综合磁翻柱液位计在高速公路岩溶路基勘察中的应用分析
返回列表发布日期：2019-11-04 17:18:20 |
摘 要：工程物探作为公路勘察的一种辅助手段，在岩溶路基探测中发挥的优势更加突出。文章结合工程实例，选用超高密度电法和地震映像法对现场进行探测，查明了测区的岩溶发育情况和分布范围，结合钻探验证，有效地完成了岩溶勘察任务，为路基设计施工提供了科学依据。实践表明，结合现场地形地貌条件，选择两种或以上合适的磁翻柱液位计进行综合分析，可使勘察结果更加准确、高效、经济。
引言
伴随着我国经济社会的快速发展，高速公路等基础设施的建设迎来了新的热潮，尤其是在急需脱贫致富的西南部地区。这些地区广泛分布着一种地貌———喀斯特地貌，该地貌区易形成溶洞、溶槽、落水洞、地下河等岩溶形态。这些岩溶问题对高速公路路基将会造成诸多不良影响，主要体现 在［１－２］
（１）岩溶形态会造成基
岩面起伏程度大，导致上覆地基压缩不均，随着车载震动等影响，可能引发路基不均匀沉降、路面开裂等现象；
（２）局部隐伏岩溶规模较大，如果路基未经过处理，将导致地基承载力不足，受上部荷载或震动影响，可能引发岩溶地面塌陷等灾害。因而高效准确地查明路基隐伏岩溶发育情况，对高速公路设计、施工以及运营的合理性和安全性具有重要意义。
工程物探作为高速公路勘察的一种辅助手段，在岩溶路基勘察中表现出突出的优势。岩溶路基探测中常用的磁翻柱液位计有高密度电法［３］、浅层地震法［４］、地质雷达法［５］等。然而磁翻柱液位计均具有主观多解性，只有结合现场地形地貌条件，选择适合开展工作的两种或两种以上的方法，综合解释分析，方能查明岩溶发育情况，提高勘察效率，降低经济成本。本文针对 广 西 某高速公路 Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段岩溶路基勘察实例，根据现场地形地貌条件，采用超高密度电法和地震映像法两种方法相结合的综合磁翻柱液位计，通过两种解释结果与钻探结果的验证对比，综合查明了路基区岩溶分布范围和发育情况。
１ 相关工程磁翻柱液位计原理
１．１ 超高密度电法［６］
超高密度电阻率法在原理上仍属电阻率法的范畴，因而其视电阻率的计算原理与常规电阻率法相同。但与常规电阻率法相比，该方法布置的测点密度远远大于常规电阻率法，因此可获得的数据量远多于常规电阻率法，从中得出的地质信息则更加丰富。同 时，由于超高密度电阻率法通过电极转换器可实现按照设定的相关排列自动跑极。常用的温纳排列（α）和偶极排列（β）如图１所示。在一次排列中同步进行电剖面和电测深数据的快速采集，并可在现场进行数据的实时处理，完全改变了传统电法勘探的工作方式，可以减轻劳动强度，因而极大提高了效率。
１．２ 地震映像法［７］
地震映像法是在最佳偏移距技术的反射波法的基础上发展而来的一种常用浅层地震勘探方法。该方法通常在最佳窗口内选择一个恰当的偏移距，多次按照相同的点距同步移动激发点和接收点，通过记录有效地震波的波形，从而可得出一条地震映像时间剖面，根据剖面波形特征来判定地质体水平和垂向上的变化信息。其工作原理见图２，其中反射波、绕射波、面波、折射波均可以作为地震映像法中的有效波形。由于激发和接收条件保持不变，如果地质介质条件不变，在地震映像时间剖面上根据有效波得出的同相轴应该为直线。如果地质介质条件发生变化，如遇到溶洞等，其同相轴则出现错段，或出现弧形 等 特 征。总之在合适的偏移距处接收到的有效波具有较好的信噪比和分辨率，得出的地震映像时间剖面表现出的波形简单直观，便于判别分析。
２ 工程实例分析
２．１ 工程概况
