岩溶地区地下土溶洞勘察、评价、处理方法研究 - 图文

中国煤炭地质总局广东煤炭地质局 岩溶地区地下土溶洞勘察、评价、处理方法研究

不断提高判释水平。

岩溶场地的工程地质测绘和调查，除应遵守有关规范的规定外，尚应调查下列内容：

1 岩溶洞隙的分布、形态和发育规律； 2 岩面起伏、形态和覆盖层厚度；

3 地下水赋存条件、水位变化和运动规律； 4 岩溶发育与地貌、构造、岩性、地下水的关系； 5 土洞和塌陷的分布、形态和发育规律； 6 土洞和塌陷的成因及其发展趋势； 7 当地治理岩溶，土洞和塌陷的经验。

2.2.2 综合物探法

地球物理勘探简称物探，其原理是利用地下岩土体的物理性质的差异来探测地层岩性、地质构造等地质问题。

由于土溶洞内的物质（空洞、半充填或全充填）与周围物质的物理性质一般都有较显著的差异，这为物探方法在土溶洞的勘探中的应用提供了可能性。

工程物探具有“透视性”、效率高、成本低以及可以在现场进行原位岩土物理力学性质测试等优点，在工程勘察中日益得到重视和发展。但是各种物探方法都具有条件性和局限性，一般都还存在多解性，因此正确选择和运用各种物探方法，进行综合物探，并与已有的地质、钻探资料作对比，才能获得好的地质效果。灰岩地区，地形、地质情况相对复杂，各种物探方法都受一定条件限制，因此，在一些地形、地物条件相对复杂的地区进行岩溶物探勘察时，应进行综合物探勘察，利用不同方法对不同的地形、地物、地质条件适用性，尽可能多地获取物探数据进行综合解释，才能取得理想的勘察效果

常见用于土溶洞勘探中的物探方法有直流电法勘探、交流电法勘探、地震勘探，以上三类勘探方法中，又因测量参数或测量装置的不同，又分出多种勘探方法。

（一）直流电法类勘探

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地下的岩土层由于其种类、成分、结构、湿度和温度等不同，而具有不同的电学性质，岩层电学性质的差异为基础，用仪器观测天然或人为的电场变化或电性差异，来解决某些地质问题的勘探方法，称为电法勘探。电法勘探又分直流电法勘探和交流电法勘探两大类，直流电法勘探中常用于土溶洞勘探中的方法有充电法、电剖面法、电测深法、高密度电阻率法等。

1．充电法

充电法是将一供极接于良导性的地质体上，另一电极置于足够远处接地，以使该电极产生的电场实际上对观测电场不产生影响。根据地面观测的电场分布性质（等位线的形状），即可得出良导体的形状、大小和位置。

充电法可以测定地下水的流向和流速，还可以用作岩溶区地下暗河的连通性试验。由于土溶洞内的充填物一般为低阻体，在观测到的电场等位线图上也可以反映土溶洞的形状、大小和位置。

2．电剖面法

固定测量装置，沿剖面测线逐点测量视电阻率值，可获得沿剖面线的视电阻率曲线，它反映岩性沿剖面线变化的情况，称为电剖面法。这种方法可以快速确定岩溶发育带、断层位置等。

3. 电测深法

若固定测点，不断扩大供电电极A、B的距离，使电流在地下分布空间不断扩大，相应的勘探深度则越来越深。其相应于不断增加的电极距(AB/2)的视电阻率曲线（电测深曲线），反映了电阻率随深度变化的情况，即为电测深法。

4. 高密度电阻率法

高密度电阻率法是在常规直流电法基础上发展起来的新型物探方法，它的工作原理与常规直流电法一致，它是以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定的电流场；通过电流场的分布规律来解决地下地质问题。与常规直流电法相比，高密度电法通过多道电极转换开关自动转换测量电极，依次测量，具有直观、高效、高分辨率、高精度等特点。岩土的电阻率除了和岩土层组份有关外，还与岩土的结构、构造、空隙度及含水量等有关，也就是说与地质体所处的自然赋存状态有较强的关系。高密度电法是迄今为止

