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物探与化探, 2021, 45(1): 252-256 doi: 10.11720/wtyht.2021.1211

工程勘察

高山峡谷地区桥址区岩溶发育特征地球物理勘察

陆泽峰1,2

1.江苏省有色金属华东地质勘查局,江苏 南京 210007

2.南京勘察工程有限公司,江苏 南京 210007

Geophysical exploration of karst development characteristics in bridge site of the alpine gorge area

LU Ze-Feng1,2

1. Nonferrous Metal East China Geological Exploration Bureau of Jiangsu Province,Nanjing 210007,China

2. Nanjing Survey Engineering Co., Ltd.,Nanjing 210007,China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2020-04-27   修回日期: 2020-08-14   网络出版日期: 2021-02-20

Received: 2020-04-27   Revised: 2020-08-14   Online: 2021-02-20

作者简介 About authors

陆泽峰(1963-),男,汉族,江苏常州人,高级工程师,从事岩土工程勘察施工、地质灾害评估的生产管理和科研工作。

摘要

发育深度、充填物、展布方向等岩溶发育特征是在高山峡谷地区进行桥址区地球物理勘察时需要重点考虑的问题,受风化物、岩层、地下水和地形等因素影响,很难得到满意的地球物理勘察信息。某悬索桥建于岩溶发育的高山峡谷地区,为了提高勘察效率,采用浅层地震、音频大地电磁、对称四极测深3种地球物理勘察方法,勘察精度依次提高,勘察内容相互印证,得到表观、宏观和微观岩溶发育特征。上述地球物理综合勘察方法能为类似地区岩溶发育地球物理勘察提供借鉴。

关键词： 高山峡谷 ; 岩溶 ; 浅层地震法 ; 音频大地电磁法 ; 对称四极测深法

Abstract

Karst development characteristics such as depth, fillings and distribution direction are key questions during geophysical survey of bridge site in Alpine gorge area. Satisfactory information of geophysical survey is not available due to influences of weathering,rock,groundwater and topography.In order to improve efficiency of geophysical exploration, shallow seismic method, audio frequency magnetotelluric method and symmetric four-pole sounding method are used for raising geophysical exploration efficiency. As a result, exploration accuracy is improved in turn, and content of exploration is verified by each other. Characteristics of apparent, macroscopic and microcosmic Karst development are obtained.Method of geophysical comprehensive exploration mentioned above can provide reference for similar projects.

Keywords： alpine gorge area ; karst ; shallow seismic method ; audio frequency magnetotelluric method ; symmetric four-pole sounding method

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本文引用格式

陆泽峰. 高山峡谷地区桥址区岩溶发育特征地球物理勘察. 物探与化探[J], 2021, 45(1): 252-256 doi:10.11720/wtyht.2021.1211

LU Ze-Feng. Geophysical exploration of karst development characteristics in bridge site of the alpine gorge area. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2021, 45(1): 252-256 doi:10.11720/wtyht.2021.1211

0 引言

在高山峡谷地区进行交通基础设施建设时,需要修建数量众多的桥梁。修建桥梁前需对桥址进行比选,岩溶发育特征是桥址比选时需要重点考虑的问题。查明岩溶发育特征,可用地质调查、地球物理勘察、钻探的方法,但地质调查只能得到表观岩溶发育特征,地球物理勘察能在纵剖面上得到宏观上不同深度的岩溶发育特征,钻探只能得到微观上不同深度的岩溶发育特征。在碳酸盐岩发育地区选择桥址时,通常采用地质调查先行、地球物理勘察跟进、钻探验证,即表观、宏观、微观三者结合,经济高效的岩溶发育特征勘察方法。其中,适用于岩溶发育特征的地球物理勘察方法包括浅层地震、地面电磁波法、电法、钻孔电磁波法、探地雷达[1],不同的地球物理勘察方法有各自的特点:浅层地震层勘察精度低,但能提供宏观上岩溶发育特征;地面电磁波法勘察深度大,受地形影响小,但勘察费用高;电法勘察费用低,勘察精度高,但野外跑极工作量大,工作效率低;钻孔电磁波法需要钻孔,费用高,有效勘察距离不超过30 m;探地雷达法有效勘察深度通常不超过10 m,且对场地平整度要求高。所以,大面积岩溶发育特征勘察通常采用浅层地震法、电法和地面电磁波法。

