某高速公路段含炭质基岩区岩溶不良地质体高密度电法探测研究

徐蔓+王潇+廖鹏程

【摘 要】 高速公路建设和运营过程中岩溶不良地质体的危害很大。建设过程中常用的探测方法--高密度电法的工作原理是根据基岩的高阻与不良地质体的低阻，即两者的电阻率差异。研究区基岩因富含炭质而呈现低阻。本文研究发现可以通过低阻基岩中的“U”型相对高阻或封闭型异常来探测岩溶不良地质体，11个钻探试验孔表明钻孔遇洞率达54.5%，岩溶率为1.2～10.3%，表明方法是可行、可信的。

【关键词】高密度电法；炭质基岩；岩溶不良地质体；高速公路

引言

高速公路路基的稳定性直接受溶洞（土洞）、溶沟等岩溶不良地质体的影响，高速公路设计、施工中准确探测此类岩溶不良地质体空间分布位置及形态，是高速公路安全建设以及稳定运营的重要保证。

目前岩溶不良地质体探测常见方法有高密度电法、地质雷达法、浅层地震法等。高速公路建设中影响高速公路修筑质量的地层深度一般在10～15m以内，这一深度的探测是浅层地震法的盲区，空间尺寸小于5m的土洞探测效果不好；而浅层地质雷达法虽然能有效探测该深度以及小尺寸的土洞，但探测深度易受地表潮湿程度影响。高密度电法的物理前提是电性差异明显，并且已经有很多的成功的应用案例。但在应用中需注意该方法的缺陷：1）该法只对高阻中的低阻异常体敏感，而对低阻中的高阻异常体不敏感，因此，探测土层中的充泥（水）土洞以及基岩中充气土洞的探测效果均不好；2）探测深度和探测对象的直径比值的极限值约为5，即探测深度为10m的情况下，能被识别的最小土洞直径为2m。

根据上述各方法实际应用情况以及各自的优缺点，结合研究区典型炭质灰岩分布区的具体地质条件，本文选择高密度电法，对岩溶不良地质体开展研究工作。

一、高密度电法工作原理

高密度电法是以岩土体的电性差异为基础，根据施加电流作用下地层中传导电流的分布规律，推断地下电阻率异常体的空间赋存情况。测量结果可以表示成倒梯形或矩形的二维视电阻率断面，并根据实测的视电阻率剖面，进行计算、分析，获得地下地层中的电阻率分布情况，从而可以划分地层，判定异常等。

二、研究区地质条件及地球物理特性

研究区内属典型亚热带季风气候区，区内多年平均1804.92毫米，地貌以低山和平原为主。

（一）地质条件

区内出露地层自老到新有：寒武系杨柳岗组（ε2y）、华严寺组（ε3h），以及第四系（Q）。基岩为一套含泥质碳酸盐沉积，杨柳岗组以含碳质泥灰岩、含碳质白云质泥灰岩、白云质泥灰岩；华严寺组则为灰岩与泥质灰岩互层。第四系主要有残坡积、冲积物、局部有崩塌、滑坡等堆积物，岩性以粘土、细砂、砾石、碎石土为主。钻孔揭露地下水埋深一般在10m以内。

（二）地球物理特性

根据区域地质资料以及工程勘探钻孔资料，研究区内随炭、泥质含量增多，电性上表现为相对低电阻。常规高密度电法常利用岩溶溶洞与周围基岩的电性差异进行不良地质的探测。但考虑本区地下水埋深较浅，第四系岩性属于低阻岩层，溶洞或岩溶充水或土体填充后，也表现为低阻，和周围的含炭质基岩还能表现为一定的相对电性差异，因此可用此法对本区的地质不良体开展探测工作，但在解译过程中需有别于常规高密度电法的解译过程。

三、试验安排及数据获取

本次高密度电法，采用仪器采用WGMD-3高密度电法仪。该仪器各项性能指标满足规范要求，且智能程度较高，具有数据计算和储存功能，直接显示电阻率值。

根据1：2000设计线线路地形图结合现场线路中桩点采用GPS实地布设测线。原则上沿线位方向布置高密度度测线2条，适当布置横测线控制岩溶发育区或煤系地层区范围。

四、数据解译及分析

（一） 数据处理及反演

获取野外数据后，高密度电法资料处理工作首先绘制视电阻率等值线断面图，然后使用二维反演软件RES2DINV对数据进行反演拟合，并抽取单点测深曲线进行基岩深度反演，结合视电阻率等值线断面图进行地质解释，最终形成解释剖面。

（二） 解译标准

根据反演得到的典型视电阻率等值线图。可以发现剖面深部大部分测断视电阻率低于20Ω.m，表现为整体极低值，根据前述的岩性地球物理特性，这和本地基岩灰岩、泥灰岩含炭质有关。而当溶蚀/溶洞发育且充填松散介质时，充填物电阻率值一般大于100Ω.m，相对低阻基岩表现为局部相对高阻，因此可把“U”型相对高视电阻率等值线作为判识溶蚀发育的解译标志。

（三）不良地质体解译及验证

根据5.2建立的解译标准，发现研究区内公路K253+100-K254+000段左测线：K253+245～K253+260、K253+310～K253+328等；右测线：K253+235～K253+253、K253+312～K253+330段等下部基岩浅部均有相对高阻异常，推断为溶蚀发育充填相对高阻介质所致。

后期布置钻探验证孔不同程度揭露了溶洞的存在， 共布设11个钻孔，其中6个孔揭露溶洞，钻孔遇洞率54.5%，岩溶率1.2～10.3%，累计溶洞高度0.2～2.2m，埋深4.7～8.8m，大部分充填砂混粘性土、角砾粉质粘土等。根据K253+257m右线10m的钻孔柱状图，在孔深5.0～5.4m揭露溶洞。而在12.3～14.3m处揭露构造破碎带，岩芯破碎呈块状，碳质含量较高。这表明本次物探工作所取得的资料可靠， 推断成果可信度较高。

五、结论与建议

炭质基岩因为炭质含量高因此电阻率低，无法用常规的高密度电法来进行探测。但当灰岩中产生溶蚀现象或形成溶洞时，溶蚀区的物理性质与周围的完整基岩形成一定的差异，溶蚀规模越大、溶蚀区越浅，这种差异在物探测量时就表现得越明显。当基岩表现为高阻时，基岩浅部溶蚀发育并有充填介质时，通常表现为低阻“U”型或封闭型异常；而基岩含碳质表现为整体低阻时，基岩浅部溶蚀发育并有充填介质时，通常表现为相对主高阻“U”型或封闭型异常，这为用高密度电法探测低阻基岩地区的岩溶不良体提供基础，同时11个验证钻探孔54.5%的遇洞率，1.2～10.3%的岩溶率也证明本法的可行、可信。

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