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高密度电阻率法和瞬变电磁法在场地溶洞勘查中的综合应用


第 21 卷   增刊 地 2006 年 10 月                  

  Sup                            Vol . 212006 . 质 找 矿 论 丛 Oct .

高密度电阻率法和瞬变电磁法 在场地溶洞勘查中的综合应用
卢贵清 ,夏金儒 ,谌进波
( 武汉科岛地理信

息工程有限公司 ,武汉 430081 )

摘  :  要 文章介绍了高密度电阻率法和瞬变电磁法 ( TEM) 工作原理 、 特点及工作方法 ,并举例示 范两种物探方法查找场地内溶洞及岩溶发育带的工作程序 。高密度电阻率法对圈定岩溶分布 、 断 层破碎带的追索 、 管线调查 、 物探找水 、 采空区 、 岩溶 、 滑坡等问题非常有效 ,而且成果直观 、 易于判 读 ;瞬变电磁法对探测低电阻目标物敏感 ,主要用于探测含水层 、 溶洞 、 陷落柱 、 含水断层等地质构 造情况 。两者综合应用 ,可以更好地解决工程地质问题 。 关键词 :   高密度电阻率法 ; 瞬变电磁法 ; 原理 ; 应用实例 中图分类号 :  P631. 3   文献标识码 :     A 文章编号 :   100121412 ( 2006) S020168203

0  引言

地球物理勘查技术经过几十年的发展 , 基本理 论和实际运用已逐渐成熟 , 每种方法又可以细分为 更多的方法 ,且每种方法都有自己的 “特长”能解决 , 特定的问题 ,为了避免单一物探方法的多解性 ,在工 程地质勘探中多采用综合物探方法 , 充分发挥每种 物探方法的优点 、 抑制其局限性 , 互相补充 、 互相印 证 。综合物探方法是物探发展的必然趋势 。本文以 高密度电阻率法和瞬变电磁法 ( T EM ) 综合应用为 例 ,介绍综合物探方法的工作程序 。

工场地尤为适应 。一条高密度电法测线能了解地下 一个面状信息 ,通过合理布置测线 ,能三维勾划地质 体 ,从而达到立体勘探 。 高密度电阻率法是一种阵列勘探方法 。野外测 量时只需将全部电极置于测点上 , 然后利用程控电 极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快 速、 自动采集 , 当将测量结果送入微机后 , 还可对数 据进行处理并给出关于地电断面分布的各种图示结 果 。高密度电阻率法较常规电阻率法具有以下特 点: ① 电极布设一次完成 ,减少了因电极设置而引起 的故障和干扰 ,为野外数据的快速 、 自动测量奠定了 基础 ; ② 能有效地进行多种电极排列方式的扫描测 量 ,可以获得较丰富的地电断面结构特征的地质信 息; ③ 野外数据采集实现了自动化或半自动化 ,采集 速度快 ( 每一测点需 2 ~ 5 s) , 避免了手工操作经常 出错的问题 ; ④ 可对资料进行预处理并显示剖面曲

1  工作原理

线形态 ,脱机处理后还可自动绘制 、 打印各种成果图 1. 1   高密度电阻率法的工作原理 件; ⑤ 与传统的电阻率法相比 ,成本低 、 效率高 、 信息 高密度电阻率法又称高密度电法 。它的基本原 丰富 、 解释方便 ,勘探能力显著提高 。 理与普通电阻率法相同 , 它集中了电剖面法和电测 1. 2   瞬变电磁法( TEM 法) 的工作原理 深法的特点 ,能快速而准确地获取丰富的地下信息 。 瞬变电磁法 ( 即 T EM 法 ) , 也称时间域电磁探 该技术采用三电位电极系装置 , 通过连续密集的采 集测线的电响应数据 , 实现地下分辨单元的多次覆 盖测量 ,具有压制静态效应及电磁干扰的能力 ,对施
   收稿日期 :2006207205

测法 ,是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉 冲式一次电磁场 ,在一次脉冲磁场的间歇期间 ,利用 线圈或接地电极观测由该脉冲电磁感应场的地下涡

