高密度电法与3D溶洞激光扫描在输电线路塔基岩溶探测中的应用效果分析

王永刚　易贤龙

摘 要：高密度电法是探测岩溶空间分布的方法之一，但是受体积效应影响，其异常反应与真实地质情况存在偏差。而3D溶洞激光扫描技术解决了岩溶空间信息获取的难题，有效提高了岩溶定量化解释的精度。采用高密度电法与3D溶洞激光扫描技术对P18输电塔位底部岩溶进行联合探测，精确查明了塔位岩溶空间分布信息：其桩孔底部溶洞高约1.2 m，顶部及底部埋深分别为9 m、10.2 m，最小、最大直径分别为0.57 m、1.04 m，为设计人员处理岩溶问题提供了更精确的岩溶空间信息。

关键词：高密度电法；3D溶洞激光扫描；岩溶探测；岩溶空间信息；岩溶处理

Application of high-density resistivity method and 3D laser scanning in Karst cave investigation of transmission line tower bases

WANG Yonggang， YI Xianlong

（PowerChina Guizhou Electric Power Design & Research Institute Corporation Limited， Guiyang 550081， Guizhou， China）

Abstract： The high-density resistivity method is one of the effective methods to characterize the spatial distribution of Karst caves but there is still a certain deviation between the abnormal response and the real geological situation due to the volume effect of resistivity. However， 3D Karst cave laser scanning technology directly solves the problem of Karst spatial information acquisition and effectively improves the accuracy of Karst quantitative interpretation. In this paper， the high-density resistivity method and 3D Karst cave laser scanning technology were used to jointly detect the Karst cave at the bottom of tower P18 and accurately identify the spatial distribution information of the Karst cave： the Karst cave at the bottom of the pile hole is about 1.2 m in height， its buried depth at the top and bottom is 9 m and 10.2 m respectively， and the minimum and maximum diameters are 0.57 m and 1.04 m respectively. These data provide accurate karst spatial information for designers to deal with Karst problems.

Keywords： high-density resistivity method; 3D karst cave laser scanning; karst investigation; karst spatial information; karst treatment

隨着电力建设的迅速发展以及土地资源的制约，输电线路走廊资源越来越紧缺，导致许多输电线路将不可避免地穿越地下水较丰富与岩溶强烈发育等地质条件极为复杂的区域，因此，在这些区域进行塔基勘察定位时，需要提高输电线路地质勘察精度，精确探测塔基岩溶发育规模则是地质工作中的重中之重（李伟强等，2009）。

目前，在针对岩溶探测的众多方法中，应用较广泛的有地质雷达（Mellett，1995；刘小东等，2013）、瞬变电磁法（王银等，2017；王康东，2019；万小乐，2022）、浅层地震方法（汪兴旺等，2008；郑立宁等，2011）、高密度电法（Amini et al.，2016；周文龙等，2016；吴亚楠，2018；马吉静，2019；贺桂有等，2019；吕明等，2020；孙茂锐等，2021）等，但是每种方法均存在一定的局限。地质雷达虽能清晰反映岩溶顶部轮廓特征，分辨率高，但对于覆盖层较厚的区域或填充型岩溶，电磁波衰减严重，未能有效刻画岩溶发育规模，且其探测深度较小，受地表地质条件影响较大。瞬变电磁法由于浅层存在一定的探测盲区，对于浅层岩溶裂隙，溶蚀沟槽等分辨能力较差。而浅层地震波法由于山区复杂地形地质条件的限制，其耦合性很差，工作效率相对较低且费用较高，因此对于塔基岩溶探测受到一定的限制。高密度电法对空洞型岩溶及填充型岩溶的勘探效果较好，分辨率及勘探效率相对较高，且受地形影响相对较小，是塔基岩溶探测的有效方法，但是由于电阻率的体积效应，其异常反应与真实地质情况解释仍存在一定偏差（雷旭友等，2009）。

针对工程中复杂的岩溶难题，即使最为直接的钻探手段也有“一孔之见”及一定的误判率等局限（王达等，2016）。目前采用综合的物探技术结合钻探手段是岩溶探测的首选方法（刘伟等，2014；王长风，2019），通过不同物探方法的相互印证让岩溶得以更进一步的精确刻画，但各种物探方法均是间接探测，对于精确刻画仍存在较大的误差。因此，如何快速有效使得探测结果与真实岩溶地质更接近，一直是工程领域技术人员追求的目标。近年来随着三维激光扫描技术在空间信息获取方面的飞速发展，使得其在地质灾害调查、地下空间可视化研究方面得到广泛应用（谢雄耀等，2016；黄启帆，2019；朱杭琦等，2022），而在岩溶探测方面的研究相对较少（王景阳等，2011）。因此，本文结合高密度电法与3D溶洞激光扫描技术，将其应用在输电线路塔基底部隐伏岩溶探测，查明塔基底部隐伏岩溶的空间分布，为设计人员提供更精确的岩溶空间数据，从而给岩溶处理提供更经济有效的处理方案。

