综合物探方法在岩溶塌陷地质灾害勘察中的应用

蒋发生

（邵阳市水利水电勘测设计院 邵阳市 422000）

在现有的勘察手段中，物探方法具有速度快、造价低的特点，但是，任何一种物探方法，都有其应用的前提条件，都存在着一定的多解性，这些特点影响了物探成果的精度及准确性，正是这些局限，限制了物探方法的应用效果。如果能够采用综合物探手段，有针对性地选取几种物探方法技术组合，互相映证、互相补充，就能明显地提高物探资料的准确度，有效地解决岩溶塌陷地质灾害快速勘察的问题。

1 物探方法的选择

岩溶塌陷地质灾害发生的地质前提是存在可溶性岩层，在我国主要为碳酸盐岩。本文着重分析碳酸盐岩地区各种地质体的物性差异，实测部分数据及收集到的物性参数如表1、表2所示。

表1 电性参数统计成果表

表2 电磁及弹性波参数表

由表1、表2可以看出，粘土、灰岩及岩溶裂隙带之间有较大的电阻率、弹性波速度及电磁波速度差异，为采用电法、浅层地震勘察及地质雷达勘查提供了较好的地球物理前提条件。

高密度电阻率法是近年来兴起的一种新的直流电法勘察方法，它一次性将电极布置到位，采用智能仪器实现数据自动采集。与常规电法比较，具有速度快，采集数据信息量大的特点。结合现代计算技术，对观测数据进行地形改正，做二维或三维正、反演计算，可明显提高解译精度与可靠性，因此，高密度电阻率法是岩溶塌陷地质害勘察的首选物探方法。

隐伏土洞发生和发展是导致岩溶地区地表塌陷地直接原因，危害极大。而多波地震映像、瞬态面波、地质雷达等方法勘察隐伏土洞效果显著，而且测线受地形地物限制较小，是岩溶塌陷地质灾害勘察中重要的物探方法。

综合以上分析，在充分调查地质灾害现状及环境地质条件的基础上，应用高密度阻率法查清隐伏岩溶发育带特征及空间分布规律、场区控制岩溶发育的构造特征、第四系覆盖层的厚度及性质；应用多波地震映像、瞬态面波、地质雷达等方法在公路、居民区、厂区查清对构筑物安全影响极大的隐伏土洞、地表塌陷松动带，是岩溶塌陷地质灾害勘查中行之有效的综合物探方法组合。

2 工程实例

2005年11月27日，某煤矿发生矿坑突水事故，引起矿区周边的农田发生大量地面裂缝及塌陷，房屋开裂变形，井泉干枯。截止2005年12月10日，已发现89个塌坑，其中规模最大约24.6m×20m，塌坑深度最深约7m。一栋房屋局部倒塌，多栋房屋严重受损；公路开裂，交通中断；灾区内井泉及地表水系干涸，人畜出现饮水困难，192人被迫搬迁集中安置。灾害危及周围村镇共2000余居民的生命及财产安全。

地质灾害发生后，邵阳市水电勘测设计院承担了本次地质灾害勘查任务。采用了以高密度电阻率法、多波地震映像、瞬态面波、地质雷达等综合物探手段，迅速查明了灾区第四系岩性、结构、厚度、含（透）水性及其工程地质特征，查明走向大于50m、宽度大于5m，埋深40m以内的浅部岩溶和土洞发育带的空间分布及特征，查明了控制岩溶发育的隐伏断层构造，为地质灾害评诂治理提供了基础资料，取得了良好的地质效果。

2.1 勘查方法技术概述

勘查基本网度为线距50m，高密度电法点距5m，多波地震映像点距0.5m，瞬态面波点距3m。在房屋密集处，采用不规则测网。

在1∶5000地形图上设计好物探测线后，每条测线每50m用全站仪实测一个物探点位控制点，并在现场标记位置，其余物探点位用皮尺、测绳量距加密。

2.2 高密度电法工作方法及效果

2.2.1 工作方法

采用重庆地质仪器厂产DUK—Ⅱ高密度测量系统，在已知岩溶塌陷坑上方布置试验剖面（109线），应用不同的装置及参数进行对比。最终选定单边三极装置，点距5m，观测18层数据,无穷远极垂直测线方向，极距大于500m。