作者简介 : 卢贵清 (19652) ,男 ,湖北荆州人 ,高级工程师 ,1986 年毕业于桂林冶金地质学院物探专业 ,从事地质找矿 、 工程物探工作 。

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第 21 卷   增刊

卢贵清等 : 高密度电阻率法和瞬变电磁法在场地溶洞勘查中的综合应用

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流产生的二次电磁场的空间和时间分布 , 从而来解 决有关地质问题的时间域电磁法 。它是在没有一次 场背景的情况下观测研究二次场 ( 纯异常 ) , 简化了 对地质对象所产生的异常场的研究 , 提高了探测能 力 ,具有良好的市场前景 。瞬变电磁法具有体积效 应小 、 等值范围窄 、 测地工作简单 、 工作效率高等优 点 ,还具有探测深度大 、 分辨能力强等特点 , 是近几 年地球物理勘探中发展很快的一种方法 。瞬变电磁 法与传统的直流电法比有以下几个特点 : ① 使用同 点装置工作 , 与目标体有最佳耦合 , 异常幅值大 、 形 态简单 ,受旁侧地质体影响小 。在高阻地区由于高 阻屏蔽作用 ,直流电法要达到较大的探测深度需有 较大的极距 ,故其体积效应就大 ; 而 T EM 在高阻区 用较小的回线可达到较大的探测深度 。因此 , 在同 样条件下 T EM 较直流电法的体积效应小得多 ; ② 在高阻围岩地区 , T EM 几乎不存在地形起伏引起的 假异常 ,而直流电法则受地形影响较大 ,这有利于高 阻围岩地区开展 T EM 工作 ,并取得很好的效果 ; ③ 瞬变电磁法较直流电法及 CSAM T 对低阻有较高 的分辨力 。

图 1  TEM 电阻率断面图及解释剖面
Fig. 1  Resistivity section and t he interp reted section of TEM

2  综合应用实例
现以某地桥梁桩基工程物探为例介绍高密度电 阻率法和瞬变电磁法在场地溶洞勘查中的综合应 用 。工作目标是在场地的一定范围内查明基岩 ( 灰 岩) 埋深及空间分布 ; 查明土洞 、 、 溶洞 溶蚀带的分布 情况 ; 对各桩底下的情况要逐一解释 ,特别是对已浇 筑混凝土的桩底是否存在溶洞及临空面等不良情况 作出准确判定 ; 查明 11 号墩发生地面塌陷的原因 , 对场地的工程安全性和稳定性作出评价 。探测深度 为 60 m 。 瞬变电 磁 法 采 用 加 拿 大 生 产 的 瞬 变 电 磁 仪 ( EM57 型) ,因为所探测的高架桥地层最大深度为 60 m ,故线圈边长选取 20 m 。为查明每个墩基础下 的地质情况 ,每墩布设 2 条剖面线 ,线距 3 m ,点距 2
m ,每条剖面布设 16 点 。高密度电法采用重庆地质 仪器厂生产的高密度电法仪 ( W GMD2 Ⅲ型 ) , 按每

不在墩位基础的下方 ,应不构成影响 ,有些墩位的旁 侧有溶洞 , 桩机施工时会碰到 。在图 1 中 , 从 T EM 断面图推测 ,在 4 ~ 5 点 、 23 m 标高处 ,7 ~ 10 点 、 - 20 m 标高处和 13~15 点 、 20 m 标高处各有一 处溶洞 。 2. 2   高密度电法成果资料解析 该测区基岩上覆盖粘土和残积土 ,且富含水 ,电 阻率较低。从视电阻率拟断面图和电阻率反演解释 结果图上可以看到 ,浅部电阻率较低 ,为粘土和残积 土的反映 ;深部电阻率相对较高 ,为基岩灰岩的反映 (图 2) 。    根据已知地质情况 , 测区溶洞 、 溶蚀带富含水 , 呈现低阻特征 。在深部灰岩高阻背景场下 , 低阻的 区域即可判断为溶洞或溶蚀带 。测区表层在墩与墩 之间多数地段有水覆盖 , 因此表层的低阻为水体的 反映 。在覆盖层低阻的背景场下 , 在覆盖层整个层 位中电阻率更低的地段 ,可推断为松散土层或土洞 。 2. 3   工程地质安全稳定性评价 施工区域内溶洞 、 裂隙等岩溶虽较发育 ,但在场 地内没有发现隐伏断层和大规模基岩 ( 灰岩) 溶蚀现 象 ,说明施工区域内基岩是稳定的 。
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墩 4 个桩位轴线布设 4 条剖面 , 测线长度皆为 600 m ,线距 5 m ,点距 3 m 。 2. 1  TEM 成果资料解析

