物探技术在场地岩溶勘察中的联合应用

物探技术在场地岩溶勘察中的联合应用内容提要：结合工程实例，联合应用瑞雷波、高密度映像和井间ct技术对建设场地扰动土体、岩溶、岩溶裂隙带分布及构造、第四系覆盖层厚度等进行勘察，查明了场地不良地质体分布情况，结果表明多种物探手段联合使用是一种高效的场地岩溶勘察方法。关键词：物探；岩溶；勘察0前言工程建设中时常遇到土洞、岩溶等不良地质情况，快速准确地查明不良地质分布状况是经常需要解决的问题。钻探手段速度慢、仅能提供点上的数据等特点决定了其在岩溶勘察中具有一定的局限性，物探技术速度快、造价低，能提供线面的数据，因此在场地岩溶勘察中应用广泛。每一种物探手段都有其适用性和局限性，都存在应用前提条件和多解性，测试者、环境和测试数据判读都会影响结果。采用多种物探手段互相佐证，能够有效快速地对场地进行勘察。本文利用粘性土、灰岩及岩溶裂隙带之间有较大的电阻率、弹性波速度和电磁波速度差异，采用瑞雷波法、高密度映像法和井间电磁波ct法相结合，对建设场地的扰动土体分布、岩溶分布、岩溶裂隙带分布及构造、第四系覆盖层厚度等进行了勘察，结果表明在场地岩溶勘察中多种物探技术联合使用是值得推广应用的一种方法。某工程位于城市中心区，场地第四系覆盖层厚度不均，下伏基岩为可溶性碳酸盐岩，地下水活动强烈，临近断裂带，场地具有岩溶地面塌陷发生的条件。为查明场地地下岩溶发育情况、分布特征，第四系覆盖层性质、分布等特点，分别采用了瑞雷波方法、高密度地震映像方法及井间ct技术进行探测。1瑞雷波法1.1测试参数工程中采用sws-3型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪进行瑞雷波测试，测试采用4hz检波器；重锤锤重50kg，落距1.7m；单端激发；采样点数1024点，采样时间0.5～1.0ms，炮检距20m；24道，道距2m；共14线、43个排列。1.2数据处理瑞雷波勘探数据处理时，将检测仪野外采集的原始数据传输到计算机，采用配套的瑞雷波处理软件处理，处理流程大致为三步：第一步面波原始资料编辑，第二步面波提取与频散分析处理，第三步形成等速度剖面。1.3地质解译瑞雷波勘探按瑞雷波在地层表面传播速度的变化进行地质解释，通常情况下，不同的地层具有可分辨的波速差异。当正常地层受扰动后（如土体扰动、岩溶塌陷、采空区等），土体密实度会大大降低，相应的瑞雷波波速也显著降低，在瑞雷波等速度剖面中会表现为低速体或低速条带，因此根据低速体或低速条带的分布可以判断出受扰动土体的分布。土体与岩体的密实度差异明显，瑞雷波在土岩接触面会有明显的速度差异，因此在等速度剖面中可以根据速度突变位置判断基岩面深度及基岩分布。1.4工程应用图1为一条测线的瑞雷波等速度剖面图，整体上瑞雷波波速沿垂向向下逐渐增加，波速等速度沿水平方向展布，由于扰动土体的存在，图中存在低速带或低速体。在土层埋深12.0～15.0m处土层正常波速应为260.0～300.0m/s左右，由于土体受到地下水渗透冲刷影响，细颗粒物质被带走，扰动土体密实度降低，瑞雷波速度降低到220m/s左右，在等波速图上表现为高速带中夹有低速带或低速体。瑞雷波等波速剖面结合钻探成果，可以判定波速值vr在450～500m/s时为基岩面，从图1中可见波速450～500m/s条带埋深发生了突变，最大高差达到25.0m左右，说明基岩在此处可能存在构造带，使岩层发生错动，导致第四系土层厚度变化。图1瑞雷波等速度剖面图2高密度地震映像法2.1测试参数工程采用sws-3型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪进行高密度地震映像测试，共布设高密度地震映像测线16线，计1718道，共1718m。2.2数据处理高密度地震映像勘探资料处理：高密度地震映像数据在计算机上进行压缩、拼接和滤波处理后即可得到。先对原始资料进行全面检查、复核，同时进行地形改正、正演、反演计算。采用软件自动拟合地下二维电阻率模型，通过不断地调整初始模型参数使正演曲线与实际曲线的差值达到最小，通过反演得到的模型电阻率比视电阻率更接近实际，对实际地电断面的解释也比较直观。