综合物探方法在鹤辉高速公路溶洞勘查中的应用

潘纪顺, 连光明, 冷元宝,2, 寇正卫, 闫永帅, 宋朝阳, 朱　瑞

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003;

3.河南省煤田地质局资源环境调查中心,河南 郑州 450053)



综合物探方法在鹤辉高速公路溶洞勘查中的应用

潘纪顺1, 连光明1, 冷元宝1,2, 寇正卫3, 闫永帅1, 宋朝阳1, 朱瑞1

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003;

3.河南省煤田地质局资源环境调查中心,河南 郑州 450053)

摘要：岩溶溶洞具有隐蔽性和不确定性,对高速公路建设会造成重大的安全隐患.应用综合物探方法对溶洞进行勘查,查明其赋存状态,以消除公路安全隐患.高密度电阻率法可以快速、准确地提供测区电阻率断面图,在探测溶洞的位置、大小和埋深等方面取得了很好的效果,但是其探测深度较浅;瞬变电磁法则显现出高分辨率、快捷、大探测深度、小探测盲区、对水的赋存状态反应敏锐等特点.综合应用高密度电阻率法和瞬变电磁法对鹤辉高速K53+557 m处溶洞进行勘查,通过对勘查结果的综合分析,共圈出3处浅部异常区和6处深部异常区,圈定了溶洞的位置,并确定了其不同埋深.探测结果与后期钻探反馈结果基本吻合,说明综合两种物探方法在勘查溶洞方面具有可行性和有效性,可为后期公路施工提供可靠的依据.

关键词：高密度电阻率法;瞬变电磁法(TEM);溶洞;综合物探方法

石灰岩为可溶性碳酸盐岩,其主要成分是碳酸钙,在水的化学反应和物理机械作用下,易形成岩溶等不良地质体.而高速公路建设中[1-2],软土地基、破坏性岩溶是常见的不良地质体，岩溶塌陷给高速公路工程建设造成重大的安全隐患.岩溶溶洞具有隐蔽性和不确定性,通过钻探进行勘查,不仅成本极高、效率低、局限性大、盲目性大,而且也难以调查出来溶洞的大小、规模、分布范围.工程物探方法是调查岩溶的重要手段,可以弥补钻探的这些不足.

国内外有关资料表明,勘查溶洞采取以物探为主,钻探验证的方法.目前，主要的勘查方法有：地震映像法、地震反射波法、电磁波CT、高密度电阻率法、地质雷达法、瞬变电磁法等.近年来高密度电阻率法在勘查溶洞方面应用广泛[3-6],它具有施工快捷、分辨率高、数据量大、图像直观、可靠等优点,但是其探测深度相对较浅,对地形要求高.高密度电阻率法在勘查岩溶方面是可行的,能较准确地反映基岩埋深并能较直观地反映岩溶、断裂等地下电性异常体的形态,却难以完全查明勘察区工程地质情况和不良地质现象.瞬变电磁法在勘查溶洞方面也取得了很多的成果[7-10],瞬变电磁法探测成本较低,受地形影响小、工作效率高、对水的赋存状态反应敏锐、能穿透高阻覆盖层等.瞬变电磁法在勘查溶洞方面应用效果很好,具有良好的应用前景.由于物探技术本身的特点所限,单个方法也存在一定的局限性,如果综合两种及两种以上的方法进行勘查,可相互印证,相互补充,降低结果解释的多解性造成的误差,增加解释的准确性.笔者以鹤辉高速K53+557 m处公路溶洞勘查为例,阐述综合瞬变电磁法和高密度电阻率法两种物探方法在溶洞勘查中的应用,分析溶洞在视电阻率图上的响应特征,查明溶洞的位置及埋深等.

1工程概况

鹤辉高速东起鹤壁市淇县高村镇东南,连接京珠高速,止于新乡市辉县西平罗乡西南,接拟建的新乡至晋城高速公路.中城北方交建鹤辉高速项目部施工至K53+557 m处,在高速公路右线匝道路基内发现一直径约1 m的溶洞口,溶洞埋深和地下大小范围不详,给道路建设的现场施工带来很大的影响.需要准确找出溶洞的埋深和地下大小范围以及已知溶洞附近的地下不良地质体,为治理方案提供依据.

2工程物探方法

物探方法是利用目标体与围岩之间的物性差异,通过探测地下物理场,分析其变化规律,找出异常体.

2.1　高密度电阻率法

从20世纪80年代引入中国的高密度电阻率法,因其自动化程度高、速度快、成本低、效果好等特点,且拥有电测深法和电剖面法的特征,在近些年得到了快速发展.与常规电法的基本原理完全相同,它们都是以地下介质体的电性不同为根据来解决地质问题的一种物探方法.通过多种形式的电极排列得到电流与电位差值,进而可以得到地下介质体的不同视电阻率值.根据地下介质体视电阻率值的分布规律,就可以推测地下目标体存在的地质问题.

