岩溶塌陷是岩溶发育区常见的地质灾害,例如广西、云南、贵州、四川等地^[1],由于岩溶上方土体受到外部扰动时发生破坏塌落,最终在地面形成坑洞的一种现象^[2-3]。岩溶塌陷往往造成房屋毁坏、道路开裂、自然环境破坏等危害。

广西壮族自治区贵港市地处岩溶平原,地下岩溶发育,地下水丰富,近几年受基坑抽排地下水影响,岩溶塌陷频发^[4]。2019年4月以来,在贵港市港北区北环新村陆续出现十余处岩溶塌陷坑,其中面积最大的一处塌陷坑东西长约30 m,南北宽约15 m,该塌陷坑造成道路破损、地下排污系统破裂及房屋毁坏,严重影响到周边居民的正常生活。2020年冬季以来,岩溶塌陷逐步向北发展至蓝田村龙塘屯一带,造成周边区域房屋开裂、倾斜和变形,形成重大的生命财产安全隐患。通过研究现有水文地质资料、现场调查以及水文试验,认为北环新村周边深基坑开挖过程中长期疏干式抽排地下水,导致区域地下水位下降,是诱发本次岩溶塌陷的主要因素。查明区域水文地质条件,特别是准确探测地下水强径流带的分布,是成功治理岩溶塌陷的关键一步。

近年来,高密度电法探测技术逐渐发展成熟,广泛应用于岩溶区域探测并取得较好效果。王洁^[5]将三维高密度电法应用于武汉某岩溶塌陷区,结合其岩溶发育特征,实现岩溶探测成果三维可视化,并确定了岩溶区域发展趋势及形态;梁风等^[6]采用高密度电法和瞬变电磁法探查黔南某矿区岩溶塌陷,查明研究区内塌陷坑的位置、形态、尺寸、规模、影响范围等特征,并结合已有理论综合分析了岩溶塌陷的成因;邓凯等^[7]将地震波映像法和高密度电法综合应用于岩溶勘察,不仅可以前期指导岩溶勘察工作,也可对后期工作做出补充,取得了显著成果;阿发友^[8]将高密度电法和地质雷达应用于溶洞探测,通过分析探测结果总结出不同类型溶洞的发育特征,并给出相应的物性参数;高卫富等^[9]根据高密度电法中二极、三极、四极装置对岩溶异常体的响应特征,分析了不同装置针对岩溶探测的优缺点,并通过现场实际应用说明高密度电法针对岩溶探查的有效性;刘伟等^[10]采用时延三维电阻率反演技术针对岩溶管道空间分布的问题进行研究,通过开展一系列室内物理模拟实验,得出不同充填状态下的管道探测效果的相关结论。

在城市复杂环境下岩溶探查方面,相关学者也做了大量的研究工作。蔡晶晶等^[11]应用高密度电法针对城市地铁岩溶进行探查,通过改进电极接地条件和加大供电电压的方式来提高电流,取得了较好效果;陈康等^[12]针对城市某厂区空溶洞进行探测,应用三维反演技术对高密度电法实测数据进行成像,更加直观、清晰地展现空溶洞的空间分布特征;黄毓铭等^[13]针对南宁城市地铁修建沿线遇到的岩溶问题,联合应用高密度电法与地质雷达进行探测,达到全面覆盖探测区域的目的,取得了较好的效果;吴亚楠^[14]使用高密度电法对莱芜市泉河地区进行了岩溶地质勘查,根据探测结果推断出城市区域岩溶空间位置、大小以及深度,为岩溶塌陷地质灾害提供防治建议;郑志龙等^[15]应用高密度电法探查某高速公路岩溶发育情况,探测出研究区域内主要破碎区及岩溶分布情况,并加以钻探验证;史箫笛等^[16]研究了高密度电法在覆盖型岩溶地区的应用效果,采用温纳四极装置对贵州某发电厂地下溶洞进行探测,探测结果与钻孔结果吻合度较高。针对城市复杂环境潜在岩溶塌陷区探查以及地下水径流带圈定方面,相关研究成果较少。

