热电站场地紧邻西江, 原始地貌为河流一级阶地, 原分布有蕉林、农作物、鱼塘等, 现已整平, 地形平坦开阔。场地上覆第四系地层, 主要为人工填土层、冲积层、冲淤积层、残积层, 下伏基岩为古近系(E)砂岩和砾岩, 地下水较丰富^[5], 根据钻孔揭露, 覆盖层厚度一般为38 m。前期地质勘探虽发现有岩溶地质发育, 但钻探仅仅发现一些小型溶洞, 勘探结论认为岩溶地质不发育, 无需做进一步的地基地质勘探。但随着建筑施工的进行, 几个建筑工地都发现有大型溶洞存在, 由于不了解溶洞的大小、延伸方向及岩溶地质特征等, 造成了热电站多个建筑的溶洞处理难以持续而无法达到工程地基施工要求。正在进行桩基施工的圆形贮煤仓工地也发生了坍塌事件, 热电站的岩溶发育状况怎么样?对建筑物和施工还会造成多大的影响?以什么样的方式才能最有效地处理场地内的岩溶地质?

由于热电站建设已全面展开, 岩溶地质所造成的地基问题都集中到了一点, 需尽快探明岩溶地质。通常岩溶地质勘探方式有钻探和物探两种, 工程地质初探时使用了钻探工程, 但没有发现场地内岩溶地质的复杂性。现在施工阶段如果使用高密度布钻的方式, 仅出现坍塌的圆形贮煤仓这一个建筑地基实施钻探就至少需要半年时间, 而岩溶地质情况不清楚, 进行了多时的溶洞灌浆处理没有见到实效, 这将严重影响热电站的施工进度。为此, 肇庆热电公司对外发布了岩溶地质勘探项目的公示。

物探有许多的方法适应于对岩溶地质进行探测, 但根据现场情况, 常规方法中以电法勘探进行岩溶地质勘探效果最佳^[6]; 由于勘探现场正在施工, 电法中又以直流电法受到的干扰最小; 在溶洞埋深38 m时, 溶洞的直径通常在8 m左右才能够探明, 而2 m大小的溶洞也可能会对热电站的大型建筑造成不稳定的影响, 这就形成了传统物探方法也难以探明勘探区岩溶地质发育带的难题。

提高物探的勘探精度, 一直以来都是物探技术发展的方向。笔者对地表和井— 地电法的各种装置方式都进行了大量的理论分析和野外试验, 确定了各种装置方式的优劣特征。近几年, 笔者使用井— 地电法在多个项目中成功使勘探精度达到5%。根据热电站圆形贮煤仓的岩溶地质勘探要求, 井— 地电法是目前唯一能够探明岩溶地质发育带的物探方法。由于在技术上已有成功的案例, 笔者承接了热电站部分工程地基的岩溶地质勘探项目, 在此仅以圆形贮煤仓为例进行陈述。

井— 地电法属于利用钻孔对钻孔周围进行地质勘探的一种勘探装置方式, 由于场地正在施工电性干扰大, 曾进行了直流电法和激发极化法测试, 激发极化法受到了较大的电性干扰影响; 在二极和三极电法试验中, 三极装置方式优于二极; 最终选择使用井— 地电法的直流电法三极装置方式。井— 地电法勘探测网按照放射状方式布置^{[7, 8]}。

圆形贮煤仓场地的覆盖层以砂砾石、砂和砂黏土等组成, 岩层为砂岩和砾岩, 实验测试的结果是:含水砂黏土的电阻率值为10~40 Ω · m, 砂和砂砾石的电阻率值为100~280 Ω · m; 砂岩和砾岩的电阻率值为200~400 Ω · m; 溶洞的电阻率值为5~20 Ω · m。由于有了这些电性差异, 使得覆盖层、砂岩和砾岩、岩溶溶洞之间存在一定的电性及介电性差异, 因此具有开展井— 地电法的勘探地球物理前提^[5]。

井— 地直流电法通过施测装置方式由浅入深地进行, 取得野外采集的数据, 再通过计算机处理, 最终形成视电阻率剖面图^{[9, 10]}。

由于井— 地直流电法的立体探测方式, 使得探测点的部位更加具体, 在视电阻率剖面图中反映的就是每一个探测点反映各自方位的电阻率值, 也就是显示了那个点的物质电性特征。根据这些物质电性特征的现场规律, 推测地质地层中各种的存在状态^{[11, 12, 13, 14]}。就此次井— 地电法勘探而言, 探测目标体是溶洞, 在对各种复杂的干扰物暂不考虑的情况下, 溶洞的视电阻率值最低, 在地层中会出现比围岩较明显的低阻异常反映, 可以据此判定为溶洞或土洞^{[12, 13, 14]}。

图1为B测区5号钻孔第3号测线的井— 地电法勘探成果, 根据图中视电阻率的变化, 可以地质地层的变化进行分析判定:深度从0~27 m, ρ _s在15~80 Ω · m之间, 对应为覆盖层的砂黏土层和砂层; 深度28~35 m的ρ _s在100~280 Ω · m之间, 对应为河流一级阶地的较密实的地层; 深度38~52 m的ρ _s在5~40 Ω · m之间。根据钻孔资料, 已知38 m为基岩面, 基岩面以下的低阻带可以判定为溶洞。这个溶洞埋深34 m, 洞高14 m, 宽15 m, 正处在圆形贮煤仓大量桩基施工现场的下方^[2]。

