贵州西南岩溶地质特征及常用勘察技术及应用

王忠波，吴波，李勇，袁晨瀚

贵州西南岩溶地质特征及常用勘察技术及应用

王忠波1，吴波1，李勇1，袁晨瀚2

（1.中国地质科学院探矿工艺研究所，成都 611734；2.成都理工大学，成都 610051）

岩溶地区的地质构造复杂，地下水文网错综复杂，对工程建设影响程度很大。本文对贵州西南某工程地段岩溶类型、特征以及易引发的环境地质问题进行了分析；介绍了5种常用的水工环境勘察技术（TEM技术、GPS技术、GPR技术、PTK技术、RS技术）及其在岩溶地区的综合应用。

岩溶地区；水工环地质勘察技术；应用；贵州西南

岩溶地区工程地质问题主要有渗漏、地基稳定性、地下洞室稳定和突然涌水三大类。这些不良地质灾害严重影响着工程安全，因此，在工程建设以前对拟建区进行水工环地质勘查意义重大。水工环地质勘查技术可以针对不同的地质环境，采取不同的勘查技术方法，目前，它不仅被广泛应用，还得到了国家和社会的认可。

图1 溶洞

1 研究区工程背景

贵州省盘县至兴义高速全长88.94km，位于贵州省西南部高原山区，属低中山倾蚀-剥蚀地貌，雨量充沛，根据本区气象站多年观测资料，年平均降水量为1 342mm，日最大降水量186.11mm。地层岩性主要以白云岩为主，节理裂隙发育，风化作用强烈，地下水多以岩溶裂隙水及岩溶管道水为主，水量受大气降水明显，岩体富水性不均一，雨季含水量变化更为明显。在施工该工程的过程中，其中的楼纳隧道在已施工段发现溶洞（图1），它存在于掌子面的左拱腰，并且向地表和开挖面右侧延伸，向地表延伸30m左右，受降水影响明显，TSP技术预测准确。

2 岩溶地区地质灾害

我国西南岩溶地区地质构造复杂，地貌类型多样，自然条件恶劣，环境脆弱，地质灾害频发。同时含水层富水性不均一且差异极大，水文水量随时间、季节变化大，地下水循环更替速度快，易引起自然或人为的岩溶塌陷，这些地质灾害往往可在短期内造成重大损失，因此，对岩溶塌陷的成因、机理及特征的认识需要不断深入，防范意识才能得以增强。

2.1 岩溶地质灾害机理特征

岩溶地区主要分布了白云岩和石灰岩，其主要成分均是CaCO3，它在纯水中的溶解度很低，在25°C的溶解度仅为14.2mg/L。但是，因为水中总含有溶解的CO2，CO2的含量能大大增加碳酸盐溶于水中的量。通过分析发现，岩溶作用发育程度强弱，主要取决于地下水中CO2含量。CO2主要来自大气、溶洞内空气、土壤空气，其中，土壤中的微生物通过生物化学作用使有机物分解为各种有机酸和产生大量CO2，使得土壤中的CO2含量大大超过了大气中含量，降水和地表水往往是通过土壤层入渗到灰岩后与碳酸盐岩发生作用，形成溶洞、暗河等，因此，土壤空气在水中CO2含量中起决定作用。

2.2 岩溶地区地质灾害类型

1）裸露型岩溶, 主要存在于碳酸盐岩和非可溶岩交互成层区和斜坡地带。这种类型的岩溶分布在大面积的峰丛洼地，无隔水层，岩溶水以地下河为主要类型，埋藏较深，地下水从层流逐渐变成紊流，易形成溶蚀管道，产生有压力的上升泉或无压力的下降泉，水文条件十分复杂，地下工程或人为排水疏干该地区的地下水，会给周边工农业和居民生活带来很大的问题。

