高密度电法岩溶探测模型及其在变电工程中的应用

2021-07-21王永刚

地质学刊 2021年2期

江坤，王永刚

(中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州贵阳 550002)

0 引言

随着我国电力建设的发展，许多变电站站址将不可避免地建于岩溶极发育区域，导致塔位及站址的安全与可靠性问题日益突出(中国电力顾问集团，2007；李伟强等，2009；江兆云等，2010)。

地质钻探是岩溶探测最直接有效的手段，但钻探存在一定的缺陷，如“一孔之见”有一定的误判率等。另外，由于其成本费用较高、工期较长，只能在重要部位实施(王达等，2016)；在山地沟谷地貌进行输电线路塔基基础勘探设计时，由于山体陡峻，道路狭窄甚至无路，钻探机具运送极为困难，难以开展工作。最经济高效的手段当属间接探测的地球物理方法，应用比较广泛的有地质雷达(Mellett，1995；刘小东等，2013)、地震波法(汪兴旺等，2008)、高密度电法(底青云等，2003；Redhaounia et al., 2016)等。其中，高密度电法具有采集密度大、分辨率高、信息量丰富、探测结果准确可靠、受地形影响较小、实用性较强等优点，能清晰反映岩溶发育规模，因此被广泛应用于水文及工程地质勘察、考古、环保、地质灾害调查等领域(王仕鹏，2000；胡博等，2008；刘伟等，2014；郑智杰等，2015；Amini et al., 2016；周文龙等，2016；林希仲等，2018；吴亚楠，2018)。

为精确探测站址范围内岩溶的赋存形式、发育规模及位置，首先建立不同填充类型的岩溶数值模型，利用高密度电法进行正反演计算，总结分析不同类型岩溶的地电响应特征，为现场探测及分析、解释溶洞特征提供科学依据。然后结合实例，精细查明变电站范围内岩溶的发育位置及规模，为变电工程合理选址及基础深度设计提供可靠资料。

1 方法原理

高密度电法是在常规直流电阻率探测方法中发展起来的一种勘探方法，其高密度体现在：野外观测过程中，可一次性设置较多的测点，数据采集量大，工作效率高;一次布极可以完成纵向与横向二维勘探工作，既能反映地下某一深度沿水平方向岩土体的电性变化，又能提供地层岩性纵向电性变化情况，具备电剖面法和电测深法2种方法的综合探测能力(底青云等，2003；刘国兴，2005)。其原理见图1。

图1 高密度电阻率成像基本原理图A、B-供电电极；M、N-测量电极；O-测点；ΔV-测量电极间的电位差Fig. 1 Diagram of basic principle of high-density electric resistivity imaging(A and B are source electrodes, M and N are measuring electrodes, O is the measure point, ΔV is potential difference between M and N)

2 数值模拟

2.1 岩溶赋存形式及电性特征

岩溶的赋存形式主要有全充填、半充填和空洞3种形式(杨耀栋等，2010；周美霞，2012；袁伟等，2017；尚浩等，2019)，当地下隐伏岩溶全部被泥质或水填充，或未填充(即空洞)时，其地电断面简单，与围岩存在明显电性差异，物性参数反演特征明显因而较易被识别。但当其半充填，即溶洞底部被泥质或水填充而上部为空时，在泥质或水与空气交接处，参数反演特征受低阻的泥质或水、高阻的空洞及其不同充填程度的共同影响，电阻率反演成像模型的地电响应特征会出现一定的差异，由于围岩的不均匀性所形成的地质干扰，在实测及反演成像断面中很难判别充填程度，从而造成对地下溶洞探测的分析解释出现误判或漏判等现象，严重影响工程建设的开展。因此，在特定条件下，从理论上分析不同填充类型溶洞的电阻率成像反演特征有望解决这一复杂的岩溶地质问题，对工程实施有一定的指导意义。

2.2 模型建立

为了给现场探测分析与总结岩溶电性特征提供理论支撑，建立了3类5种不同填充类型的岩溶数值模型(表1)。数值模型中假设泥质或水的电阻率为20 Ω·m，围岩电阻率为600 Ω·m，空洞电阻率为2×104Ω·m；溶洞规模为宽10 m、高20 m，溶洞顶部距地表10 m。数据采集参数为电极60根，电极距为5 m。利用有限差分正演计算得到5个不同模型的电性分布，然后在此基础上利用Res2DINV反演软件进行反演，最后对5个模型的电阻率反演结果进行综合分析。

表1 不同填充类型溶洞模型Table 1 Karst cave model of different types of fillings

2.3 数值分析

图2—图6为不同填充程度溶洞的电阻率模型及其对应的二维电阻率反演断面图。根据5个模型反演计算得到的断面信息可知，模型反演断面图能清楚地反映溶洞的范围及不同填充类型的范围，异常体位置与模型模拟位置一一对应。未填充区与填充区电阻率差异明显，能够清晰判别。其中,图2b和图6b表明模型模拟只有单一异常体时，模拟溶洞的大小与反演断面异常体的大小基本一致，泥质或水与围岩、空气与围岩的分界线明显。当溶洞模型中泥质或水与空气并存时，泥质或水造成的低阻异常范围一般比真实地质体规模大(图3b、4b)，这主要是由电法体积效应造成，虽然反演断面上总体表现上部空气为高阻异常，下部泥质或水为低阻异常，这种反演特征可为半充填溶洞的电阻率反演及解释提供判别依据，但在实际资料解释中，低阻异常范围要比实际圈定的小；另外，从Mod2、Mod3、Mod4的反演断面可见，上部空洞即高阻部分的规模与位置在反演断面图上得到了清晰刻画，但上部空洞与下部填充的界线划分存在一定的偏差，且下部低阻填充部分的刻画误差相对单一异常体时较大，除了受低阻体积效应的影响，反演得到的剖面中低阻异常位置均整体下移，又因实践中各种复杂的地质条件及填充类型对电阻率反演的影响，所以在确定岩溶规模时需通过多种手段相互验证解释。

