綜合磁翻柱液位計(jì)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(shí)例,選用超高密度電法和地震映像法對現(xiàn)場進(jìn)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(yàn)證,有效地完成了巖溶勘察任務(wù),為路基設(shè)計(jì)施工提供了科學(xué)依據(jù)。實(shí)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(jì)進(jìn)行綜合分析,可使勘察結(jié)果更加準(zhǔn)確、高效、經(jīng)濟(jì)。
引言
伴隨著我國經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確地查明路基隱伏巖溶發(fā)育情況,對高速公路設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)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(jì)有高密度電法[3]、淺層地震法[4]、地質(zhì)雷達(dá)法[5]等。然而磁翻柱液位計(jì)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(jì)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(shí)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(jì),通過兩種解釋結(jié)果與鉆探結(jié)果的驗(yàn)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(jì)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(jì)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(diǎn)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)電阻率法,因此可獲得的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)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(shí),由于超高密度電阻率法通過電極轉(zhuǎn)換器可實(shí)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(jìn)行電剖面和電測深數(shù)據(jù)的快速采集,并可在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(qiáng)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(gè)恰當(dāng)?shù)钠凭?,多次按照相同的點(diǎn)距同步移動激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn),通過記錄有效地震波的波形,從而可得出一條地震映像時(shí)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(shí)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(cuò)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(shí)間剖面表現(xiàn)出的波形簡單直觀,便于判別分析。 2 工程實(shí)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(jìn)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(jì)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(qiáng)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(gè),點(diǎn) 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(yàn),采用 單次激發(fā)、單道接受的方式,測量時(shí)點(diǎn)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(jìn)行處理。首先進(jìn)行壞點(diǎn)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(jìn)行格式轉(zhuǎn)換及選擇合適的反演參數(shù)和反演方法進(jìn)行反演計(jì)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(jìn)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(shí)間剖面圖。需要注意的是在數(shù)據(jù)處理過程中不需要進(jìn)行動校正這一步驟,既節(jié)省了數(shù)據(jù)處理的時(shí)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(shí)間剖面見圖4。一 般 巖 溶 在 地 震 映 像時(shí)間剖面圖中主要表現(xiàn)為同相軸錯(cuò)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(cuò)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(zhǔn)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(diǎn)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(gè)驗(yàn)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(jì)從不同物性角度對探測成果作出了貢獻(xiàn):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(bǔ),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(jì)施工提供了科學(xué)依據(jù),表現(xiàn)出成本低、效率高的特點(diǎn)。
(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(jì)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(shí)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(zhǔn)確、高效、經(jīng)濟(jì)。
引言
伴隨著我國經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確地查明路基隱伏巖溶發(fā)育情況,對高速公路設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)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(jì)有高密度電法[3]、淺層地震法[4]、地質(zhì)雷達(dá)法[5]等。然而磁翻柱液位計(jì)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(jì)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(shí)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(jì),通過兩種解釋結(jié)果與鉆探結(jié)果的驗(yàn)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(jì)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(jì)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(diǎn)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)電阻率法,因此可獲得的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)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(shí),由于超高密度電阻率法通過電極轉(zhuǎn)換器可實(shí)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(jìn)行電剖面和電測深數(shù)據(jù)的快速采集,并可在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(qiáng)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(gè)恰當(dāng)?shù)钠凭?,多次按照相同的點(diǎn)距同步移動激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn),通過記錄有效地震波的波形,從而可得出一條地震映像時(shí)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(shí)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(cuò)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(shí)間剖面表現(xiàn)出的波形簡單直觀,便于判別分析。 2 工程實(shí)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(jìn)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(jì)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(qiáng)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(gè),點(diǎn) 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(yàn),采用 單次激發(fā)、單道接受的方式,測量時(shí)點(diǎn)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(jìn)行處理。首先進(jìn)行壞點(diǎn)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(jìn)行格式轉(zhuǎn)換及選擇合適的反演參數(shù)和反演方法進(jìn)行反演計(jì)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(jìn)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(shí)間剖面圖。需要注意的是在數(shù)據(jù)處理過程中不需要進(jìn)行動校正這一步驟,既節(jié)省了數(shù)據(jù)處理的時(shí)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(shí)間剖面見圖4。一 般 巖 溶 在 地 震 映 像時(shí)間剖面圖中主要表現(xiàn)為同相軸錯(cuò)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(cuò)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(zhǔn)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(diǎn)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(gè)驗(yàn)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(jì)從不同物性角度對探測成果作出了貢獻(xiàn):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(bǔ),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(jì)施工提供了科學(xué)依據(jù),表現(xiàn)出成本低、效率高的特點(diǎn)。
(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(jì)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(shí)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(zhǔn)確、高效、經(jīng)濟(jì)。