在高山峡谷地区如何进行高效经济的岩溶发育特征勘察是一个值得研究的问题,本文以浅层地震法、地面电磁波法、电法对某特大桥桥址区岩溶发育深度、充填物、展布方向等岩溶发育特征进行了勘察,并用钻探进行了验证。

1 工程地质条件

某特大桥采用悬索桥形式,桥长1 450 m,跨越一箱形峡谷。峡谷中河流走向N30°W,河谷两岸地形呈不对称展布,东岸河谷地形宽缓,地形坡度15°~30°,局部达60°~70°;西岸河谷地形坡度40°~70°,其中近峡谷一带为陡崖,陡崖边坡坡度70°,坡高300 m,岩层走向与边坡走向平行,岩层倾向河流,倾角70°(图1)。

图1

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图1   特大桥总体布置

Fig.1   General layout of bridge


桥址区地层为三叠系碳酸盐岩、碎屑岩(表1)。碳酸盐岩分布于河谷两岸,形成陡崖、陡坡,碎屑岩分布在东岸谷底、缓坡部位。桥址区地层构造上为倒转向斜,向斜走向N30°W,轴面倾向N60°E,倾角70°,核部地层为三叠系上统把南组,位于河谷东岸。

表1   桥址区地层岩性特征

Table 1  Stratigraphic table of bridge site

地层岩性特征
第四系(Q)残坡积层,红黏土,含碎块石,厚度0~7 m
三叠系上统把南组(T3b)石英砂岩、泥质砂岩与泥岩呈不等厚互层,厚120 m
三叠系上统赖石科组(T3ls)泥岩、钙质泥岩、砂质泥岩、岩屑粉砂岩不等厚互层,厚180 m
三叠系中统竹杆坡组第三段(T2z3)砂质灰岩,块状构造,坚硬岩,厚105 m
三叠系中统竹杆坡组第二段(T2z2)泥灰岩,层状构造,厚120 m
三叠系中统竹杆坡组第一段(T2z1)泥晶灰岩,单层厚度稳定在10~25 cm之间,厚155 m
三叠系中统杨柳井组(T2y)白云岩、角砾状白云岩和白云质灰岩,厚500 m

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2 地球物理特征

桥址区河谷西岸为碳酸盐岩,在特大桥荷载作用下,顺向坡的稳定性是桥址比选时需要首先解决的问题。考虑以下几点:①岩层倾角(70°)≥天然边坡角(15°~30°,局部达60°~70°),所以峡谷西岸顺向坡在自然状态下是稳定的[2,3];②要解决顺边坡稳定性问题需要获得桥址区岩溶发育特征,以便为桥墩位置、桥墩深度、成墩方式、墩下岩层是否需要注浆等提供基础;③西岸锚碇位于碳酸盐岩内;所以,文中主要介绍西岸的地球物理勘察工作。

对西岸桥址区岩土层样品进行了纵波速、电阻率测试,结果(表2)可见:①第四系土层及强风化岩层与下伏弱风化岩层纵波波速差异明显,前者vp=398~888 m/s,后者vp=1 757~2 975 m/s,是理想的波阻抗分界面,从而为浅层地震勘察提供了基础;②土层、强风化岩层与下伏弱风化岩层电性差异十分明显;弱风化碳酸盐岩组、段之间存在电性差异,电阻率由低向高依次为泥灰岩→砂质灰岩→泥晶灰岩→白云岩,从而为地面电磁波法、电法勘察奠定了基础。