2）覆盖型岩溶，这种类型地区的地下水位一般埋藏较浅且分布不均，如峰林平原区的地下水一般集中于地下暗河（溶洞或岩溶管道）。通过查找文献分析，该地区成井率低，取水难度大，同时，大量抽汲地下水会引起周边水文网络范围内的地面局部塌陷，带来不同程度的人员伤亡和经济损失。

3）埋藏型岩溶，主要存在于埋藏很深的地带，受区域构造控制，通常情况下，降水补给至深层承压水，加之深部岩浆活动产生的含有大量的CO2的热液上升到地壳表部进入到这种地带的碳酸盐区，通过混合溶蚀作用形成岩溶。修建地下工程时，工程量大，成本高，修建隧道疏干地下水，会引起大范围的岩溶泉干枯。

2.3 岩溶地区环境地质问题

岩溶区的平原与山区，一般地表都覆盖有厚薄不均的第四纪土层，土层下面的碳酸盐岩地层岩溶发育，地下水位随着降雨含量补给而变化。近年来气候异常，旱涝频发，对地质环境影响逐渐增强，随着我国经济建设的不断发展，各类工程建设活动对地质环境的扰动日益强烈，随之引发如岩溶塌陷、地表沉降、地下水位下降及泉水疏干等地质环境问题。

1）岩溶山区岩层多以软岩和硬质岩相间分布。造山运动使该区多呈高斜坡和深切河谷地形地貌，加之风化作用和岩溶作用的共同影响，岩层节理裂隙发育，原生结构面间的结合力弱，在自然和人类工程活动的影响下，引起高角度的硬质陡崖崩塌。由于贵州山区众多，该高速公路修建时必然要穿过多条隧道，且岩层多是软质和硬质岩层相间分布。当上层覆盖硬质岩层，下层为软弱岩层，岩层倾角平缓，当硬质岩层节理裂隙发育，透水性好，降水易入渗至下伏软弱岩层，由于其透水性差，遇水易软化，故而易产生塑性变形，导致上覆岩层沿临空方向卸荷松动变形，倾倒形成崩塌。随着时间推移，软弱岩层遭受风化剥蚀，在与硬质岩接触面间退化形成陡崖，致使上部岩层失去支撑，也可沿自身垂直软弱结构面向临空面产生卸荷掉块形成崩塌。这种地质灾害易造成房屋毁坏、耕地破坏、公路被毁、工业区埋没及人员伤亡等危害，这就要求对我们对易发地带加强水工环地质勘查，尽量减少此类地质灾害的发生。

2）岩溶渗漏是岩溶区最常见的工程地质灾害各地采用灌、铺、堵、截、围、喷、塞、引和排等多种方法对各种溶蚀渗漏通道的大范围内进行大规模的防渗处理，防止岩溶渗漏，确保工程建设稳步发展。产生岩溶渗漏需要具备的条件：①透水岩层，且地形地貌和地质构造的配合有利于透水岩层中的水体流动；②不具备地下水分水岭或地下水分水岭低于正常高水位；③有集中渗流的集中带。综上所述，在测绘过程中可以通过地形分水岭两侧有饱水带补给的泉和暗河分布来判断地下分水岭，也可以根据泉和暗河的出露高程及地下水的坡降，大致推断地下分水岭的位置及高程。因而在排除岩溶渗漏危害时能缩短勘查范围，节约时间。

3）地面沉降，不是岩溶地区特有的，但也在岩溶区时有发生。随着工程建设的发展，全国各地普遍存在地面沉降的问题。它主要类型有：①构造沉降，它是由地壳的构造运动和地面土壤的自然压实引起的；②抽水沉降，由于过量抽汲地下水，导致地表下降；③采空沉降，采掘地下固体或修建地下工程导致地表沉降。地面沉降不仅会毁坏建筑物和生产设施，而且不利于城市建设和资源开发。我们应该针对地面沉降的不同原因而采取相应的工程措施，如：人工回灌等。

