何灿高 周振广

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

岩溶指可溶性岩石长期被水溶蚀以及由此引起各种地质现象和形态的总称，在我国西南地区广泛发育。对于水利工程建设而言，可溶岩一般属于硬岩或中硬岩，承载力和抗剪强度较高，具有良好的物理力学特征，完全可以满足工程建设的需求，其经水的侵蚀作用逐渐形成溶蚀裂隙、溶洞、溶蚀深槽等不同形态的岩溶，工程性能指标相应大大降低，对工程建设非常不利。在岩溶区，水库工程中常见岩溶渗漏、岩溶塌陷、岩溶诱发地震、岩溶浸没，以及坝基渗漏、坝基失稳、边坡失稳等工程地质问题；在地下洞室工程中常见围岩失稳、涌水、突泥等工程地质问题。

岩溶勘察在水利工程建设前期阶段尤其重要，主要勘察方法包括地质调查、勘探(钻探、洞探、竖井和坑槽探)、地球物理勘探(物探)等。地质调查通过调查地形地貌、地层岩性、地质构造等，依赖人员经验推断分析，缺乏直接证据；勘探通过取芯或开挖直接揭露岩溶，难以反映勘探范围以外的地质情况，且成本较高。

物探方法基于探测的目标体与围岩的电性、弹性等物性参数差异进行探测，可客观反映地层的物性参数分布特征，通过分析物性参数与地质特征的相关关系，将物性分布特征转化为地质分布特征，进而实现地质勘探的目的。溶蚀岩体相对未溶蚀围岩多具有较低的弹性、电性参数，且溶蚀发育程度越高相应的参数越低。如果溶蚀发育成溶洞，则分为两种情况，当溶洞充水或填充黏性土、碎石土时，相对围岩多具有较低的弹性、电性参数；当溶洞为空气充填时，相对围岩多具有较低的弹性参数和较高的电性参数。因此，在岩溶探测中具备采用物探方法的前提。物探方法具备快速、高效、成果直观、探测精度高、成本低等优势，在工程地质勘察中发挥的作用越来越大。然而物探方法种类繁多，探测原理、工作方式、适用条件各不相同，因此总结分析各种方法的特点，并在工程勘察实践中结合现场工作条件选用合适的方法或方法组合进行探测尤为重要。

1 物探概述

物探方法包括地面探测方法和孔内测试方法，基于电性参数的方法包括高密度电法、瞬变电磁法、音频大地电磁测深法、探地雷达法等地面探测方法及孔间电磁波CT等孔内测试方法；基于弹性参数的方法包括地震折射波法、瞬态面波法等地面探测方法及单孔声波测试、孔间声波CT等孔内测试方法。孔内全景数字成像则可直观显示孔壁岩体裂隙分布、完整性、溶蚀发育特征等。

1.1 高密度电法

高密度电法是以地层内隐伏目标体与周边介质或不同物性层间存在的电阻率差异为前提的一种直流电法，采用密集的阵列式电极排列进行纵横向连续数据采集，可获得一个倒梯形的二维电性剖面，既能揭示地下某一深度水平岩性的变化，又能提供岩性沿纵向的变化情况[1-3]。

高密度电法具备测点密度高、信息量大、工效高、资料解释直观等优势；但需较好的接地条件，探测深度约为最大供电极距的1/6，受排列长度限制较大，分辨率随探测深度加大逐渐降低。多在场地较开阔、供电条件较好、探测深度相对较小时使用；在基岩裸露、覆盖层接地条件较差或探测深度较大时使用受限。

1.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法以地下介质之间的导电性和导磁性差异为物理基础，利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，以解决有关地质问题的时间域电磁法，可获得地层二维视电阻率剖面[4]。

现场探测为点测方式，不受场地接地条件、地形等限制，探测深度较大、工效高、资料解释直观，相比高密度电法，可用于探测深部较小异常，但浅部数据可信度差。常与高密度电法同时使用，浅部探测以高密度电法为准，深部探测则以瞬变电磁法为准。

1.3 音频大地电磁探测法

音频大地电磁探测法利用天然源大地电磁波在介质中的传播，记录电磁波时间域信号，通过傅里叶频谱分析、反演成像等获取地下介质视电阻率剖面[5]。

音频大地电磁测深法利用的电磁波频率丰富，探测深度范围较大，可从数十米至数千米，现场探测与瞬变电磁法类似，采用点测方式，不受地形限制，但存在探测盲区，通常情况下埋深30m以内数据可信度差，探测分辨率、精度相对高密度电法而言较低，随着探测深度加大，分辨率逐渐降低，多用于埋深、规模较大的异常地质体如大构造破碎带、岩性分界面、较大落水洞、地下暗河等探测。