表2   西岸岩土层波速、电阻率特征值

Table 2  Velocity and resistivity of rock and soil layers

岩土层vp
/(m·s-1)		ρ
/(Ω·m)		备注
第四系土层及
强风化岩		398~88833.8底界面反射层T1
弱风化砂质灰岩29751025底界面反射层T2
弱风化泥灰岩1757784底界面反射层T2
弱风化泥晶灰岩21471584底界面反射层T2
弱风化白云岩3922底界面反射层T2

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3 岩溶发育特征地球物理勘察

采用浅层地震法[4,5]、音频大地电磁法(地面电磁波法)[6,7,8,9]和对称四极测深法(电法)[10,11,12]进行勘察,测线均沿桥中轴线布置。

3.1 浅层地震法

受地形限制,浅层地震测线位于西岸末端至西岸陡崖以上,物探点号160~300,长度172 m,从西岸小物探点号起至大物探点号之间对应的地层依次为白云岩、泥晶灰岩和泥灰岩。工作参数:3次覆盖,单边放炮,滚动观测系统;偏移距36 m,道距 3 m,炮距12 m;孔中激发;记录长度512 ms;采样间隔0.5 ms;采样点数1 024。采用常规处理流程的专用软件完成数据处理(图2)。

图2

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图2   浅层地震勘察时间剖面

Fig.2   Time profile of shallow seismic exploration


图2中的反射波组特征较明显,存在1~2个反射波同相轴,第一个同相轴为强风化层底界面 (T1),第二个同相轴为弱风化层底界面(T2)。其中,T1反射波组可以分辨,但起伏较大,连续性略差,T2反射波组分辨较困难,连续性差,各道能量差异较大。图2为水平3次叠加之后的时间剖面,根据强风化层底以上地层平均纵波叠加速度vσ=600 m/s、强风化层底与弱风化层底之间地层平均纵波叠加波速vσ=2 000 m/s,得到T1底深度6~15 m,平均深度8.5 m,T2底深度15~21 m。图中局部地段有一些弱反射或波组振动,推测这些部位为岩溶发育带,均位于泥晶灰岩中,其中1号岩溶发育带的中心物探点号160,宽度31 m,2号岩溶发育带中心物探点号250,宽度22 m。

3.2 音频大地电磁法

由于地形起伏较大,在物探点号140~340之间布置了音频大地电磁探测,测线长度250 m,工作参数:MN=5 m,点距=5 m。探测结果见图3a。

图3

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图3   音频大地电磁法、对称四极测深法和地质剖面解释

Fig.3   Explanatory chart of audio-frequency magneto telluric method,symmetric four-pole sounding method and geological profile


由图可见:①沿测线方向逐点测量的电位差ΔUs曲线在局部高值异常形状如缺少底边、尖头向上的三角形;②在实际工作中,ΔUs曲线由低向高的起跳点为岩性、岩溶裂隙发育带分界点,受高阻岩溶裂隙带的影响,Δvs曲线的分层能力变差,仅白云岩与泥晶灰岩的界面明显,为由低向高的起跳点;③岩层倾角较陡,地下水位埋深很大,造山运动使地壳抬升,岩溶裂隙发育程度较低,以垂直溶蚀为主,在浅部易形成空的溶蚀裂隙,故ΔUs曲线的高值异常区解释为岩溶裂隙发育带。

3.3 对称四极测深法

在物探点号140~330之间进行了电测深,长度233 m。工作参数:AB/2=1.5,2.5,4,6,9,15,25,40,65,100 m;MN/2=0.5,3,12 m,总共12个点。数据处理结果见图3b、表3。

