綜合磁翻柱液位計在高速公路巖溶路基勘察中的應(yīng)用分析
返回列表發(fā)布日期：2019-11-04 17:18:20 |
摘 要：工程物探作為公路勘察的一種輔助手段，在巖溶路基探測中發(fā)揮的優(yōu)勢更加突出。文章結(jié)合工程實例，選用超高密度電法和地震映像法對現(xiàn)場進行探測，查明了測區(qū)的巖溶發(fā)育情況和分布范圍，結(jié)合鉆探驗證，有效地完成了巖溶勘察任務(wù)，為路基設(shè)計施工提供了科學(xué)依據(jù)。實踐表明，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌條件，選擇兩種或以上合適的磁翻柱液位計進行綜合分析，可使勘察結(jié)果更加準確、高效、經(jīng)濟。
引言
伴隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)迎來了新的熱潮，尤其是在急需脫貧致富的西南部地區(qū)。這些地區(qū)廣泛分布著一種地貌———喀斯特地貌，該地貌區(qū)易形成溶洞、溶槽、落水洞、地下河等巖溶形態(tài)。這些巖溶問題對高速公路路基將會造成諸多不良影響，主要體現(xiàn) 在［１－２］
（１）巖溶形態(tài)會造成基
巖面起伏程度大，導(dǎo)致上覆地基壓縮不均，隨著車載震動等影響，可能引發(fā)路基不均勻沉降、路面開裂等現(xiàn)象；
（２）局部隱伏巖溶規(guī)模較大，如果路基未經(jīng)過處理，將導(dǎo)致地基承載力不足，受上部荷載或震動影響，可能引發(fā)巖溶地面塌陷等災(zāi)害。因而高效準確地查明路基隱伏巖溶發(fā)育情況，對高速公路設(shè)計、施工以及運營的合理性和安全性具有重要意義。
工程物探作為高速公路勘察的一種輔助手段，在巖溶路基勘察中表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢。巖溶路基探測中常用的磁翻柱液位計有高密度電法［３］、淺層地震法［４］、地質(zhì)雷達法［５］等。然而磁翻柱液位計均具有主觀多解性，只有結(jié)合現(xiàn)場地形地貌條件，選擇適合開展工作的兩種或兩種以上的方法，綜合解釋分析，方能查明巖溶發(fā)育情況，提高勘察效率，降低經(jīng)濟成本。本文針對 廣 西 某高速公路 Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段巖溶路基勘察實例，根據(jù)現(xiàn)場地形地貌條件，采用超高密度電法和地震映像法兩種方法相結(jié)合的綜合磁翻柱液位計，通過兩種解釋結(jié)果與鉆探結(jié)果的驗證對比，綜合查明了路基區(qū)巖溶分布范圍和發(fā)育情況。
１ 相關(guān)工程磁翻柱液位計原理
１．１ 超高密度電法［６］
超高密度電阻率法在原理上仍屬電阻率法的范疇，因而其視電阻率的計算原理與常規(guī)電阻率法相同。但與常規(guī)電阻率法相比，該方法布置的測點密度遠遠大于常規(guī)電阻率法，因此可獲得的數(shù)據(jù)量遠多于常規(guī)電阻率法，從中得出的地質(zhì)信息則更加豐富。同 時，由于超高密度電阻率法通過電極轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)按照設(shè)定的相關(guān)排列自動跑極。常用的溫納排列（α）和偶極排列（β）如圖１所示。在一次排列中同步進行電剖面和電測深數(shù)據(jù)的快速采集，并可在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)的實時處理，完全改變了傳統(tǒng)電法勘探的工作方式，可以減輕勞動強度，因而極大提高了效率。
１．２ 地震映像法［７］