1.4 探地雷达法

探地雷达法是利用高频电磁波的反射来探测有电性差异的界面或目标体的一种物探方法。主频为数十、数百乃至数千兆赫的高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，通过发射天线发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达测试剖面图。根据电磁波旅行时间、幅度、频率和波形等特征，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征[6]。

探地雷达法探测分辨率高，对规模较小的异常体反映较好，但探测深度较小，一般在20m以内，在黏性土、水分含量高等电阻率较低的介质中信号衰减很快，探测深度受限，主要用于解决地表浅部异常，多用于覆盖层较薄或基岩裸露且地下水位较深的干燥场地。

1.5 地震折射波法

地震折射波法利用人工激发的地震波在岩土界面产生折射现象，对具有波速差异的地层或构造进行探测，可获取不同层面的地震波速及层厚。

现场探测需场地较为平整，地形起伏不大，要求下层介质波速大于上层介质，探测深度受炮检距限制，随炮检距增大，地震波能量衰减，在岩溶探测中多用于对高密度电法、瞬变电磁法等不易划分层位的测段进行补充探测。

1.6 瞬态面波法

瞬态面波法利用人工激发的面波在介质中的传播特性进行探测，其振幅随深度衰减，能量基本限制在一个波长范围内，同一波长面波的传播特性反映介质在水平方向的变化情况，不同波长面波的传播特性反映不同深度的地质情况。通过采集接收面波信号，对时域信号进行频谱分析和处理，分离不同频率的面波，获取频散曲线，进而划分地层。

现场探测要求地形起伏不宜太大，不受地层波速逆转限制，可探测高波速地层以下地质情况，具有较高的分辨率，震源所需能量较少，锤击震源一般可探至地下50m，资料解释时需要钻孔或对已知地质资料进行标定才能较准确划分层位。

1.7 单孔声波测试

单孔声波测试通过单发双收换能器测定孔内岩体声波纵波速度值、进行波速分层并评价其完整性和强度。现场测试需向孔内注水耦合，常结合钻孔全景数字成像进行孔内综合测试。

1.8 孔间层析成像(CT)

孔间层析成像技术借鉴医学CT，在钻孔中激发弹性波或电磁波信号，在另一个钻孔中接收传播过来的信号，根据射线扫描，对所得到的信息进行反演计算，重建被测范围内岩体弹性波、电磁波参数分布规律的图像，从而圈定地质异常体。它是一种物探反演解释技术，包含孔间地震波CT、声波CT、电磁波CT。

由于弹性波或电磁波能量在传播中逐渐衰减，因此孔间距离不宜过大，横向探测范围受限。

1.9 钻孔全景数字成像

钻孔全景数字成像可直观、全面地展示孔壁岩体特征，确定岩溶充填情况、溶蚀裂隙分布特征等。

2 工程概况

广西桂林市长塘水库工程，初定装机容量19.6MW，水库总库容4.28亿m3，由枢纽工程、输水工程、灌区工程组成，枢纽工程主要建筑物有拦河大坝、泄水建筑物、电站等，大坝拟建坝型为混凝土重力坝，最大坝高90m，坝顶长度约321m；输水工程供水范围包括临桂、永福两部分，临桂方向输水线路干线长33.38km，分干线长10.10km，永福方向输水线路干线长6.67km，分干线长23.82km；灌区工程由枫木、独峰、炉村、塘堡、广洞、拉搞和广福等7个灌片组成，主要建筑物包括输配水管道、渠(管)道、水闸、倒虹吸、渡槽、涵洞、泵站、水池等。本工程是一座以供水、防洪、灌溉、景观及旅游通航为主，兼顾发电等综合利用的大(2)型水利枢纽工程。

输水工程线路包含隧洞和埋管两段，隧洞段有2km洞段穿越岩溶极为发育的溶蚀洼地(基岩为泥盆系灰岩)，输水线路工程地质勘察的重点是查明该段岩溶分布规律及发育特征。

3 工程探测应用及成果分析

3.1 探测思路

工区内地形较为平坦，地下水位较浅，覆盖层以第四系黏性土为主，物性特征为低电阻率、低波速，局部碎石土含量较高的区域电阻率会相对提高；溶蚀岩体物性特征为低电阻率、相对高波速；非溶蚀围岩物性特征为高电阻率、高波速。

基于覆盖层、溶蚀岩体及非溶蚀围岩的物性差异及现场工作条件，首先采用高密度电法进行地面探测，获取浅部地层信息并粗略划分地质层位；其次采用瞬变电磁法进行深部探测以获取深部地层信息。对覆盖层与下伏基岩的分界面则采用地震折射波法进行探测，进一步精确划分层位；选取典型异常段进行钻孔取芯以验证地面物探成果，并在孔内开展单孔声波测试、钻孔全景数字成像，精细查明岩溶特征。