3 水工环地质勘查技术

水工环地质勘查技术是为了保证人和自然和谐发展而逐渐兴起的，它在我国工程建设、勘探资源、查找地下水分布与规律等方面扮演着不可替代的作用，也促进了我国社会繁荣向前。目前，基于对勘查成果的施工验证，我国地质勘查经验逐渐积累，勘查技术的类型与用途多而不同。

3.1 水工环地质勘察技术类型与特点

1）TEM技术，主要原理是发射电磁波观察电磁波在传递过程中的变化，主要看是否存在涡流现象及其出现的次数和时间长短来推断。它主要对金属矿探敏感度强，当然，地下也存在电磁场，二者之间易产生烟圈效应，可以根据这个效应分析获取发射的瞬间磁场的变化规律，为我们在水工环地质勘查的研究提供相关的数据。这种技术主要应用在金属矿勘察中，在水工环地质勘测过程中，主要是采用垂直磁偶源和电偶源两种方法，其中前者应用更加广泛，尤其在陡峭地质中，能够有很高的敏感度，观测的精度非常高，地形影响和限制很小。

2）GPS技术，技术应用范围极广，不仅用来定位，还用来控点。对于水工环的应用，它具有卫星定位功能和转移信号发射点的功能，通过3颗以上的卫星定位出地面上的接收机的位置及坐标，接收机通过反复的接收卫星传来的信号，接收器将从卫星接收到的信号发送至无线接收设备，通过对信号的解析与处理等方法推算出WGS-84坐标，再对其进行有效转化和参数调节，从而得到勘查区测点的坐标。该技术在勘察过程中，首先在地形图上大致圈定范围，再通过对现场实际地形地貌进行定位和控点，最后，结合地质人员识别地层和分析岩层的性质的结果，绘制出勘察区实际的地形地貌情况。在植被较少的地带勘察时，成本少、时间短、精确度高以及影响较小，相反，在地表植被茂密地带，这种技术虽然也可应用，但精度较低、耗时长、成本昂贵。

图2 地质雷达地表勘察

图3 地质雷达掌子面探测

3）GPR技术，就是雷达探测技术（见图2、图3），它主要是利用电磁波在岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射脉冲波走时来进行探测的一种方法。其工作原理为高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接受天线所接收，具有高分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等特点。地质雷达探测技术是短距离勘察中精度和分辨率最高的物探手段。受地形地貌的影响，在地表勘察时，科学合理的选择一条或多条勘察线路尤为重要，这就要求技术人员对勘察区必须进行实地勘察，为了更好的确定地表下岩体情况，一般而言，对一条测线需要进行往返勘测，这样精度更高，但勘察深度不够；对于隧道掌子面而言，该技术主要对开挖面前方的岩溶、地下水、断层破碎带和节理密集带惊醒探测，由于每种介质的电性差异和介电常数的不同，会产生不同的电磁波，形成不同的相位、频率、振幅等。检测时采用剖面法，即发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的测量方式，高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质和几何形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，推测开挖面前方是否存在岩溶、断层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体，通常情况下，在掌子面布置两条测线，在围岩差的隧道，需要布置多条测线，预测精度会更高，但受锚杆、施工振动及测线部位的平整度的影响较大，应尽可能的减少噪音。

4）PTK技术，主要通过运用差分法来降低卫星传来的数据，以改正其中的误差和载波相位测量数据的误差，通常在降低误差方面都离不开基站和流动基站的配合。它的原理则是在基站旁放置一台接收设备，在流动基站附近设置多个接收设备，同时接收同一卫星发来的信号，将二者数据就行比对，找出其中差分，最后通过无线设备将信息传递给流动站，进而得到流动站的坐标位置。该技术多用于水利工程、环境污染及地质灾害的地方较广。该技术是GPS测量技术与数据传输技术的结合，是GPS技术的又一大突破，它是以载波相位观测量为根据的实时拆分GPS测量，它能够实时地提供测点在指定坐标系中的厘米级的三维定位结果，同时具有静态功能和动态功能两大功能，前者是通过接收到的卫星信息，确定地面所需要点的三维坐标；后者是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。这样就会使勘察区测量点的坐标和高程准确度更高，但这也受地表地形地貌的影响，尤其在植被茂盛区域影响严重。

