14 km·s-1,根據這些數據分析,結合已有的研究資料,可初步判斷,巖溶結構A屬于松軟泥土;巖溶結構B的密度為1.91 g·cm-3,基底摩擦系數為1.25,橫波在其中的傳播速度為0.4 km·s-1,從這些數據可初步判斷,巖溶結構B屬于黏土;巖溶結構C的密度為2.49 g·cm-3,基底摩擦系數為0.65,橫波在其中的傳播速度為3 km·s-1,由此可初步判斷,巖溶結構C屬于白云質灰巖。同時,由圖5和圖6比較可見,密度探測法和電磁場法所測得的黏土和白云質灰巖的數值較為相似,這表明這兩種探測方法的數據具有較高的準確性和可靠性,因此這兩種方法是可行的。綜上所述,對圖6中的數據進行分析,可對試驗區域的巖溶結構特征進行初步判斷和分析,同時,密度探測法和電磁場法都可作為較可靠的探測方法,為后續工程施工提供準確的地質信息和可靠的依據。

通過使用電磁場法和高密度電阻法兩種綜合物探方法對某地施工用地的地質組成進行了勘測,將勘測得到的數值與文獻記錄數值進行對比,發現結果偏差較小,巖溶的物理數值趨于一致。因此,這兩種方法均能在地質的勘測中進行應用,能較準確地推斷該地的地質組成。

3 結論

巖溶區不合理的人類工程活動和降雨耦合使巖溶地下水反復變化,引發土洞氣爆作用擊穿溶洞較薄頂板,同時孕育土洞或使土體強度降低,加速與誘發了巖溶塌陷等自然-人為復合型次生地質災害。利用合適的勘探方法及時發現、治理,或事發后調查、評價災害發生原因,在防災減災方面具有現實意義。綜合物探方法具有快速、精確、探測范圍廣及成本低的特點,在很多救災、減災、防災中得到了廣泛應用。正確解釋并利用綜合物探成果顯得非常重要。當入射波遇到斷裂破碎帶、溶槽、溶洞、土洞、軟土或塌陷擾動土等不同的波阻抗分界面時,地質雷達或淺層地震反射波法出現反射波頻率變低、波形發胖、波的反射和繞射或多次振蕩拖尾現象。土洞、軟土、巖溶發育帶、破碎巖及地下暗河等不良工程地質現象會產生高密度電測深法低阻異常。

本文利用高密度電阻法和電磁場法對某地施工用地的地質組成進行了勘測,結果表明,這兩種方法均能在地質的勘測中進行應用,能較準確地推斷該地的地質組成。本文方法為巖溶塌陷的分析、評價、治理提供了一定的參考。但這兩種方法存在無法對地質中的雜質部分進行區分的不足,若遇到復雜的地質環境,由于雜質的存在,可能會導致探測結果與記錄數值偏差過大的情況。因此,在后續的研究中,如何分析出雜質成分是一項亟待進行的重要工作。