地震映像法是在最佳偏移距技術(shù)的反射波法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種常用淺層地震勘探方法。該方法通常在最佳窗口內(nèi)選擇一個恰當?shù)钠凭?，多次按照相同的點距同步移動激發(fā)點和接收點，通過記錄有效地震波的波形，從而可得出一條地震映像時間剖面，根據(jù)剖面波形特征來判定地質(zhì)體水平和垂向上的變化信息。其工作原理見圖２，其中反射波、繞射波、面波、折射波均可以作為地震映像法中的有效波形。由于激發(fā)和接收條件保持不變，如果地質(zhì)介質(zhì)條件不變，在地震映像時間剖面上根據(jù)有效波得出的同相軸應(yīng)該為直線。如果地質(zhì)介質(zhì)條件發(fā)生變化，如遇到溶洞等，其同相軸則出現(xiàn)錯段，或出現(xiàn)弧形 等 特 征?？傊诤线m的偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，得出的地震映像時間剖面表現(xiàn)出的波形簡單直觀，便于判別分析。
２ 工程實例分析
２．１ 工程概況
廣西某擬建高速公路Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段屬巖溶洼地 谷 地，整體地形起伏變化較大，呈“Ｕ”型 特征，兩側(cè)為山峰，中間夾谷地，巖質(zhì)山 峰 凸 起，基 巖 出露，石芽突出，坡 度１０°～５０°，谷地堆積少量覆蓋層，主要為第四系黏土層，坡度＜１０°，基巖為石炭系上統(tǒng)（Ｃ３）的灰?guī)r。測區(qū)巖溶發(fā)育，根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪，地 表 發(fā)育有多處地下水出口以及落水洞等巖溶形態(tài)，初步推斷可能存在地下巖溶通道或暗河等。故需要進一步查明該路段隱伏巖溶發(fā)育情況和分布范圍，為路基設(shè)計提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。
２．２ 巖溶發(fā)育及探測物性特征
探測路段走向大約為南北向，測區(qū)內(nèi)北部有一人工水塘，勘察期間其中水深較淺，約０．５～１．５ｍ。在Ｋ４０＋０４０～Ｋ４０＋０８０左側(cè)發(fā)現(xiàn)有４處地下水排泄出口，主要形態(tài)為巖溶裂縫，勘察期間為枯水期，僅一處有水流出，流 向 上 述 的 北 部 魚 塘。另 外 在 Ｋ４０＋１６０右側(cè)１０ｍ發(fā) 育 有 一 處 落 水 洞，洞 徑 約１．５ｍ，深 度 不詳，起消水作用。測區(qū)內(nèi)巖溶多為構(gòu)造裂隙型和管道型，巖溶發(fā)育強烈，局部存在規(guī)模較大的巖溶形態(tài)。測區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層與基巖、巖 溶 體（充 填 物 或未充填、含水率高低）與其周邊巖土體間均存在明顯的電性差異和彈性波波速差異，可形成明顯的電性特征界面及波速特征界面，為該區(qū)開展超高密度電法勘察和地震映像勘察提供了良好的地球物理前提。測區(qū)典型物性參數(shù)見表１。
２．３ 現(xiàn)場探測方案
本次超高密度電法勘探采用的是 ＷＧＭＤ－９超高密度電法測量系統(tǒng)。該儀器由重慶奔騰研究所生產(chǎn)，分別沿線路中線、路基兩邊線平行布置３條測 線排列，間 距 約１３ｍ，每排列布置電極數(shù) ６０ 個，點 距３ｍ，最大測量層數(shù)為１９層，最大ＡＢ／２＝９４．５ｍ。本次地震映像法探測儀器采用德國 ＤＭＴ公司生產(chǎn)的ＳｕｍｍｉｔⅡｐｌｕｓ型 地 震 儀。根據(jù)現(xiàn)場地形條件，沿線路中線布置１條縱向測線，參考現(xiàn)場試驗，采用 單次激發(fā)、單道接受的方式，測量時點距１ｍ，偏移 距 為１０ｍ，使用７０ｋｇ落錘激發(fā)。
２．４ 資料處理與分析
２．４．１ 超高密度電法
本次超高密度電法數(shù)據(jù)采用ＲＥＳ２ＤＩＮＶ高密度電法反演軟件進行處理。首先進行壞點刪除，保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量；接著導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)，作地形校正；然后進行格式轉(zhuǎn)換及選擇合適的反演參數(shù)和反演方法進行反演計算等步驟；最終形成電阻率等值線圖。典型剖面見圖３。通常情況下，巖溶發(fā)育形態(tài)如充填溶洞、溶蝕 裂隙帶在電阻率等值線圖上相對于周邊巖土體表現(xiàn)為低阻異常，視電阻率 突 變（變 小），且 呈“Ｖ”“Ｕ”或“Ｏ”形等低阻形態(tài)。