广西某拟建高速公路Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段属岩溶洼地 谷 地，整体地形起伏变化较大，呈“Ｕ”型 特征，两侧为山峰，中间夹谷地，岩质山 峰 凸 起，基 岩 出露，石芽突出，坡 度１０°～５０°，谷地堆积少量覆盖层，主要为第四系黏土层，坡度＜１０°，基岩为石炭系上统（Ｃ３）的灰岩。测区岩溶发育，根据地质调绘，地 表 发育有多处地下水出口以及落水洞等岩溶形态，初步推断可能存在地下岩溶通道或暗河等。故需要进一步查明该路段隐伏岩溶发育情况和分布范围，为路基设计提供可靠的地质依据。
２．２ 岩溶发育及探测物性特征
探测路段走向大约为南北向，测区内北部有一人工水塘，勘察期间其中水深较浅，约０．５～１．５ｍ。在Ｋ４０＋０４０～Ｋ４０＋０８０左侧发现有４处地下水排泄出口，主要形态为岩溶裂缝，勘察期间为枯水期，仅一处有水流出，流 向 上 述 的 北 部 鱼 塘。另 外 在 Ｋ４０＋１６０右侧１０ｍ发 育 有 一 处 落 水 洞，洞 径 约１．５ｍ，深 度 不详，起消水作用。测区内岩溶多为构造裂隙型和管道型，岩溶发育强烈，局部存在规模较大的岩溶形态。测区内第四系覆盖层与基岩、岩 溶 体（充 填 物 或未充填、含水率高低）与其周边岩土体间均存在明显的电性差异和弹性波波速差异，可形成明显的电性特征界面及波速特征界面，为该区开展超高密度电法勘察和地震映像勘察提供了良好的地球物理前提。测区典型物性参数见表１。
２．３ 现场探测方案
本次超高密度电法勘探采用的是 ＷＧＭＤ－９超高密度电法测量系统。该仪器由重庆奔腾研究所生产，分别沿线路中线、路基两边线平行布置３条测 线排列，间 距 约１３ｍ，每排列布置电极数 ６０ 个，点 距３ｍ，最大测量层数为１９层，最大ＡＢ／２＝９４．５ｍ。本次地震映像法探测仪器采用德国 ＤＭＴ公司生产的ＳｕｍｍｉｔⅡｐｌｕｓ型 地 震 仪。根据现场地形条件，沿线路中线布置１条纵向测线，参考现场试验，采用 单次激发、单道接受的方式，测量时点距１ｍ，偏移 距 为１０ｍ，使用７０ｋｇ落锤激发。
２．４ 资料处理与分析
２．４．１ 超高密度电法
本次超高密度电法数据采用ＲＥＳ２ＤＩＮＶ高密度电法反演软件进行处理。首先进行坏点删除，保证数据的质量；接着导入地形数据，作地形校正；然后进行格式转换及选择合适的反演参数和反演方法进行反演计算等步骤；最终形成电阻率等值线图。典型剖面见图３。通常情况下，岩溶发育形态如充填溶洞、溶蚀 裂隙带在电阻率等值线图上相对于周边岩土体表现为低阻异常，视电阻率 突 变（变 小），且 呈“Ｖ”“Ｕ”或“Ｏ”形等低阻形态。
由图２可以看出，Ｌ２测线８４～９４ｍ处，出现电阻率低阻异常，呈“Ｕ”形特征，推断为岩溶发育区，主要发育溶蚀裂隙、溶洞等。根据现场调查，可能 洞 顶 高程约３４４ｍ，洞底高程约３４１ｍ，为岩溶通道组成部分。Ｌ２测线１３６～１４８ｍ处，出现竖向低阻异常，推断为大规模溶蚀裂隙带或断层带。
２．４．２ 地震映像法
本次地震映像法数据处理采用 ＧｅｏｇｉｇａＳｅｉｓｍｉｃＰｒｏ专业地震勘探软件进行静校正、道 均 衡、一 维 滤波、二维滤波、反褶积、去噪等处理步 骤，最 终 得 出 地震映像时间剖面图。需要注意的是在数据处理过程中不需要进行动校正这一步骤，既节省了数据处理的时间，又减少了数据处理产生的人工误差。本工程典型地质映像时间剖面见图４。一 般 岩 溶 在 地 震 映 像时间剖面图中主要表现为同相轴错乱、产生绕射波、频率变低等形态。
由图４可 看 出，ＹＸ２测 线９ ～１１ｍ、１４～１８ｍ、２７～３２ｍ处地震波同相轴表现错乱，频 率 变 低 异 常，推断为岩溶发育区，主要发育形态为溶蚀裂隙或小溶洞等。结合现场踏勘推断，这几处异常区与地表发育的４处地下水出口组成岩溶通道，埋深约２．５ｍ。
按照上述数据处理方法以及解释准则，将超高密度电法和地震映像法所得结果叠加起来综合分析，以两者重合区作为重点异常区，圈定出探测区的隐伏岩溶异常区。根据物探推断结果在测区布置有３个验证钻孔，根据钻孔资料，钻孔 ＺＫ３在物探圈定的异常深度处遇到溶洞；钻孔 ＺＫ１、ＺＫ２在物探圈定异常区，岩芯节理裂隙发育，部分存在溶蚀现象，与综合物探推断结果基本一致。