勘查基本网度为线距50m，点距5m，在灾情严重的重点区线距加密至20m。

室内将野外采集的数据导入计算机，与野外记录仔细核对后，对于个别畸变点进行圆滑处理后，用RES2DⅠV专用软件进行正反演计算，得到彩色正反演视电阻率断面图。

2.2.2 地质效果

高密度电法在本项目中作为主导的物探方法，在查清场区岩溶分布特征、第四系厚度及特征、隐伏断裂断造等方面效果明显。

（1）高密度电法在圈定岩溶发育带中的应用效果。

根据实测资料，第四系覆盖电阻率值变化较大，一般为（70～800）Ω/m，在山坡局部地段可达1200Ω/m。 下伏基岩视电阻率值较均一，一般为（15000～22000）Ω/m。在视电阻率等值线断面图上，在土层与基岩的接触面上，电阻率梯度大，表现为等值线密集。依据以上特征，以视电阻率变化较大的拐点来勾画确定第四系覆盖层厚度。

在岩溶区上有明显的低电阻反映，边界电阻率梯度大等特征，异常位置、边界、埋深反映明显，易于判别（图1）。经钻孔验证，高密度电法剖面低阻异常区均发现溶洞、溶槽等岩溶现象，相对高阻异常则基岩取芯完整。因此，本地区岩溶发育带可根据低阻异常圈定，其高密度电法异常特征为：封闭或半封闭低阻异常，边界有较大的电阻率变化梯度。

图1 109线高密度电法效果图

高密度电法视电阻率等值线平面图（图2）反映了工作区宏观电性特征、岩溶带整体走向、规模及基岩面的深度。

根据高密度电法异常，圈出各剖面低阻异常边界，以相邻剖面测点的相对关系，连接异常边界点，综合考虑地表变形特征，圈定岩溶发育带。

（2）高密度电法勘查隐伏断层构造。

●高密度地电断面图上的梯度异常是隐伏断层的重要标志。

图2 视电阻率等值线平面图（局部，AB/2=90m）

在高密度正、反演地电断面上存在明显的视电阻率梯度异常，在正反演图像上均可看到，在高阻区出现陡斜的低阻色区，倾角一般大于40°，低阻区反映了灰岩破碎充水，低阻区的宽度和延伸方向反映了破碎带的宽度和倾向（图3）。相对岩溶发育带，断裂带形成的低阻具有梯度大、异常宽度小、深度大的特点，依据这些特征可以区分断层和一般岩溶发育带的低阻异常。

图3 F1断层在高密度电法地电断面图上的标志（90线）

●隐伏断裂带在ρs平面等值线图上的异常特征。

平面ρs等值线图 （图3）反映了测区的宏观地电特性，南部（青玄）低阻区呈条带状，视电阻率值（40～85）Ω/ m，主要反映了长兴组（P2c）、茅口组上段（P1m3）泥岩的低阻特征。北部（双龙、长龙）区域低阻区呈块状，视电阻率值相对南部较高，视电阻率值（70～100）Ω/m，主要反映了第四系的厚度。由于断层破碎带的切割，形成了狭长的梯度带，使上述整体地电特征受到畸变，这些特征反映了断层破碎带在平面上的走向。

2.3 浅层地震法多波地震映像

炮点至检波点距离8m，3.5Hz、10Hz、100Hz3个检波器组合检波，人工锤击震源，测点间距0.5m，采样率0.25 ms，采样长度1024个样点，同时接收包含地下地质体信息的折射波、反射波，面波等多种波。

将野外采集的数据文件与野外记录对照检查，剔除非正常道后，将同一测线的数据文件依序拼接，形成彩色映像图。

在岩溶区，同相轴出现“走时”加大，出现反射弧；在溶洞边界上多波主频及振幅发生明显变化（图3）；说明多波地震映像在本区勘查岩溶洞隙是有效的。

在多波地震映像图上，绕射波与散射波多为溶洞反映。当击振点激发各种弹性波在地下传播时，各种波到达岩溶裂隙这种极小低速体而受阻，形成波的射波和散射，据此可以圈定溶洞的平面位置。多种波表现为同相轴不连续或中断，同相轴变化的地段为岩溶区或塌陷区 （图4）。同相轴两边的拐点或转折点反映了岩溶的边界。