1  研究区地质特征

受输电线路通道的限制，某拟建线路部分塔位处于公路绿化带内，该区域位于构造变形区北东向构造带西南翼，地貌类型为岩溶谷地残丘地貌区，地势低洼平缓，地下水埋藏较浅。根据钻孔资料，研究区出露的地层岩性主要为素填土（Q4ml）、三叠系（T2 g）白云岩，如图1所示。上覆第四系素填土主要成分为黏土、中风化白云岩碎石、块石，粒径5.0～200.0 mm，碎石含量占40%～50%，级配一般，均匀性一般，为公路路堤填修筑时回填，回填时间约3 a，厚度4～5 m。下伏基岩为三叠系中统关岭组白云岩，中厚层状，细晶质结构，钙质胶结，表层呈强—中风化状。节理裂隙较发育，宽0.1～5.0 mm，方解石脉充填，岩体较破碎，岩溶中等发育，主要发育溶蚀沟槽、溶蚀裂隙、小型岩溶等，由于受到地下水的影响，各塔基底部岩溶无法直接查明。

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、碎石时，覆盖层会出现局部电阻率变大的异常现象。而可溶性岩石（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，场地岩溶相关介质的电性参数范围详见表1，根据各介质参数的电阻率差异，为岩溶探测提供了良好的电性前提。

2  方法原理

2.1  高密度电法

高密度电法的技术原理（图2）与常规电阻率法基本一致，仍然是以地下岩土导电性差异为基础，它通过供电电极A、B向地下供电流I，然后在测量电极M、N间测量电位差ΔV，从而可求得该点（MN中点）的视电阻率值。根据实测的视电阻率剖面进行分析与反演，便可获得地下地层中的电阻率分布情况，从而可以用于划分地层、判定异常等（刘国兴，2005）。

通常情况下，岩溶介质与围岩的电性差异较大，因此在浅层物探方法中，高密度电法是有效提供岩溶空间分布信息的方法之一，其对于空洞型岩溶及填充型岩溶的勘探效果较好，分辨率及勘探效率较高，且受地形影响相对较小（底青云等，2003；Redhaounia et al.，2016），是塔基岩溶探测的有效方法。

2.2  3D溶洞激光扫描

3D溶洞激光扫描是一种采用相位激光测距的原理进行空间三维激光扫描，结合先进的软件图像处理技术，能精准地刻画出目标体的规模、大小等详细信息的技术手段（许新国等，2014）。目前被广泛应用于地下溶洞、各种采空区、孔径测量及地下管道、水流暗道的探测與查找，尤其在工程地质问题中的岩溶及采空区探测效果非常精确，其能够准确定位溶洞及采空区所在地层的位置、发育规模、形状大小等详细数据。在不同深度进行水平扫描探测，可采集不同深度岩溶规模信息，通过4D成图软件将扫描点云准确还原成真实地下溶洞及采空区的模拟图，并能准确计算其体积，定量化解释精度高，更直观地解决了地质人员在勘探中无法判断地下溶洞采空区的方位与部位的形状和大小等难题，为处理岩溶及采空区引起的工程地质问题提供了可靠的资料。

3  资料分析解释

尽管施工图勘察阶段已采取了多种勘探手段探测塔基底部隐伏岩溶的发育情况，但由于地下水较丰富且埋藏较浅，致使研究区隐伏岩溶问题极其复杂，受地形地质条件及单一探测方法缺陷等条件限制仍未能精确查明塔位底部岩溶空间分布信息，从而在桩孔开挖时，底部侧壁发现大小不等的溶洞。受地下水的影响及溶洞开孔较小，无法直接查明侧壁或底部岩溶空间分布信息。因此本次研究将高密度电法与3D溶洞激光扫描技术相结合，利用高密度电法对岩溶刻画的优势及3D溶洞激光扫描技术定量化解释的优势相互补充印证，为设计人员提供更精确的岩溶空间数据。

根据研究区地质地球物理特征，并结合高密度电阻率反演结果、3D溶洞激光扫描成果，遵循“由点及线、从已知到未知、从简单到复杂、从二维到三维”的原则对场地视电阻率反演断面资料进行推断解释，其中高密度电法反演采用最小二乘反演方法，其处理解释流程如图3所示。