根据地电条件、装置类型以及正演模拟结果的分析，有针对性的进行高通或低通滤波处理，消除或减小表层干扰和极距变化引起的振荡干扰，最终得到反映波动场特征的映像图[2]。2.3地质解译高密度地震映像利用波的衰减、波形分叉、波的干涉等信息，以等偏移距的形式实现对地层的连续扫描。当第四系地层水平展布时，高密度映像上表现为同相轴的水平展布；地层的尖灭（或分叉）表现为同相轴的尖灭（或分叉）；基岩面为同相轴突变至难以辨别处。当正常地层或基岩受扰动后，映像图上将出现相应的异常形态，如同相轴中断、扭曲以及绕射弧、眼状映像等。2.4应用根据高密度映像图的地质解译：同相轴突变至难以分辨的位置为基岩面，在图2中白色条带所示位置为土层与基岩接触面。可见土岩接触面上部第四系埋深发生了明显变化，第四系底板两侧埋深高差达5～20m，说明此处存在构造运动造成的错动。从图中可以判断出断层为正断层，走向大致北东。详细分析图2中可看出整个场地第四系地层基本正常，基岩内无大规模无充填物的溶洞，基岩内可能分布有小规模有充填物的溶洞，但由于其规模小且物性差异不大，故在高密度映像图及等速度剖面图中不明显。图2高密度映像图3井间ct法根据实测数据，依照电磁波在地下有耗介质中传播规律及一定的物理和数学关系反演透视剖面上的物理参数的分布，最后以图像的形式表现出来。由于它与医学上的“ct”在理论、方法及成像上都十分相似，故称为“井间ct”。3.1测试参数采用jwq-3a型电磁波ct系统进行了井间ct测试，主要技术指标为：工作频率在0.5～32mhz之间、发射机脉冲输出功率大于10w、接收机测量范围0.2µv～30mv、接收机测量误差不大于±3db。实际工作中工作频率为8mhz，接收天线为2.5m鞭状天线、发射天线为单边长2.5m偶极天线。3.2数据处理野外原始数据输入计算机后进行全面检查，然后利用专门的解释系统软件采用联合反演相对衰减层析成像法进行处理。3.3地质解译电磁波井间ct（电磁波层析成像）勘探是利用电磁波穿透钻孔间的地质体，根据接收到的场强大小变化，来确定地下不同介质分布的一种地下地球物理勘查方法。当电磁波穿越不同的地下介质(如各种不同的岩石、矿体及溶洞、破碎带等)时,由于不同介质对电磁波的吸收(β)存在差异,如空洞、破碎带等的吸收系数(βs)比其围岩的吸收系数(βo)要大得多，因此在溶洞、破碎带的背后的场强也就小得多，从而呈现负异常，利用这种差异可以推断目标地质体的结构和形状。3.4工程应用图3为工程钻孔07#、08#间ct成像剖面图，剖面中视吸收系数βs在0.8～2.8db/m之间，根据介质的吸收系数βs值强弱可分为三个物性等级，βs值在0.8～2.2db/m之间时，地层应为岩溶弱发育或微弱发育带（基岩完整带）；βs值在2.2～2.5db/m之间时地层应为基岩破碎岩溶裂隙发育带；βs值在2.5db/m以上时地层应为溶洞、岩溶裂隙发育带，据此可以断定剖面中溶洞、岩溶裂隙发育带。图中单斜杠部分表示基岩破碎和岩溶发育带，可见在两孔间基岩破碎较为严重，岩溶裂隙发育强烈。图中交叉斜杠部分表示溶洞，可见在基岩中有大小不等的溶洞存在，但溶洞规模都比较小，且分布比较分散。图3井间ct成像剖面图4结语随着物理探测技术的不断进步，物探仪器性能的不断提高，人们使用物探手段经验的不断丰富，物探技术在场地岩溶勘察中的先进性和特点会更突出。针对地质体物理特性不同，联合运用多种物理探测技术，相互进行补充、相互佐证，对比解译测试数据，探测土层与基岩状态、性质、分布，查找岩溶发育地带、岩溶破碎带等不良地质体是一种值得工程师使用和推广的方法。参考文献[1]刘云祯.工程物探新技术[m].北京：地质出版社,2006[2]章建禄,周群慧,赵竹占.应用物探方法探测建筑场地的岩溶[j].岩土工程界,2009,vol12.no4第一作者简介：王林，1975年生，工程师，主要从事岩土工程勘察、设计等。注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。