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最有效的洞穴探测的电阻率法，尤其是数据采集技术的改进使数据采集更迅速，可增大剖面覆盖面积，在强干扰的环境下，以高信噪比探测物体。它可以有效地探测洞穴、圈定洞穴的空间位置。

该方法中常用的装置有温纳(Wenner)、施伦贝格(Schlumberger)、二极法(Pole-Pole)、三极法(Pole-Dipole)、偶极-偶极法(Dipole-Dipole)等。总结各种装置，有如下特点：（1）不同装置，隐伏洞体的视电阻率响应特征不同，微分装置的异常幅值最小，温纳装置的次之，偶极装置的异常幅值相对较大，但异常形态复杂，甚至在高阻洞体的上方会出现低阻异常。（2）不论是隐伏空洞还是充填水或土的洞体，三极装置和温纳装置探测效果最好，三极装置异常幅值大，宽度较窄，温纳装置则抗干扰性较好,异常位置与洞体之间有着对应关系。

（二）交流电法类勘探

交流电法勘探是利用地质体对电磁波的传播、吸收、反射特性，分别用以查找浅部的、两个钻孔（或探洞）之间或地下洞室周围存在的岩溶、断层破碎带等地质结构，交流电法勘探根据其测量装置及测量参数的不同，又分有多种方法，常用于地下土溶洞勘探的有地质雷达、瞬变电磁法、无线电波透视法等。

1、地质雷达

地质雷达技术是近年来越来越被广泛用于探查近距离目的物的一种物探方法，其原理是用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。在电磁波发射的频率一定时，电磁波在介质中传波路径、电磁波反射系数、相位、振幅、频率等物性，主要与介质的介电常数、导电率、磁电率有关。由此从所接收到的波旅行时间（亦称双程走时）、振幅与波形数据，来推断解释地下反射体的形状和埋深。

雷达图形常以脉冲反射波的波形记录。波形的正负峰分别以黑白色，或者以灰阶或彩色表示，在波形图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。根据雷达图象，可以判断地下土溶洞等，而且快速、直观，对地表无损伤。常有两种状态：（1）地下空洞内充填水或其它充填物，使得空洞区域相对于周围介质，电阻率减小，介电常数增加，反射的电磁波相应的波速降低，

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在地质雷达剖面上图像的表现为“凹陷区”。（2）地下空洞内没有充填物，空气的电导率为0，介电常数为1，电磁波传播速度为0.3m/ns，大大超过周围介质的电磁波传播速度。因此，地下空洞在地质雷达时间剖面上图像的表现为“凸型区”。

2、瞬变电磁法

瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。当磁场沿地表向深部传播，当遇到不同介质时，产生涡流场或遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级，释放跃迁产生能量。以及含有大量氢原子的液体的氢原子核恢复原有的排列时，均以磁场的形式释放能量所获的能量。利用接收线圈测量接收到的感应电动势V2。该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释手段(一维反演，视电阻率等)得出地下岩层的结构。由于采用线圈接收V2，故对空间的电磁场或其它人工电磁场敏感，也就是通常所说的干扰。为了减少此类干扰，采用尽量的发射大的电流，以获取最大的激励磁场，增加信噪比，压制干扰。接收装置通常分为分离回线，中心回线和重叠回线3类，以重叠回线得到的信息最为完整，其它次之。

瞬变电磁法则是发现含水破碎带或充水溶洞等低阻地质体的最为有效的一种物探方法。在工程勘探时，寻找地下土溶洞时，会有两种情况：一是充填水或其它充填物呈现低阻特征；二是未充填，为空洞，呈高阻特征。

3、无线电波透视法

无线电波是指频率在几十万赫至几十兆赫电磁波。当它在地下介质中传播遇到低阻的地质体时常被强烈吸收而大大衰减。在岩溶地区，用它探测溶洞效果甚好。工作时，将发射机和接收机分别置于相隔一定距离的两个钻孔内，若两孔之间都是均质的高阻灰岩时，沿井轴各点接收到的无线电波信号较强，如果在透视剖面上有低阻的充水溶洞等存在时，则在低阻体的背面形成一个无线

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