武广高铁路基岩溶电测深反射系数法勘探应用研究

2014-07-25崔德海

铁道勘察 2014年5期

关键词：反射系数覆盖层溶洞

崔德海

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

武广高铁路基岩溶电测深反射系数法勘探应用研究

崔德海

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

介绍电测深反射系数法的应用原理。通过对武广高铁路基岩溶勘探的野外工作实践，选出具有代表性的电测深曲线来论述电测深反射系数分析法的实际应用效果，认为利用反射系数法解释电测深曲线，能突出弱异常，取得较好的勘探效果。

电测深反射系数路基岩溶

武广高铁为我国第一条设计时速350 km的高速铁路客运专线，由于线路较长，需要跨越许多不良地质路基段。如DK1631+400～DK1637+450段，通过前期地质测绘全部为岩溶路基，岩溶极度发育。为达到高速铁路建设标准，确保安全运营，需要彻底查清不良路基岩溶发育情况。在路基岩溶勘探中的初勘阶段，电测深法无疑是探测地下岩溶的有效方法，但单纯使用对称四极或三极电测深法，虽然在某些地段取得一定的效果，但在对其视电阻率ρs曲线进行解释时，由于地形地质条件、覆盖层厚的影响，一些规模不大但危害不能忽视的岩溶空洞或溶洞及其充填物所引起的视电阻率异常较弱，在电测深曲线上反映不明显，通过数据处理、解释过程中可能将其圆滑或忽略掉，造成解释失误。这种情况在初勘期间出现得比较多，反映情况为：从实测曲线上基本看不到异常，或异常相当微弱，但在钻孔揭示的实际地层中岩溶相当发育，特别是在武广高铁的第一测段(乌龙泉-蒲圻)、第六测段(耒阳-韶关)都有类似的情况反映，其他段内因为钻孔资料没有收集，情况不明。

为了突出异常，采用反射系数电法勘探(也称K剖面法)可以取得较好的结果，前人也曾经使用K剖面法非常成功地判断岩溶发育的实际情况，使用视电阻率ρz做出的电阻率断面图，真实反映了实际的地质情况。

1 反射系数K法的基本原理及其优越性

关于反射系数法的理论最早在上世纪60年代末由我国长办物探水声组孙经荣同志提出。

基于波动方程

(1)

(2)

式中，U为电位。

解上式，可得对称四极装置半空间二层结构条件下的解为

(3)

式中：ρs为视电阻率；ρ1为第一层电阻率；ρ2为第二层电阻率；λ=AO/h为极距深度比；AO为供电极距；h为第一层深度；K12=(ρ2-ρ1)/ (ρ2+ρ1)为反射系数。

通过(3)式对λ微分，得到

(4)

对于ρ2>ρ1时，曲线(双对数坐标中)，一次微分在λ=2.0～λ=3+0.16[(1+K12)/(1-K12)]段获得极值，且有

(5)

当ρ2<ρ1时，采用负值校正后，亦可以获得上升ξ曲线一致的结果。故定义斜率K

(6)

由此，将ξ曲线的斜率与反射系数K12联系起来，且可由已知斜率求得反射系数K12，从而让原斜率的意义发生了质的变化，奠定了反射系数法的基础，也为实际问题的资料解释开辟了一条新的捷径。

在实际应用中，可用下式差分形式代替微分形式，从野外视电阻率曲线中求得K

(7)

当K为负数(即ρn<ρ(n-1))时，需要进行校正

(8)

引入视真电阻率ρz，通过换算，可以获得与真电阻率相接近的似真电阻率ρz，ρz可由下式求得

(9)

视真电阻率ρz与真电阻率极为相似，在一定厚度下(h1>h2)可以替代层电阻率。因此，在野外勘探中，ρz剖面图与地质剖面极为相似，常用于提供半定量的解释资料。

综上所述可见，反射系数K法是对实测的电测深ρs曲线进行一阶微分处理，亦即进行一次高通滤波，反映了ρs沿AO方向的梯度变化，可放大、突出局部异常，压制低频背景异常。利用K曲线特征点对应的横坐标(AB/2)与层参数之间的关系，从而进行反问题的解释，数据处理后的电测深曲线，能较明显地反映出地下溶洞的存在。

2 反射系数K法应用实例

由(7)、(8)、(9)式可以看出，K、ρz手工实现较为困难，笔者结合前人研究成果，编制了电测深反射系数法数据处理解释软件，可实时进行数据处理解释及AUTOCAD自动化成图，实现了对既有电测深资料进行反射系数法的应用效果研究。

2.1 电测深H形曲线异常

电测深ρs曲线的类型反映了地电断面的性质，通过类型图的分布和变化，可以了解地下介质的电性结构。由于溶洞的规模和埋深变化复杂，从而会与起ρs曲线类型的变化不明显甚至较复杂。因此，单纯依靠ρs曲线类型的变化来发现地下溶洞的存在有时是十分困难的，如图1、图2分别为某电测深点的视电阻率曲线及反射系数曲线，钻孔资料显示在埋深7.5～13 m处存在充填型溶洞发育。图1中ρs曲线为H形，粗看难以从曲线上判溶洞异常反应，反射系数Ks曲线(图2)中则可较明显地看出，AB/2极距约为8～10 m左右的下凹部分放大了ρs曲线上的岩溶异常，与钻探结果对应性良好。

图1 H形视电阻率曲线

图2 H形视反射系数Ks曲线

图3 KH形ρs曲线与Ks曲线对比

2.2 电测深KH形曲线异常

如图3为某岩溶地层一个电测深点的ρs曲线与反射系数曲线对比分析图，图中ρs曲线呈比较明显的KH形，K形部分稍弱，若进行数值圆滑处理时很容易被圆滑成G形曲线，在曲线上浅部仅在AB/2=4.5 m处向上微凸，而中部则在AB/2=10 m处就开始以45°渐近线上升，表明覆盖层比较浅，基岩埋深不大，从曲线特征上还是可以分析出该点下面有溶洞存在的可能。K形部分的ρs曲线幅值宽度比较宽，但下凹的幅度并不太大，表明引起该溶洞异常的顶板埋藏较浅，且H形部分的ρs曲线幅值宽度也比较大，但下凹的幅度也不大，说明溶洞的发育规模可能较小，其中的充填物没有引起明显的低阻异常。而在反射系数Ks曲线上，ρs曲线弱异常地段同样对应地存在着明显的K值异常，只是K值异常幅度较之ρs曲线异常反应剧烈得多，即放大了原来的ρs异常。且该Ks值异常的特点较之图2而言表现为梯度大，范围稍宽，呈渐变状。实质反映出岩溶顶板与覆盖层之间及溶洞填充物之间的电流反射变化的关系。最后经钻孔验证揭示，该点地下8 m钻见溶洞，覆盖层厚5 m，溶洞顶板仅3 m左右。

图4为一段岩溶路基的ρs剖面及Ks剖面的等值线色块图，从ρs剖面的分布规律仅能大致反映出浅部浮土覆盖层剖面的电性变化，而未能把溶洞所在部位的局部高低、阻ρs异常体现出来，而从Ks剖面图来看，其等值线分布规律无疑突出了溶洞引起的局部异常，使得溶洞的分布范围在K等值线断面图上直接表现出来，并有很好的形态相似性。