由圖２可以看出，Ｌ２測線８４～９４ｍ處，出現(xiàn)電阻率低阻異常，呈“Ｕ”形特征，推斷為巖溶發(fā)育區(qū)，主要發(fā)育溶蝕裂隙、溶洞等。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，可能 洞 頂 高程約３４４ｍ，洞底高程約３４１ｍ，為巖溶通道組成部分。Ｌ２測線１３６～１４８ｍ處，出現(xiàn)豎向低阻異常，推斷為大規(guī)模溶蝕裂隙帶或斷層帶。
２．４．２ 地震映像法
本次地震映像法數(shù)據(jù)處理采用 ＧｅｏｇｉｇａＳｅｉｓｍｉｃＰｒｏ專業(yè)地震勘探軟件進行靜校正、道 均 衡、一 維 濾波、二維濾波、反褶積、去噪等處理步 驟，最 終 得 出 地震映像時間剖面圖。需要注意的是在數(shù)據(jù)處理過程中不需要進行動校正這一步驟，既節(jié)省了數(shù)據(jù)處理的時間，又減少了數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的人工誤差。本工程典型地質(zhì)映像時間剖面見圖４。一 般 巖 溶 在 地 震 映 像時間剖面圖中主要表現(xiàn)為同相軸錯亂、產(chǎn)生繞射波、頻率變低等形態(tài)。
由圖４可 看 出，ＹＸ２測 線９ ～１１ｍ、１４～１８ｍ、２７～３２ｍ處地震波同相軸表現(xiàn)錯亂，頻 率 變 低 異 常，推斷為巖溶發(fā)育區(qū)，主要發(fā)育形態(tài)為溶蝕裂隙或小溶洞等。結(jié)合現(xiàn)場踏勘推斷，這幾處異常區(qū)與地表發(fā)育的４處地下水出口組成巖溶通道，埋深約２．５ｍ。
按照上述數(shù)據(jù)處理方法以及解釋準則，將超高密度電法和地震映像法所得結(jié)果疊加起來綜合分析，以兩者重合區(qū)作為重點異常區(qū)，圈定出探測區(qū)的隱伏巖溶異常區(qū)。根據(jù)物探推斷結(jié)果在測區(qū)布置有３個驗證鉆孔，根據(jù)鉆孔資料，鉆孔 ＺＫ３在物探圈定的異常深度處遇到溶洞；鉆孔 ＺＫ１、ＺＫ２在物探圈定異常區(qū)，巖芯節(jié)理裂隙發(fā)育，部分存在溶蝕現(xiàn)象，與綜合物探推斷結(jié)果基本一致。
３ 結(jié)語
（１）本次綜合磁翻柱液位計從不同物性角度對探測成果作出了貢獻：超高密度電法根據(jù)巖層電阻率差異分辨出巖溶形態(tài)；地震映像勘探根據(jù)不連續(xù)波組反射現(xiàn)象判定巖溶發(fā)育特征。兩者優(yōu)勢互補，相 互 佐 證，查明了測區(qū)的巖溶發(fā)育情況和分布范圍等，有效地完成了巖溶勘察任務(wù)，為路基設(shè)計施工提供了科學(xué)依據(jù)，表現(xiàn)出成本低、效率高的特點。
（２）地球物理探測方法具有多解性，而且對于不同的地形地貌和地質(zhì)條件，不同的磁翻柱液位計均存在各自的優(yōu)勢和局限性，在探測深度和精度上也體現(xiàn)出明顯的差異。實踐證明，結(jié)合現(xiàn)場條件，選擇兩種或兩種以上適合的物探手段的綜合勘探方法，可使勘察結(jié)果更加準確、高效、經(jīng)濟。
引言
伴隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)迎來了新的熱潮，尤其是在急需脫貧致富的西南部地區(qū)。這些地區(qū)廣泛分布著一種地貌———喀斯特地貌，該地貌區(qū)易形成溶洞、溶槽、落水洞、地下河等巖溶形態(tài)。這些巖溶問題對高速公路路基將會造成諸多不良影響，主要體現(xiàn) 在［１－２］
（１）巖溶形態(tài)會造成基
巖面起伏程度大，導(dǎo)致上覆地基壓縮不均，隨著車載震動等影響，可能引發(fā)路基不均勻沉降、路面開裂等現(xiàn)象；
（２）局部隱伏巖溶規(guī)模較大，如果路基未經(jīng)過處理，將導(dǎo)致地基承載力不足，受上部荷載或震動影響，可能引發(fā)巖溶地面塌陷等災(zāi)害。因而高效準確地查明路基隱伏巖溶發(fā)育情況，對高速公路設(shè)計、施工以及運營的合理性和安全性具有重要意義。