３ 结语
（１）本次综合磁翻柱液位计从不同物性角度对探测成果作出了贡献：超高密度电法根据岩层电阻率差异分辨出岩溶形态；地震映像勘探根据不连续波组反射现象判定岩溶发育特征。两者优势互补，相 互 佐 证，查明了测区的岩溶发育情况和分布范围等，有效地完成了岩溶勘察任务，为路基设计施工提供了科学依据，表现出成本低、效率高的特点。
（２）地球物理探测方法具有多解性，而且对于不同的地形地貌和地质条件，不同的磁翻柱液位计均存在各自的优势和局限性，在探测深度和精度上也体现出明显的差异。实践证明，结合现场条件，选择两种或两种以上适合的物探手段的综合勘探方法，可使勘察结果更加准确、高效、经济。
引言
伴随着我国经济社会的快速发展，高速公路等基础设施的建设迎来了新的热潮，尤其是在急需脱贫致富的西南部地区。这些地区广泛分布着一种地貌———喀斯特地貌，该地貌区易形成溶洞、溶槽、落水洞、地下河等岩溶形态。这些岩溶问题对高速公路路基将会造成诸多不良影响，主要体现 在［１－２］
（１）岩溶形态会造成基
岩面起伏程度大，导致上覆地基压缩不均，随着车载震动等影响，可能引发路基不均匀沉降、路面开裂等现象；
（２）局部隐伏岩溶规模较大，如果路基未经过处理，将导致地基承载力不足，受上部荷载或震动影响，可能引发岩溶地面塌陷等灾害。因而高效准确地查明路基隐伏岩溶发育情况，对高速公路设计、施工以及运营的合理性和安全性具有重要意义。
工程物探作为高速公路勘察的一种辅助手段，在岩溶路基勘察中表现出突出的优势。岩溶路基探测中常用的磁翻柱液位计有高密度电法［３］、浅层地震法［４］、地质雷达法［５］等。然而磁翻柱液位计均具有主观多解性，只有结合现场地形地貌条件，选择适合开展工作的两种或两种以上的方法，综合解释分析，方能查明岩溶发育情况，提高勘察效率，降低经济成本。本文针对 广 西 某高速公路 Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段岩溶路基勘察实例，根据现场地形地貌条件，采用超高密度电法和地震映像法两种方法相结合的综合磁翻柱液位计，通过两种解释结果与钻探结果的验证对比，综合查明了路基区岩溶分布范围和发育情况。
１ 相关工程磁翻柱液位计原理
１．１ 超高密度电法［６］
超高密度电阻率法在原理上仍属电阻率法的范畴，因而其视电阻率的计算原理与常规电阻率法相同。但与常规电阻率法相比，该方法布置的测点密度远远大于常规电阻率法，因此可获得的数据量远多于常规电阻率法，从中得出的地质信息则更加丰富。同 时，由于超高密度电阻率法通过电极转换器可实现按照设定的相关排列自动跑极。常用的温纳排列（α）和偶极排列（β）如图１所示。在一次排列中同步进行电剖面和电测深数据的快速采集，并可在现场进行数据的实时处理，完全改变了传统电法勘探的工作方式，可以减轻劳动强度，因而极大提高了效率。
地震映像法是在最佳偏移距技术的反射波法的基础上发展而来的一种常用浅层地震勘探方法。该方法通常在最佳窗口内选择一个恰当的偏移距，多次按照相同的点距同步移动激发点和接收点，通过记录有效地震波的波形，从而可得出一条地震映像时间剖面，根据剖面波形特征来判定地质体水平和垂向上的变化信息。其工作原理见图２，其中反射波、绕射波、面波、折射波均可以作为地震映像法中的有效波形。由于激发和接收条件保持不变，如果地质介质条件不变，在地震映像时间剖面上根据有效波得出的同相轴应该为直线。如果地质介质条件发生变化，如遇到溶洞等，其同相轴则出现错段，或出现弧形 等 特 征。总之在合适的偏移距处接收到的有效波具有较好的信噪比和分辨率，得出的地震映像时间剖面表现出的波形简单直观，便于判别分析。
２．１ 工程概况