图4 301、302线多波地震映像效果

通过已知岩溶段实测剖面试验，在多波地震映像图上，选取一组近似反射波同相轴作为时深转换，选用以下公式，计算各测点岩溶深度近似值。

式中 Hi——第i点的深度（m）；

Ti——接收点的时间（s）；

Xi——激发点到点的距离（m）；

2.4 瞬态面波方法技术及应用

（1）瞬态面波方法技术。

采用6道3.5Hz检波器接收，8m偏移距，道间距1m，人工锤击震源，全通滤波。

应用面波测探映像处理软件对野外采集的数据进行滤波抑制干扰后，在时间～空间域提取面波，时间～频率域圈出面波基阶模态能量峰，合成频散数据文件。

（2）瞬态面波勘察土洞、松散土体效果。

如图5所示，土洞上方面波频散曲线出现中断，无深部信息（图a）；在岩溶裂隙发育部位或松散土体上部，频散曲线在4m以下位置出现速度倒转、离散（图b）；在正常区，面波频散曲线完整、连续，无大的速度倒转（图c），面波速度较大。

图5 M20、M13瞬态面波频散曲线图

2.5 地质雷达

使用瑞典产RAMAC/GPR地质雷达，50MHz不屏蔽天线和250MHz屏蔽天线，50MHz天线采样率694MHz，250MHz天线采样频率1948MHz，采样长度均为512个样点。

50MHz天线主要用于公路及房屋外围部位，快速勘查浅部隐伏溶沟、溶槽及上部隐伏土洞，勘查深度一般为15m；250MHz天线主要用于房屋内勘查隐伏土洞，勘查深度约5m。地质雷达勘查隐伏浅部岩溶和土洞效果明显，如图6所示，在岩溶（土洞）区，电磁反射波出现同相轴不连续，抛物线型反射弧是土洞存在的标志。

在岩溶发育段，反射电磁波同相轴不连续，能量衰减明显，在正常地段，反射电磁波同相轴连续、清晰。对于隐伏土洞，可以看到抛物线状的反射弧，依据这些特征可以划出岩溶或土洞的边界。根据电磁波在介质中的传播速度，由地质雷达观测图像的反射波的时间换算成深度，可以确定岩溶的埋深。

图6 地质雷达效果图

3 结语

（1）高密度电阻率法是近十几年来兴起的新的地球物理勘查方法，与常规电法比较，它具有施工效率高、采集数据信息量大，结合现代计算技术进行正反演计算，资料分辨率更高、资料成果直观可靠。在岩溶塌陷地质灾害勘查中，高密度电阻率法能有效解决第四系覆盖层厚度、岩溶发育特征、控制岩溶发育的隐伏断层构造等地质问题。

（2）浅层地震多波地震映像法能够有效地发现浅层岩溶、土洞及岩溶塌陷松动带，塌陷体（由塌陷坑、松动带组成）、土洞具低弹性波速和低电磁波速特征，地震映像图呈现多波同相轴从不连续到中断再到不连续，两边的不连续区为岩土体松动边界、中断区为陷坑区或土洞；但对深度确定有较大的误差。地震映像测线布置受场地限制较少，在测线通行障碍物较多、地下游散电流较大的情况下，能较好地弥补电法的不足。

（3）瞬态面波法较准确地查清覆盖层厚度、土洞、岩溶塌陷松动带及浅部岩溶。尤其重要的是，土层面波速度与其承载力有着密切的相关性，结合少量土工试验及原位测试结果，通过瞬态面波法可以确定土层的岩土工程力学性质。土层的厚度及其工程力学性质是影响岩溶塌陷地质灾害的发生、发展的至关重要的因素，瞬态面波法能较好地查清上述问题，并能部分代替钻孔及原位测试，满足岩溶塌陷地质灾害快速勘查的需要，并能减少勘查成本。

（4）地质雷达是地球物理勘查的新方法、新技术，勘查速度快、分辨率高，土洞、岩溶在地质雷达剖面有强的绕射和散射波形，边界出现异常波和正常波同相轴相切的特征。建筑物下隐伏浅部土洞对建筑物危害极大，查清建筑物下隐伏浅部土洞对于评价和预测岩溶地质质灾害对现有建筑物的影响有着决定性的作用。使用地质雷达（250MHz屏蔽天线）在已有建筑物内部或旁测查清隐伏土洞取得了较好的效果，这是其它勘察方法难以达到的。