工程物探作為高速公路勘察的一種輔助手段，在巖溶路基勘察中表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢。巖溶路基探測中常用的磁翻柱液位計有高密度電法［３］、淺層地震法［４］、地質(zhì)雷達法［５］等。然而磁翻柱液位計均具有主觀多解性，只有結(jié)合現(xiàn)場地形地貌條件，選擇適合開展工作的兩種或兩種以上的方法，綜合解釋分析，方能查明巖溶發(fā)育情況，提高勘察效率，降低經(jīng)濟成本。本文針對 廣 西 某高速公路 Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段巖溶路基勘察實例，根據(jù)現(xiàn)場地形地貌條件，采用超高密度電法和地震映像法兩種方法相結(jié)合的綜合磁翻柱液位計，通過兩種解釋結(jié)果與鉆探結(jié)果的驗證對比，綜合查明了路基區(qū)巖溶分布范圍和發(fā)育情況。
１ 相關(guān)工程磁翻柱液位計原理
１．１ 超高密度電法［６］
超高密度電阻率法在原理上仍屬電阻率法的范疇，因而其視電阻率的計算原理與常規(guī)電阻率法相同。但與常規(guī)電阻率法相比，該方法布置的測點密度遠遠大于常規(guī)電阻率法，因此可獲得的數(shù)據(jù)量遠多于常規(guī)電阻率法，從中得出的地質(zhì)信息則更加豐富。同 時，由于超高密度電阻率法通過電極轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)按照設(shè)定的相關(guān)排列自動跑極。常用的溫納排列（α）和偶極排列（β）如圖１所示。在一次排列中同步進行電剖面和電測深數(shù)據(jù)的快速采集，并可在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)的實時處理，完全改變了傳統(tǒng)電法勘探的工作方式，可以減輕勞動強度，因而極大提高了效率。
地震映像法是在最佳偏移距技術(shù)的反射波法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種常用淺層地震勘探方法。該方法通常在最佳窗口內(nèi)選擇一個恰當?shù)钠凭?，多次按照相同的點距同步移動激發(fā)點和接收點，通過記錄有效地震波的波形，從而可得出一條地震映像時間剖面，根據(jù)剖面波形特征來判定地質(zhì)體水平和垂向上的變化信息。其工作原理見圖２，其中反射波、繞射波、面波、折射波均可以作為地震映像法中的有效波形。由于激發(fā)和接收條件保持不變，如果地質(zhì)介質(zhì)條件不變，在地震映像時間剖面上根據(jù)有效波得出的同相軸應(yīng)該為直線。如果地質(zhì)介質(zhì)條件發(fā)生變化，如遇到溶洞等，其同相軸則出現(xiàn)錯段，或出現(xiàn)弧形 等 特 征?？傊诤线m的偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，得出的地震映像時間剖面表現(xiàn)出的波形簡單直觀，便于判別分析。
２．１ 工程概況
廣西某擬建高速公路Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段屬巖溶洼地 谷 地，整體地形起伏變化較大，呈“Ｕ”型 特征，兩側(cè)為山峰，中間夾谷地，巖質(zhì)山 峰 凸 起，基 巖 出露，石芽突出，坡 度１０°～５０°，谷地堆積少量覆蓋層，主要為第四系黏土層，坡度＜１０°，基巖為石炭系上統(tǒng)（Ｃ３）的灰?guī)r。測區(qū)巖溶發(fā)育，根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪，地 表 發(fā)育有多處地下水出口以及落水洞等巖溶形態(tài)，初步推斷可能存在地下巖溶通道或暗河等。故需要進一步查明該路段隱伏巖溶發(fā)育情況和分布范圍，為路基設(shè)計提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。
２．２ 巖溶發(fā)育及探測物性特征