广西某拟建高速公路Ｋ３９＋９４０～Ｋ４０＋４８０段属岩溶洼地 谷 地，整体地形起伏变化较大，呈“Ｕ”型 特征，两侧为山峰，中间夹谷地，岩质山 峰 凸 起，基 岩 出露，石芽突出，坡 度１０°～５０°，谷地堆积少量覆盖层，主要为第四系黏土层，坡度＜１０°，基岩为石炭系上统（Ｃ３）的灰岩。测区岩溶发育，根据地质调绘，地 表 发育有多处地下水出口以及落水洞等岩溶形态，初步推断可能存在地下岩溶通道或暗河等。故需要进一步查明该路段隐伏岩溶发育情况和分布范围，为路基设计提供可靠的地质依据。
２．２ 岩溶发育及探测物性特征
探测路段走向大约为南北向，测区内北部有一人工水塘，勘察期间其中水深较浅，约０．５～１．５ｍ。在Ｋ４０＋０４０～Ｋ４０＋０８０左侧发现有４处地下水排泄出口，主要形态为岩溶裂缝，勘察期间为枯水期，仅一处有水流出，流 向 上 述 的 北 部 鱼 塘。另 外 在 Ｋ４０＋１６０右侧１０ｍ发 育 有 一 处 落 水 洞，洞 径 约１．５ｍ，深 度 不详，起消水作用。测区内岩溶多为构造裂隙型和管道型，岩溶发育强烈，局部存在规模较大的岩溶形态。测区内第四系覆盖层与基岩、岩 溶 体（充 填 物 或未充填、含水率高低）与其周边岩土体间均存在明显的电性差异和弹性波波速差异，可形成明显的电性特征界面及波速特征界面，为该区开展超高密度电法勘察和地震映像勘察提供了良好的地球物理前提。测区典型物性参数见表１。
本次超高密度电法勘探采用的是 ＷＧＭＤ－９超高密度电法测量系统。该仪器由重庆奔腾研究所生产，分别沿线路中线、路基两边线平行布置３条测 线排列，间 距 约１３ｍ，每排列布置电极数 ６０ 个，点 距３ｍ，最大测量层数为１９层，最大ＡＢ／２＝９４．５ｍ。本次地震映像法探测仪器采用德国 ＤＭＴ公司生产的ＳｕｍｍｉｔⅡｐｌｕｓ型 地 震 仪。根据现场地形条件，沿线路中线布置１条纵向测线，参考现场试验，采用 单次激发、单道接受的方式，测量时点距１ｍ，偏移 距 为１０ｍ，使用７０ｋｇ落锤激发。
２．４ 资料处理与分析
２．４．１ 超高密度电法
本次超高密度电法数据采用ＲＥＳ２ＤＩＮＶ高密度电法反演软件进行处理。首先进行坏点删除，保证数据的质量；接着导入地形数据，作地形校正；然后进行格式转换及选择合适的反演参数和反演方法进行反演计算等步骤；最终形成电阻率等值线图。典型剖面见图３。通常情况下，岩溶发育形态如充填溶洞、溶蚀 裂隙带在电阻率等值线图上相对于周边岩土体表现为低阻异常，视电阻率 突 变（变 小），且 呈“Ｖ”“Ｕ”或“Ｏ”形等低阻形态。
２．４．２ 地震映像法
本次地震映像法数据处理采用 ＧｅｏｇｉｇａＳｅｉｓｍｉｃＰｒｏ专业地震勘探软件进行静校正、道 均 衡、一 维 滤波、二维滤波、反褶积、去噪等处理步 骤，最 终 得 出 地震映像时间剖面图。需要注意的是在数据处理过程中不需要进行动校正这一步骤，既节省了数据处理的时间，又减少了数据处理产生的人工误差。本工程典型地质映像时间剖面见图４。一 般 岩 溶 在 地 震 映 像时间剖面图中主要表现为同相轴错乱、产生绕射波、频率变低等形态。
按照上述数据处理方法以及解释准则，将超高密度电法和地震映像法所得结果叠加起来综合分析，以两者重合区作为重点异常区，圈定出探测区的隐伏岩溶异常区。根据物探推断结果在测区布置有３个验证钻孔，根据钻孔资料，钻孔 ＺＫ３在物探圈定的异常深度处遇到溶洞；钻孔 ＺＫ１、ＺＫ２在物探圈定异常区，岩芯节理裂隙发育，部分存在溶蚀现象，与综合物探推断结果基本一致。
３ 结语
（１）本次综合磁翻柱液位计从不同物性角度对探测成果作出了贡献：超高密度电法根据岩层电阻率差异分辨出岩溶形态；地震映像勘探根据不连续波组反射现象判定岩溶发育特征。两者优势互补，相 互 佐 证，查明了测区的岩溶发育情况和分布范围等，有效地完成了岩溶勘察任务，为路基设计施工提供了科学依据，表现出成本低、效率高的特点。
（２）地球物理探测方法具有多解性，而且对于不同的地形地貌和地质条件，不同的磁翻柱液位计均存在各自的优势和局限性，在探测深度和精度上也体现出明显的差异。实践证明，结合现场条件，选择两种或两种以上适合的物探手段的综合勘探方法，可使勘察结果更加准确、高效、经济。