表3   电测深解释成果

Table 3  Interpretation results of electric sounding

物探
点号		ρ强风化层
/(Ω·m)		界面深
度/m		ρ弱风化层
/(Ω·m)		异常状况
3163030833AB/2=40 m前呈
锯齿状,岩溶发育
292506350AB/2=15~40 m,岩溶发育
268356.2283AB/2=40~65 m,岩溶发育
258507.8377
246484.5300.0AB/22=4~40 m,岩溶发育
226457.0618.0AB/2=40~65 m,岩溶发育
216303.0200.0AB/2=15~25 m,岩溶发育
208654250.0AB/2=40~65 m,岩溶发育
192502.5250.0AB/2=4~40 m,岩溶发育
171<1.5557AB/2=9~40 m,岩溶发育
160<1.580~300AB/2=9~40 m,岩溶发育
146<1.5100~200基岩破碎

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由图3b、表3可见:①ρs曲线的上升趋势明显,且ρs值高,在AB/2=1.5 m时,ρs值一般均大于50 Ω·m,部分电测深曲线在中段或尾支出现平直段或下降段;②岩石的电阻率值较高,部分电测深曲线从前支到尾支均呈近45°上升,反映基岩完整,无溶蚀裂隙发育;部分电测深曲线前支上升,中段下降或呈平直,尾支呈近45°上升,反映了岩体中充填黏土的溶洞裂隙的存在;③160点附近,肉眼可见的岩溶竖井上方,ΔUs曲线均呈高阻反映,同时在图3b中AB/2=25 m处呈高阻闭合圈(800 Ω·m)。

3.4 综合成果解释

进行岩溶发育特征综合成果解释时,遵循以下原则:①以地面地质调查为基础,参考浅层地震的解释出来的强风化岩层底界面(T1)、弱风化岩层底界面(T2)、1号岩溶发育带及2号岩溶发育带;②将ρs及ΔUs曲线的高值异常区解释为岩溶裂隙发育带;③岩溶发育带的平面位置依据对称四极测深ρs等值线断面图、音频大地电磁法ΔUs曲线图显示的位置,发育深度依据对称四极测深ρs等值线断面图确定的深度(表3);④岩性分界面取序为音频大地电磁法剖面→对称四极测深ρs等值线断面图。根据上述原则进行了岩溶发育综合成果解释,成果见表4。

表4   岩溶发育综合解释成果

Table 4  Comprehensive interpretation results of Karst development

物探
点号		宽度
/m		深度
/m		备注
324~3281040ZK4在8.04~18.64 m、23.24~24.36 m、41.4~41.7 m见溶隙
294~2981040电测深解释岩溶发育
264~27012.535~50ZK3在16.7~18.3 m、29.8~30.8见溶洞
249~25412.535~50电测深解释岩溶发育
240~24512.535~50ZK2在1.5~3.8 m、7.92~11.24 m、17.31~17.66 m、18.55~18.90 m、32.04~36.95 m见多层溶洞或溶隙
204~20912.535~50ZK1在21.9~23.0 m、27.8~28.9 m、30~32.3 m见溶洞
168~17117.59~40电测深解释岩溶发育
158~162109~40电测深解释岩溶发育

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根据研究结果得出以下结论:①强风化层深度较小,一般在3~10 m,平均深度5 m;②在白云岩、泥晶灰岩、泥灰岩、砂质灰岩段均发育岩溶;③综合地球物理勘察及钻探资料,岩溶形态以近顺层发育的层间溶蚀裂隙为主,在浅部多为无充填物的空溶隙,在深部多充填可塑状黏土,在垂向上呈多层发育,规模一般较小;④岩溶裂隙在0~40 m较为发育,50 m以下岩溶欠发育。

4 结语

1) 在高山峡谷地区进行岩溶发育特征勘察时,由于风化物薄,岩层裸露,地下水埋深大,可以采用浅层地震法、音频大地电磁法和对称四极测深法,此三种方法能相互印证,勘察精度依次提高,效果好。

2) 由于高山峡谷地区地形起伏较大,可选择地形影响因素较小的音频大地电磁法,但受高阻岩溶裂隙带的影响,电位差曲线的地层分层能力变差,需要其他地球物理勘察方法补充。

3) 应用电法勘探时,应尽量避免A、M、N、B这4个电极连线方向地形的起伏。

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