探測路段走向大約為南北向，測區(qū)內(nèi)北部有一人工水塘，勘察期間其中水深較淺，約０．５～１．５ｍ。在Ｋ４０＋０４０～Ｋ４０＋０８０左側(cè)發(fā)現(xiàn)有４處地下水排泄出口，主要形態(tài)為巖溶裂縫，勘察期間為枯水期，僅一處有水流出，流 向 上 述 的 北 部 魚 塘。另 外 在 Ｋ４０＋１６０右側(cè)１０ｍ發(fā) 育 有 一 處 落 水 洞，洞 徑 約１．５ｍ，深 度 不詳，起消水作用。測區(qū)內(nèi)巖溶多為構(gòu)造裂隙型和管道型，巖溶發(fā)育強烈，局部存在規(guī)模較大的巖溶形態(tài)。測區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層與基巖、巖 溶 體（充 填 物 或未充填、含水率高低）與其周邊巖土體間均存在明顯的電性差異和彈性波波速差異，可形成明顯的電性特征界面及波速特征界面，為該區(qū)開展超高密度電法勘察和地震映像勘察提供了良好的地球物理前提。測區(qū)典型物性參數(shù)見表１。
本次超高密度電法勘探采用的是 ＷＧＭＤ－９超高密度電法測量系統(tǒng)。該儀器由重慶奔騰研究所生產(chǎn)，分別沿線路中線、路基兩邊線平行布置３條測 線排列，間 距 約１３ｍ，每排列布置電極數(shù) ６０ 個，點 距３ｍ，最大測量層數(shù)為１９層，最大ＡＢ／２＝９４．５ｍ。本次地震映像法探測儀器采用德國 ＤＭＴ公司生產(chǎn)的ＳｕｍｍｉｔⅡｐｌｕｓ型 地 震 儀。根據(jù)現(xiàn)場地形條件，沿線路中線布置１條縱向測線，參考現(xiàn)場試驗，采用 單次激發(fā)、單道接受的方式，測量時點距１ｍ，偏移 距 為１０ｍ，使用７０ｋｇ落錘激發(fā)。
２．４ 資料處理與分析
２．４．１ 超高密度電法
本次超高密度電法數(shù)據(jù)采用ＲＥＳ２ＤＩＮＶ高密度電法反演軟件進行處理。首先進行壞點刪除，保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量；接著導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)，作地形校正；然后進行格式轉(zhuǎn)換及選擇合適的反演參數(shù)和反演方法進行反演計算等步驟；最終形成電阻率等值線圖。典型剖面見圖３。通常情況下，巖溶發(fā)育形態(tài)如充填溶洞、溶蝕 裂隙帶在電阻率等值線圖上相對于周邊巖土體表現(xiàn)為低阻異常，視電阻率 突 變（變 小），且 呈“Ｖ”“Ｕ”或“Ｏ”形等低阻形態(tài)。
２．４．２ 地震映像法
本次地震映像法數(shù)據(jù)處理采用 ＧｅｏｇｉｇａＳｅｉｓｍｉｃＰｒｏ專業(yè)地震勘探軟件進行靜校正、道 均 衡、一 維 濾波、二維濾波、反褶積、去噪等處理步 驟，最 終 得 出 地震映像時間剖面圖。需要注意的是在數(shù)據(jù)處理過程中不需要進行動校正這一步驟，既節(jié)省了數(shù)據(jù)處理的時間，又減少了數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的人工誤差。本工程典型地質(zhì)映像時間剖面見圖４。一 般 巖 溶 在 地 震 映 像時間剖面圖中主要表現(xiàn)為同相軸錯亂、產(chǎn)生繞射波、頻率變低等形態(tài)。
按照上述數(shù)據(jù)處理方法以及解釋準則，將超高密度電法和地震映像法所得結(jié)果疊加起來綜合分析，以兩者重合區(qū)作為重點異常區(qū)，圈定出探測區(qū)的隱伏巖溶異常區(qū)。根據(jù)物探推斷結(jié)果在測區(qū)布置有３個驗證鉆孔，根據(jù)鉆孔資料，鉆孔 ＺＫ３在物探圈定的異常深度處遇到溶洞；鉆孔 ＺＫ１、ＺＫ２在物探圈定異常區(qū)，巖芯節(jié)理裂隙發(fā)育，部分存在溶蝕現(xiàn)象，與綜合物探推斷結(jié)果基本一致。
３ 結(jié)語
（１）本次綜合磁翻柱液位計從不同物性角度對探測成果作出了貢獻：超高密度電法根據(jù)巖層電阻率差異分辨出巖溶形態(tài)；地震映像勘探根據(jù)不連續(xù)波組反射現(xiàn)象判定巖溶發(fā)育特征。兩者優(yōu)勢互補，相 互 佐 證，查明了測區(qū)的巖溶發(fā)育情況和分布范圍等，有效地完成了巖溶勘察任務(wù)，為路基設(shè)計施工提供了科學(xué)依據(jù)，表現(xiàn)出成本低、效率高的特點。
（２）地球物理探測方法具有多解性，而且對于不同的地形地貌和地質(zhì)條件，不同的磁翻柱液位計均存在各自的優(yōu)勢和局限性，在探測深度和精度上也體現(xiàn)出明顯的差異。實踐證明，結(jié)合現(xiàn)場條件，選擇兩種或兩種以上適合的物探手段的綜合勘探方法，可使勘察結(jié)果更加準確、高效、經(jīng)濟。