3.2 探测成果分析

隧洞中心线位置视电阻率剖面纵向主要呈现三层(相对低阻—低阻—高阻)地电结构，从上至下分别对应覆盖层、强溶蚀发育的基岩、溶蚀不发育的基岩(见图1)。

图1 高密度电法电阻率剖面

黏性土视电阻率约100～350Ω·m，碎石土含量较高测段视电阻率约500～2600Ω·m，局部测段覆盖层与下伏岩溶视电阻率接近较难区分，覆盖层厚约5～15m；强溶蚀发育的基岩，视电阻率约10～500Ω·m，层厚约15～30m，其中视电阻率低于150Ω·m区域推测发育黏性土、碎石土或地下水充填的溶洞，其余部分溶蚀裂隙发育，岩溶基本贯通，近水平展布在高程140～170m间(桩号里程1670～1850m间地势较高，高程可达190m)；溶蚀不发育的基岩视电阻率约500～6000Ω·m，受探测深度限制，高密度电法对该层揭露范围较小。

岩溶总体分布在高程140m以上，除桩号里程1690～1800m外，隧洞(高程155m)基本全线穿越溶蚀发育岩体。

钻孔ZK3揭露孔深0～8m为含碎石粉质黏土，孔深8～28m为溶蚀基岩与黏性土充填的溶洞交替分布，孔深28m以下为完整基岩，与高密度电法划分的层位基本一致(见图2)。除局部为破碎溶蚀岩体外，主要为黏性土充填的溶洞。

图2 钻孔ZK3岩芯

部分测段采用地震折射波法进行探测(见图3)。探测深度范围内地层可分为三层波速结构，第一层地震波速300～380m/s，层底埋深3.8～5.0m，为水位以上覆盖层；第二层波速1240～1440m/s，层底埋深9.6～14.5m，为水位以下覆盖层；第三层地震波速约2290m/s，为溶蚀发育的基岩。在高密度电法探测的基础上，划分了地下水位并精细划分了覆盖层底界面。

图3 地震折射波法时距曲线

瞬变电磁法探测，视电阻率剖面同样呈现三层结构，第一层视电阻率约250～500Ω·m，层厚约10～18m，为覆盖层；第二层视电阻率约500～1100Ω·m，层厚约30～60m，为溶蚀岩体；第三层视电阻率约1100～1500Ω·m，为溶蚀不发育岩体。瞬变电磁法划分的层位与高密度电法总体趋势一致，但对覆盖层、岩溶等浅部信息划分精度差，补充了深部信息，揭露工区溶蚀发育较强且分布在高程130m以上，以下未见明显的岩溶发育迹象，岩溶发育呈贯通状，无孤立发育的岩溶(见图4)。

图4 瞬变电磁法视电阻率剖面

部分岩溶孔内声波测试结果，孔深41～47m岩体波速约1800～1980m/s，为完全黏性土充填的溶洞；孔深47～51m岩体波速约2000～3320m/s，为溶蚀发育且部分黏性土充填。声波统计表明，溶蚀较为发育孔段岩体波速范围值、平均值分别为1520～3320m/s、2280m/s，完整性系数平均值0.13，为破碎岩体(见图5)。

图5 岩溶声波测试曲线

典型岩溶孔内全景数字成像测试结果，从左至右分别为地下水充填的溶洞、完全黏性土充填的溶洞、溶蚀发育且部分黏性土充填(见图6)。

图6 岩溶钻孔全景数字成像

3.3 探测结论

本工程输水隧洞岩溶段地层为三层结构，从上至下依次为覆盖层、强溶蚀发育的基岩、溶蚀不发育的基岩。覆盖层为含碎石的粉质黏土，局部碎石含量较高，层厚约5～15m，地下水位位于覆盖层内，埋深约3.8～5.0m；强溶蚀发育的基岩，层厚约15～40m，主要分布于高程约130m以上，近水平发育，呈贯通状，未见孤立发育岩溶，多形成黏性土或地下水充填的溶洞。

4 结 语

本文依据岩溶与围岩在电性、弹性参数方面的差异，提出了采用物探方法进行岩溶探测的思路，介绍了常用的物探方法及其适用条件、优劣势、不同的方法组合，并在岩溶探测实践中加以应用，查明了岩溶分布规律和特征，取得了较好的效果。

岩溶探测中应根据工程地质条件选择合适的方法探测或多种方法组合进行综合探测并相互补充验证。地面探测方法随深度增加探测精度会降低，尤其高密度电法、瞬变电磁法、大地电磁法等具有体积效应，电阻率剖面是地下一定范围内介质的综合反映，很难对异常区进行精细划分，如本工程中视电阻率剖面显示岩溶发育层视电阻率极低，推测岩溶多形成黏性土或地下水充填的溶洞，钻孔实际揭露的多为溶洞与溶蚀岩体交替分布。因此，在地面探测的基础上，很有必要对异常区进行钻孔取芯并进行孔内物探测试，进一步提高探测精度。