此次采用了温纳α装置探测溶洞的埋深及走向,该装置适用于固定断面扫描测量,电极排列如图1所示.测量时,AM=MN=NB为1个电极间距,A,B,M,N逐点同时向右移动,得到第一条剖面线;接着AM,MN,NB增大1个电极间距,A,B,M,N逐点同时向右移动,得到另一条剖面线;这样不断扫描测量下去,得到倒梯形断面[11].

图1　温纳α装置电极示意图

2.2　瞬变电磁法

瞬变电磁法(TEM)是近些年快速发展起来的时间域电磁感应方法.其探测原理是:在发送回线上供一个电流脉冲方波,在方波后沿下降的瞬间,产生向回线法线方向传播的一次磁场,在一次磁场的激励下,地质体将产生涡流,其大小取决于地质体的导电程度,在一次场消失后,该涡流不会立即消失,它将有一个过渡(衰减)过程.该过渡过程又产生衰减的二次磁场向下传播,由接收回线接收二次磁场,该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况.按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t),就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线.如果没有良导体存在,将观测到快速衰减的过渡过程;当存在良导体时,由于电源切断的一瞬间,在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断,所观测到的过渡过程衰变速度将变慢,从而发现导体的存在[12-13].

3测线、测点布设

根据地质任务、场地及周边地形情况确定测线、测点的布设,如图2所示.测区东西两侧分别是耕地,北侧是开挖山体,南侧是高速公路.根据勘查任务、地质条件等布设测线.高密度电阻率法测线共3条,分别是GL1,GL2,GL3.测线GL1电极距2.5 m,剖面长度277.5 m,127.5 m桩号点距离洞口1.5 m.GL2测线电极距5.0 m,剖面长度395.0 m,190.0 m桩号点距溶洞口13.5 m.GL3测线电极距5.0 m,剖面长度395.0 m,190.0 m桩号点距溶洞口25.5 m.瞬变电磁法测线共2条,分别是SL1和SL2.SL1测线点长395.0 m,点距 5.0 m,与测线GL1重合.SL2测线点长395.0 m,点距5.0 m,与测线GL3重合.洞口位于测线55.0 m桩号处.

图2　测线布置示意图

4成果资料解析

通过对视电阻率断面图的分析,推断地下岩溶溶洞的情况.图中横坐标代表测线长度,纵坐标代表深度,颜色由蓝到红渐变,表示视电阻率值由低到高的变化.

4.1　高密度电阻率法成果资料解析

用瑞典Res2Dinv高密度处理软件,拟合迭代次数3~5 次,误差5%左右,成果图采用surfer软件进行处理.

4.1.1测线GL1

测线GL1的视电阻率断面图如图3所示,图中标定异常区域.测线两端视电阻率值与第四系土层的电阻率响应特征表现吻合.而现场记录表明此两处地表为第四系土层较厚的农田.GL1测线127.5 m(距洞口1.5 m),在测线水平方向130～135 m,地下深度15 m处,有一处明显高阻异常,推测为溶洞导致的视电阻率异常.在测线水平方向80～120 m与190～230 m处显示表层高阻异常,等值线杂乱,现场记录此两处地表基岩出露,地表存在夹砂、泥岩，碎石较多，导致接地电阻过高，通过加土浇水，无法消除.

图3　GL1视电阻率断面图

4.1.2测线GL2

GL2测线的视电阻率断面图如图4所示,图中标定异常区域.根据测线GL2断面图的分析,排除农田和接地问题造成的异常.由图可以看出:洞口正南方向对应GL2测线190 m处,在测线水平方向225～235 m,地下深度22 m处,呈现高阻异常,可推测为溶洞.

图4　GL2视电阻率断面图

4.1.3测线GL3

受场地限制,GL3测线在0～115 m段无法铺设电极，故测线GL3与GL2在0～115 m处共线.由二者的视电阻率图比较得知,测量结果大致相同,仪器设置参数正确,采集数据有效.GL3电阻率断面图如图5所示,图中标定异常区域.由图5可看出:GL3测线190 m(距洞口25.5 m),在测线水平方向265～275 m,地下深度18 m处,有一高阻异常,可推测为溶洞.

图5　GL3视电阻率断面图

4.2　瞬变电磁法(TEM)成果资料解释

此次瞬变电磁探测采用重叠回线法,即发射线圈和接收线圈为同一线圈,测点为线圈中心点.仪器通过向发射线圈发送交变电流,利用接收线圈接收二次磁场信息,通过仪器处理,存储为计算机数据.分别在勘测线SL1和SL2上进行测量.

4.2.1测线SL1

SL1测线水平方向0～80 m,距高压线较近,受高压线影响较大,虽经多次滤波、压制干扰处理,还是不能完全消除影响.