图1

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	图1 QFW-b-5-3测线ρ s剖面

在笔者完成这一测区的数据初步处理之后, 发现了这个较大的溶洞, 于是告知施工方, 并建议做溶洞处理施工, 不然, 桩基施工肯定会出现坍塌事故。但施工方由于各种原因没有停止施工和处理溶洞, 只是小心操作, 一星期后发生坍塌事故, 桩基施工机械落入陷坑中, 地下水喷出地面约1 m。

图2是C测区4号钻孔第1号测线的井— 地电法勘探成果, 可以看到:在埋深36 m, 测线5~10 m处有一个低阻异常; 在埋深38 m, 测线15~20 m处有一个低阻异常; 这两个低阻异常能够判定是溶洞, 洞体高2 m, 宽4 m。虽然该溶洞不会造成坍塌, 但由于在基岩面附近, 桩基如果只是放在溶洞的上部, 将会降低桩基的承载力, 甚至造成下沉。从该图显示的低阻异常, 即推断的溶洞大小, 以勘探精度的标准衡量, 其精度为5%。

图2

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	图2 QFW-C-4-1测线ρ s剖面

图3显示了D测区1号钻孔第3号测线的井— 地电法勘探成果, 可以看到:在埋深57 m, 测线15 m和30 m处有两个低阻异常, 判定为溶洞, 其中15 m处的溶洞稍小, 洞体高约3 m, 30 m处的溶洞稍大, 洞体高约4 m。这里的基岩面在36 m处, 溶洞虽然不会影响桩基的稳定性, 但和其他的溶洞联通, 对溶洞的处理有一定的影响。

图3

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	图3 QFW-D-1-3测线ρ s剖面

图4为井— 地电法的20个钻孔和131条测线的工作布置及探测成果平面。探明圆形贮煤仓场地内大体上有7条岩溶发育带, 发育带的走向为北西向, 其中南部和东南部都发育有较大的溶洞。地表坍塌的东南部, 根据视电阻率曲线剖面图判定有土洞存在, 在施工震动作用下造成了坍塌。

图4

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	图4 现场工作布置及勘探成果平面

热电站圆形贮煤仓东侧为西江, 距离约40 m。从井— 地电法勘探的结果来看, 圆形贮煤仓的东南侧都存在较大的溶洞, 为查明原因, 笔者对地下水流向做了一个简单的测试, 发现地下水是沿岩溶发育带自北西至南东方向流动, 从而判定地下水补给地表水。从井— 地电法探测的结果了解到, 岩溶发育带大多在基岩面以下, 岩溶地下水在接近河流时, 地下水冲破隔水层较薄弱部位, 向上涌入河床。这种向上的地下水在流动的过程中, 侵蚀了覆盖层中的泥土, 从而造成了各种土洞, 在地表工程施工及破坏地层稳定性的过程中, 土洞比较大和地层稳定性较薄弱的部位就会形成下陷。这就是造成地面坍塌的主要原因。

从水流测试和坍塌涌出的水量都能够判定地下水有较大的压力和流速, 这是热电站场地中岩溶地下水的普遍特征。之前其他建筑工程存在岩溶灾害地质, 进行溶洞处理一直没有取得好的效果, 就是因为不了解这种情况, 溶洞灌浆处理的水泥都冲进了西江, 溶洞处理检测没有发现水泥的原因。

由于热电站场地的岩溶地下水压力大、流速快和向上补给地表水等特点, 在岩溶处理上, 建议做隔水处理, 即在岩溶发育带(地下水通道)两端先灌注速干水泥, 以降低水压和截断水流, 不让随后灌注的水泥冲走。岩溶处理的设计和施工方案以物探成果数据为依据。从图4 可以看到圆形贮煤仓测区有8 条岩溶发育带, 在岩溶发育带的两端都布置了钻孔, 该16 个钻孔都发现了溶洞, 验证了井— 地直流电法成果的准确性。在16 个钻孔中灌注了速干水泥, 又在岩溶发育带的部位打钻, 灌浆, 处理所有的岩溶地基。为了解建筑工地岩溶处理的情况, 又进行了发育带溶洞处理结果验证, 钻孔资料显示溶洞已被水泥充填。以上建筑地基的岩溶地质处理成果也证明了物探成果的准确性。

利用井— 地电法进行岩溶地质勘探, 能够立体地、较全面地了解复杂的岩溶地质, 并通过这种了解确定探测场地中岩溶发育的普遍规律, 从而能够确定岩溶地质有效的溶洞处理方式。

利用井— 地电法探明各种地质情况, 具有费用低、快捷、电性干扰小、地层影响小、场地限制小和高分辨率的特点。本次岩溶地质勘探的效果说明, 在城市地质勘查中, 井— 地电法不仅能够在地质勘探阶段中应用, 还能够在工程施工中进行地质勘探。

使用井— 地电法完成高精度岩溶地质勘探项目, 就如同医学中从普遍的x光技术的使用发展到CT扫描一样, 从一般的透视到清晰地显示各种细小病变; 在探矿中就能仔细地“ 看到” 地下岩溶地质情况。过去被认为的一些地质难题能够快速解决, 这一直流电法高清晰勘探技术从而极大地提高了电法勘探的能力和拓展了应用领域。虽然, 这一新技术在实践中已经能够取得很好的地质勘查效果, 但还有许多需要完善的地方, 希望这一篇文章在发展这一新技术方面能够起到抛砖引玉的作用。