5）RS技术，也称为遥感技术，主要用来资源地质勘探、地质勘探和自然灾害防治方面。随着计算机行业快速发展，遥感技术已经从单一波段走向多源遥感方向，并且在成像上和分辨率上都有很大的突破，它的巨大作用还需要我们进一步的挖掘。相比人工勘察或监测，该技术具有①获取资料快，可及时进行动态分析；②受地面条件限制少，避免人员伤亡；③获取信息量大；④探测范围大等不可替代的优势，但也有其局限性，在电磁波谱中仅反映地物从可见光到微波段电磁波谱的辐射特性，而不反映地物的其它波谱段特性，同时它主要反映是近地表的现象、区域和运动状态等，这与科学研究中不断向地下深处研究有一定的矛盾。因此，结合其它勘察技术应用发挥信息互补效应，才能更好的发挥遥感技术的作用和挖掘其更大的潜力。

3.2 水工环地质勘查技术在岩溶区的综合应用

通过对岩溶区工程实例研究发现，当在岩溶区修建工程时，主要会遇到断层、溶洞、富水带、裂隙密集带及岩性变化带等不良地质灾害，仅仅依靠物探手段是不行的，只有和钻探技术（如图4）结合起来，才能更好地查清地下地质构造和岩性等岩体性质，才可以提高勘查精度，精准预报岩溶区地质灾害。

由于钻探技术受地形地貌和温度压力等因素的影响，初期就进行该工作成效甚微。正常情况下，我们先可以用TEM技术和GPS技术进行普查，圈出灾害点或疑灾害点；再根据分析结果，采用钻探技术和GPR技术对疑灾害点进行准确勘探，前者受地形地貌影响严重，相比较而言，后者在钻探技术不允许的条件下优势明显，可以节约成本，耗时少，避免人员伤亡，但随着勘查深度的增加，GPR技术地勘探精度会不同程度地下降，此时，可以将GPR技术勘探结果与TEM技术勘探结果进行比对分析，效果明显，准确度高。考虑经济、时间和效率方面的因素，这三个方面应用较广，但在地形地貌复杂，地下水文网交错分布和存在特殊岩层的情况下，还需要采用弹性波反射法、电磁波反射法、高分辨直流电法等等技术，才能准确查清岩溶区地质特性。

4 结论

当前水工环地质勘查技术的应用，已经得到了国家和社会的广泛关注，水工环地质勘查技术有很多种，针对不同地质环境，需要采用不同的勘查技术方法，因地制宜，使人类和自然和谐共处。近年来，岩溶地区的工程建设在建设成本、时间及工程安全性等方面取得了巨大的进步，这离不开水工环地质勘查技术的广泛应用和这方面人才的创新开拓和不懈努力。因此，在保证人类生态环境和谐的情况下，环境保护和实际工作应该相互协调，只有这样才能更好的推动我国水工环地质勘查工作顺利发展。

图4 地质钻探过程

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Geological Features and Common Survey Techniques in Karst Region, Southwest Guizhou

WANG Zhong-bo1WU Bo1LI Yong1YUAN Chen-han2

(1-Institute of Exploration Technology, Chinese Academy of Geological Sciences; Chengdu 611743; 2- Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

Karst region is characterized by complicated geological structure and hydrographic net. This paper deals with karst types and their environment geological problems as well as corresponding survey technology application in a certain engineering section, southwest Guizhou.

karst region; survey technology; application; southwest Guizhou

2018-07-18

王忠波（1982-），男，满族，工程师，从事地质灾害勘查设计施工等工作

P642. 25

A

1006-0995（2019）02-0464-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.023