图6为测线SL1的视电阻率断面图,图中标定异常区域.由图6可知：测线水平方向65 m位置,高阻异常,与高密度GL1测线水平方向130 m位置的异常相对应,地下深度18 m,推测为溶洞导致的视电阻率异常；水平方向100 m位置,地下深度22 m,高阻异常，推测为溶洞,低阻异常推测为潮湿充水的洞隙可能.

图6　瞬变电磁SL1测线视电阻率断面图

4.2.2测线 SL2

图7为测线SL2的视电阻率断面图,图中标定异常区域.SL2测线水平方向0～125 m,离高压线较远,不受干扰,25～140 m段低阻异常推测为潮湿充水的洞隙可能.由图7可知,高密度GL3测线270 m处出现的异常对应SL2线135 m处异常,但高阻异常不明显,可能是干扰所致.水平方向100 m位置,地下深度22 m,高阻异常推测为溶洞,低阻异常推测为潮湿充水的洞隙可能.

图7　瞬变电磁SL2测线视电阻率断面图

4.3　综合分析

高密度电阻率法控制深度为30 m,瞬变电磁法的控制深度为50 m,重合深度的异常点基本吻合.通过取得的资料进行综合分析,互为验证,初步圈定浅部探测异常区3处和深部探测异常区6处，如图3—7所示.其中:①QGY1，QGY2，QGY3 3处浅部高阻异常,异常区面积分别为44,110,270 m2,深度分别为地下3,4～9，3～10 m;②DY1,DY2,DY3 3处深部低阻异常区,异常区面积分别为514,833,436 m2,深度分别为地下10～20,10～20，15～25 m;③GY1,GY2,GY3 3处深部高阻异常区,异常区面积分别为621,745,471 m2,深度分别为地下10～20,15～25，10～30 m.

该物探结果与施工方后期的钻探反馈结果基本吻合.

5结语

1)高密度电阻率法对岩溶溶洞探测效果非常好,并且效果图很直观,易于观察和解释.瞬变电磁法(TEM)探测低阻体特别灵敏.但是单一的物探方法具有一定的局限性,将二者结合起来,相互补充、验证,能够减少单一物探方法成果资料解析的多解性和外界干扰造成的伪异常,提高探测的准确度.

2)圈定浅部探测异常区3处和深部探测异常区6处,圈定了溶洞的位置,并确定了其不同埋深.

3)检测结果和后期钻探结果基本吻合,证明综合这两种方法探测地下溶洞是有效的.

4)这两种物探数据的解释是按照各层位视电阻率值的相对大小来解释的,因此解释中会存在一定的误差.通过钻探和已知地质资料进行补充校正,能够更好地解决地下地质问题,为工程建设提供可靠的施工保障.

参考文献

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[13]方文藻.瞬变电磁测深法原理[M].西安:西北工业大学出版社,1993.

(责任编辑:乔翠平)

Application of Integrated Geophysical Survey Method in Karst Exploration in He-Hui Highway

PAN Jishun1, LIAN Guangming1, LENG Yuanbao1,2, KOU Zhengwei3, YAN Yongshuai1,

SONG Chaoyang1, ZHU Rui1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;

2.Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003, China; 3.Henan Provincial Coal Field

Geological Resources and Environment Research Center, Zhengzhou 450053, China)

Abstract:Karst caves with concealment and uncertainty, can cause major security hidden danger for highway construction. To eliminate security hidden dangers in highway, karst caves are detected with integrated geophysical survey method, and their occurrence states are found out. High-density resistivity method can provide electrical resistivity cross-section diagrams accurately and quickly, and has excellent effect in detecting the location, the size, and the depth of karst caves, but its detecting depth is shallower. Transient electromagnetic method has some characteristics, such as high resolution, high speed, big detecting depth, small detecting blind zone and keen sensitivity to water occurrence states. The karst caves in K53+557 m in He-Hui highway were detected by the combination method of high-density resistivity method and transient electromagnetic method, after comprehensively analyzing the detecting results, three outliers in the shallow positions and six outliers in the deep positions were discovered and circled, and the locations of karst caves were circled, and their depth was determined. The exploration results are consistent with the later drilling feedback results, which illustrates the combination scheme of two geophysical survey methods is feasible and effective to detect karst caves, and it provides some reliable basis for highway construction.

Keywords:high-density resistivity method; transient electromagnetic method; karst cave; integrated geophysical survey method

中图分类号：P631

文献标识码：B

文章编号：1002-5634(2015)02-0049-05

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.011

作者简介：潘纪顺(1968—),男,河南郑州人,教授,博士，主要从事地球物理勘探方面的研究.

基金项目:国家自然科学基金项目(41372260).

收稿日期:2014-11-24