3.1  视电阻率剖面

为了研究两种方法的技术优势，选取P18号塔位进行研究，其中P18号塔位L2-L2测线沿线路前进方向横跨桩孔，从其反演结果可明显看出，测线里程小号侧即P18号塔位东侧，从实测视电阻率及反演视电阻率剖面上均表现为低阻形态，由此推断P18号塔位东侧水力联系更紧密，基岩裂隙贯通程度较好。

另外从塔位附近实测视电阻率剖面及二维反演电阻率剖面可看出，塔位桩孔东侧视电阻率呈现低阻圈闭状态，推断为桩底侧壁充水溶洞所致，溶洞顶部埋深约8 m，底部埋深约10.5 m，高约2 m，宽约3.5 m（如图4红色虚线所示），而桩孔设计深度底部则表现为高阻形态，由此可推断P18号塔位侧壁溶洞未沿桩孔底部发育，主要发育方向为桩孔侧壁东侧。由于地下水较丰富，受地下水及高密度电法上部低阻产生的体积效应影响，其反演推断结果可能大于真实岩溶规模，下文将借助3D溶洞激光扫描技术定量化的优势进一步确定该岩溶空间信息。

3.2  岩溶空间扫描

根据高密度电法反演结果，P18塔位桩孔底部溶洞位于桩底侧壁东部。开挖及水磨钻钻进情况揭示，溶洞开口直径约20 cm，桩径1.6 m，已开挖至设计深度8.8 m，桩孔内水位距离地面孔口深度约2.9 m。由于水质浑浊，加上存在5.9 m的静水位高度，导致技术人员无法直接查明底部溶洞规模大小。借助水磨钻钻孔，将3D溶洞激光扫描仪的激光探头慢慢从桩底洞口方位下放，从9.0 m位置开始计数扫描，每间隔0.2 m待溶洞扫描图像稳定时保存一次扫描数据，直至10.2 m探头无法下放为止，共保存7组溶洞平面扫描数据，经过4D成图软件将扫描水平切片数据还原为地下真实溶洞三维空间（图5），其中部分水平切片数据如图6所示。根据3D溶洞激光扫描结果，在激光探头有效下放范围内，P18塔位桩孔底部溶洞高约1.2 m，顶部深度约9 m，底部深度约10.2 m，最小直径宽约0.57 m，最大直径宽约1.04 m，溶洞空腔体积约0.22 m3，未沿桩孔底部发育，与高密度电法反演电阻率结果圈定的异常相吻合，定量化解释精度更高。但仪器探头在下放至岩溶底部时可能会受局部遮挡物阻碍无法下放至溶洞底部，无法查明底部是否存在岩溶。

3.3  综合地质剖面

根据高密度电法反演电阻率结果与3D溶洞激光扫描结果综合判定，塔位东侧水力联系更紧密，基岩裂隙贯通程度较好；桩孔底部溶洞高约1.2 m，顶部深度约9 m，底部深度约10.2 m，最小直径宽约0.57 m，最大直径宽约1.04 m，未沿桩孔底部发育。桩底不同深度岩溶扫描平面图及沿其发育最大方位地质剖面图见图7，后经施工单位施工开挖验证，桩底钎探5 m内未见岩溶，桩孔侧壁岩溶与物探解释结果相吻合。

4  结论

1）通过高密度电法与3D溶洞激光扫描技术的相互印证，精确查明了塔基底部岩溶空间分布信息：塔位东侧水力联系更紧密，基岩裂隙贯通程度较好；桩孔底部溶洞高约1.2 m，顶部深度约9 m，底部深度约10.2 m，最小直径宽约0.57 m，最大直径宽约1.04 m。

2）3D溶洞激光扫描技术解决了特殊岩溶地质条件（含水岩溶、危险性较大的岩溶）下的岩溶空间信息获取困难的难题，与其他物探方法相结合更进一步提升岩溶定量化解释的精度。为设计人员提供了更精确的岩溶空间信息，从而给经济有效的岩溶处理方案提供了精确的数据支撑。

3）3D溶洞激光扫描仪器探头在下放至岩溶底部时可能会受局部遮挡物阻碍无法下放至溶洞底部，无法查明底部是否存在岩溶，但是根据高密度反演电阻率结果显示，塔位10.5 m底部呈现高阻，为相对完整的基岩，溶洞未沿桩孔底部发育。

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收稿日期：2023-02-08；修回日期：2023-03-14

基金项目：基于地层特征的电力铁塔斜坡稳定性影响因子分析和三维信息技术研究项目（GZEDKJ-2020-07）资助

第一作者简介：王永刚（1989- ），男，硕士，工程师，主要从事岩土工程勘察及地球物理勘探工作。E-mail：ygwang_paper@163.com

引用格式：王永刚，易贤龙，2023.高密度电法与3D溶洞激光扫描在输电线路塔基岩溶探测中的应用效果分析［J］.城市地质，18（3）：89-95