施工区内的灰岩地段属岩溶较发育的地段 , 位 置一般在灰岩顶部及与泥岩接触带附近 。有些溶洞

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还会继 续 发 生 , 对 高 架桥桩基的安全稳定 性构成影响 。有些溶 洞不在墩位基础的下 方且规 模 较 小 , 对 墩 位不构 成 影 响 ; 有 些 墩位的 旁 侧 有 溶 洞 , 桩基施 工 碰 到 时 , 只 要处理 得 当 , 对 桩 基 础不会 构 成 影 响 ; 部 分墩底下伏层灰岩存 在溶洞 或 溶 蚀 带 , 可 能影响桩的承载力和 稳定性 。覆盖层中的 松散土层或土洞存在 继续塌 陷 的 可 能 性 , 会对桩体产生负摩擦 力和剪 切 破 坏 , 影 响    对于个别墩局部桩位地表塌陷问题 , 因该地段 位于灰岩与泥岩的地层分界线上 , 沿地层分界面灰 岩岩溶裂隙比较发育 ,且连通性良好 ; 灰岩上覆土层 较松散 ,松散层中的地下水与岩溶裂隙水连通性良 好 ,在钻孔施工扰动过程中 ,沟通了潜水和下部岩溶 裂隙水 ; 加之在与钻孔连通时压力较小 ,致使局部发 生塌陷 。松散土层或土洞若不进行加固处理 , 塌陷 桩的承载力和稳定性 。 2. 4   钻孔验证情况 钻孔揭露 ,物探成果资料解析与钻探结果基本一 致 ,稍有区别的是物探给出了个别溶洞的局部延展方 向 。这说明用瞬变电磁法和高密度电法综合勘查场 地溶洞是有效的 、 准确的 (图 3) 。

图2  高密度电法视电阻拟断面图及反演结果
Fig. 2  Simulated apparent resistivity section and inverse result s of high density elect ric technique investigatio n

3  结束语
高密度电阻率法对圈定岩溶分布 、 断层破碎带 的追索 、 管线调查 、 物探找水 、 采空区 、 岩溶 、 滑坡等 诸多工程地质问题非常有效 。而且勘探成果非常直 观 ,易于判读 。瞬变电磁法对探测低电阻目标物敏 感 ,主要用于探测含水层 、 、 溶洞 陷落柱 、 含水断层等 地质构造情况 。两者综合应用 ,可以互相印证 、 互相 补充 ,更好地解决工程地质问题 。高密度电阻率法 和瞬变电磁法不仅是目前较先进的物探技术之一 , 而且还拥有广阔的市场前景 。

参考文献 :
[1]   冯兵 ,孙渊 ,李貅 . 工程及水文物探教程 [ M ] . 西安 : 陕西人民

图 3  TEM 电阻率断面钻孔验证图
Fig. 3  TEM resistivity section verified by drilling

教育出版社 ,2003.

( 下转第 184 页)

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对目标物的探测 , 选取适当的物探方法是非常 重要的 , 如探测水下抛石层 、 滑移面的探测 , 采用地 质雷达方法效果并不明显 ,如采用地震映像 、 瑞雷波 法探测则效果更好 ,另外 ,采用综合物探方法进行对 比分析是提高探测准度的重要手段 。 对采集的原始数据进行更多的处理 , 使地质雷 达探测成果图像化 、 可视化是地质雷达探测发展的 方向之一 。

参考文献 :
[1]   李大心 . 探地雷达方法与应用 [ M ] . 北京 : 地质出版社 ,1994. [2]   王兴泰 . 工程与环境物探新技术新方法 [ M ] . 北京 : 地质出版

社 ,1996.

COMMENTS FOR GROUND PRO SPECTING RADAR ( GPR) ENGINEERING APPLICATION
( 1 . Chi na uni versit y of geolog y , W uhan 430074 , Chi na;

2 . Chi na met al l ur gical an d geological p ros pecti n g general bu reau
center_ sout h burrau , W uhan 430081 , Chi na)

Abstract :  GPR has been widely used in geological exploratio n at shallow dept h wit h goo d result s. This ing qualit y of channel and detectio n of karst cave. tio n of kar st cave paper discusses eliminatio n of dist urbance , detectio n of air2raid shelter , check up of road surface and lin2 ( 上接第 170 页) sistivit y and t ransient elect ro magnetic technique , and p resent s working p rocedure of t he t wo techniques ample tivit y technique is effective for locating karst dist ributio n , t racing cataclastic fault zo nes , pipeline investi2 gatio n , determining undergro und water , mining cavities and landslide and t he result is audio visual t hus such as aquifer s , kar st , column collap se etc. Integratio n of t he t wo techniques is more effective to solve easy to interp ret ; t ransient elect ro magnetic technique is sensitive to detect target s wit h low resistivit y , t he engineering p ro blems. Key Words :   high densit y resistivit y technique ; t ransient elect ric magnetic technique ; p rinciple ; case ex2
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for locating karst or kar st develop ment zo nes in enginerring sites of t he case examples. High densit y resis2

Abstract :  The paper int roduces working p rinciple and met hods and t he characteristics of high densit y re2

Key Words :  GPR detectio n ; cavit y detectio n ; check up of road surface ; lining qualit y of channel ; detec2

INTEGRATED APLLICATION OF HIGH DESITY RESISTIVITY AND TRANSIENT EL ECTROMAGNETIC TECHNIQUE TO KARST INVESTIGATION IN ENGINERING SITE
( W uhan Ke d ao Geop hysical I n f orm ation En gi neeri n g Co. lt d , W uhan 430081 , Chi na)

L U Gui2qing , XIA Jin2ru , CHEN Jin2bo

Y U Zhong2ming1 , 2 ,D ING Qiang2


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