图2 Mod1电阻率模型(a)及其反演成像断面图(b)Fig. 2 Resistivity Mod1 (a) and its corresponding inversion imaging section (b)

图3 Mod2电阻率模型(a)及其反演成像断面图(b)Fig. 3 Resistivity Mod2 (a) and its corresponding inversion imaging section (b)

图4 Mod3电阻率模型(a)及其反演成像断面图(b)Fig. 4 Resistivity Mod3 (a) and its corresponding inversion imaging section (b)

图5 Mod4电阻率模型(a)及其反演成像断面图(b)Fig. 5 Resistivity Mod4 (a) and its corresponding inversion imaging section (b)

图6 Mod5电阻率模型(a)及其反演成像断面图(b)Fig. 6 Resistivity Mod5 (a) and its corresponding inversion imaging section (b)

3 工程应用

岩溶一直是变电工程建设中的地质难题，因此在设计阶段必须详查场地隐伏岩溶的发育情况，若存在规模较大的岩溶问题应及时反馈，为变电工程站址选择以及设计基础埋深提供准确资料，及时有效地避免或解决设计施工过程由于岩溶的存在造成的设计变更。因此，在岩溶地区建设变电工程，岩溶探测是重要的基础工作。

3.1 地质概况及电性特征分析

毕节某220 kV变电站站址位于构造剥蚀中低山山体斜坡部位。根据区域地质及钻探资料，场地岩层结构为：上覆盖层为第四系全新统残坡积粉质黏土，层厚约0.5～1.0 m；下伏基岩为中风化泥质灰岩，岩层产状为320°∠25°，局部基岩出露，站址区域岩溶强烈发育，可见溶蚀裂隙及溶槽宽0.2～0.8 m，长0.5～2.0 m。为查明站址内岩溶发育情况及断裂地段分布范围和发育情况，提供可靠的基础埋深数据，使用高密度电法对该站址进行岩溶探测。

岩溶地区第四系覆盖层一般表现为低阻特征，但若充填松散的块石、碎石，覆盖层会出现局部电阻率变大的异常现象。可溶性岩石(白云岩与灰岩)一般表现为中高阻特征，当岩溶存在时，与围岩相比，若有水或泥质填充，反演剖面上则表现为低阻特征；若无填充或碎石填充，则表现为高阻特征。根据以往工程经验及现场电阻率测试，站址区域岩溶相关介质的电阻率(表2)存在差异，为岩溶探测提供了良好的电性前提。通过以下几个实例，结合岩溶反演模拟特征及钻探结果，说明高密度电法探测岩溶在变电工程中的可靠性。

表2 岩溶相关介质电阻率参数Table 2 Electrical resistivity parameters of the karst related media

3.2 反演解释

站址范围长约200 m，宽约80 m，为有效查明站址内岩溶发育情况，共布置了8条测线，横测线间距为40 m，纵测线间距为50 m。图7为该站址W6纵测线视电阻率反演成像断面图，测线长50～130 m，对应站址边界。从图中可见，剖面浅部视电阻率为20～100 Ω·m，为粉质黏土层，层厚为1 m左右，剖面底部视电阻率较高者即为中风化泥质灰岩。

在W6纵测线剖面长度60 m位置底部、地面埋深约4 m存在一高阻异常圈闭(视电阻率约为4 000 Ω·m)，高阻异常底部为低阻异常圈闭(图7中黄色虚线所示)，结合岩溶Mod2、Mod3、Mod4模型的反演特征及实地地质调查，综合推测该异常为半填充型岩溶，即底部岩溶为黏土或水填充，上部未填充。另外，其反演视电阻率剖面中上部高阻异常范围相对下部低阻异常范围大，结合半填充型岩溶数值模拟反演特征(Mod2与Mod4)，由于体积效应的影响，下部低阻异常会造其范围扩大，因此综合推测该半填充型岩溶所呈现的地电响应特征是由于受到地质条件的影响。

图7 站址纵测线W6视电阻率反演成像断面图Fig. 7 Apparent resistivity inversion imaging section of the in-line W6 of the study site

测线中部90 m位置底部深度13～14 m位置存在一低阻异常圈闭(视电阻率为20～50 Ω·m)，结合岩溶Mod5模型的反演特征，综合推测该低阻异常为全填充型溶洞，溶洞高约6 m，宽约5 m。

测线长度120 m位置底部、深度4～5 m位置存在一高阻异常圈闭(视电阻率约为4 000 Ω·m)，结合岩溶Mod1模型的反演特征，综合推测该处溶洞为空洞型岩溶，溶洞高约3 m，宽约4 m。

针对W6纵测线3处异常区域进行钻孔验证(图8)。① 钻孔ZK-1结果显示，上覆粉质黏土厚1.5 m，溶洞顶部深度为3.9 m，3.9～4.5 m处出现掉钻现象，底部深度为5.5 m，为黏土半填充型岩溶，上部空洞小，下部填充范围大。② 钻孔ZK-2结果显示，上覆粉质黏土厚1.8 m，溶洞顶部深度为14.3 m，底部深度为18.6 m，黏土全填充。③ 钻孔ZK-3结果显示，上覆粉质黏土厚1.1 m，溶洞顶部深度为4.3 m，底部深度为6.5 m，为空洞未充填，钻孔结果与高密度电法资料解释推断基本吻合，进一步验证了该剖面解释成果的可靠性。