本文以贵港市北环新村岩溶塌陷为例,采用高密度电法,结合水文地质资料及研究区域内岩溶地表塌陷分布特征,最终圈定出11处潜在岩溶塌陷区域,并推断出1条主要径流带和3条次要径流带,从整体上掌握岩溶裂隙发育情况。探测结果同钻探、水文联通试验和抽水试验相互验证,结果表明吻合度较高。本次工作提供了一种精度高、成本低、效果好的探测方法,能够为城市复杂环境下探查地表岩溶塌陷、推断地下水强径流带等相关工作提供参考。

贵港市港北区位于桂东南广西最大的平原——浔郁平原中部,北环新村位于港北区北部,中山路与郁林路交叉口北西,面积约0.2 km²。小区地势较平坦,房屋呈井字型密集、整齐排列,道路纵横交错,交通条件便利(如图1所示)。东西两侧为溶丘,高于小区地面约10 m。小区南面一带地势略为低洼,原始地形还发现串珠状池塘、洼地,是当地地下水排泄区。小区地面与外排河流—马草江高差小于1 m,建成前大部分地段为稻田。平时,小区的雨水、生活废水基本能正常排泄,强降雨后,常形成内涝,对地表土体形成浸泡。小区东部的盛世臻山府、南东部的观天下、南西部的受丽舍、南侧郁林路东西向的地下管廊等工程的深基坑正在施工中,基坑深度10~18 m,基坑底部低于地下水位线7~11 m,工程施工需要长期疏干基坑内地下水来维持^[16]。

据勘查资料^[6],研究区位于贵县向斜北西翼,F₂下村断层西侧。受断裂构造影响,勘查区内“X”节理构造较为发育,其分布方向NW、NE向与岩层走向基本一致。沿构造节理裂隙走向常发育溶洞、溶槽或溶隙,是该区地下水径流主要方向。研究区地表为第四系溶余堆积层(Q^dl+el),厚度0.2~12 m,岩性以黏土为主,局部为白云岩风化形成的粉砂质黏土,含砂量大于70%,手捏有明显的砂感,遇水饱和极容易形成流砂,被带到溶洞、岩溶裂隙中,在土层形成土洞,进而形成岩溶塌陷。下伏地层为泥盆系上统桂林组(D₃g),岩性为灰岩夹白云岩、白云质灰岩,地层产状160°∠26°。纯灰岩比白云岩容易风化溶蚀,灰岩溶余堆积物以黏土为主,含砂较少;白云质灰岩、白云岩溶余堆积物以粉质黏土为主,粉砂含量较高。由于岩性差异和地质构造的影响,导致该区域岩溶发育程度不均匀。

研究区位于山前岩溶平原,地下岩溶发育,有利于地下水富集,地下水主要赋存于溶蚀裂隙、溶洞和地下岩溶管道中。地下水除接受大气降雨通过上覆土层的入渗或越流补给外,还接受北部山区碎屑岩构造裂隙水、侵入岩网状裂隙水侧向补给。地下水与地表河流径流方向基本一致,总体上自北向南径流,排泄于郁江。岩溶大泉流量多大于50 L/s;基坑或天然抽水点的涌水量一般多在1 000~10 000 m³/d之间,基坑深度越大则涌水量越大。研究区域受深基坑群抽排地下水的影响,形成一个以盛世臻山府深基坑为中心的地下水降落漏斗(图2)。

地球物理勘探以勘探目标与赋存环境的物理性质差异为基础开展野外探测和地质解释工作。采用何种勘探方式通常取决于物理性质的差异。地下岩层中由于节理、裂隙的存在,一般总是含水的,这使得岩层电阻率降低。另外,即使含水量相同,不同岩石之间的电阻率可能也会存在很大的差异。这种明显的电性差异,为高密度电法的应用提供了基础。

经查阅相关资料,不同区域内相同岩性的电阻率分布也不尽相同,大部分岩体的电阻率分布与当地水文地质条件密切相关。因此,为便于高密度电法结果进行较为方便的解释,将部分钻孔的岩心资料与剖面探测结果进行对比统计,最终获得勘查区内分布岩体与电阻率值之间的关系(表1)。

在进行探测结果解释时,由于各种岩性电阻率分布之间存在交集,因此无法根据电阻率剖面直接对岩性进行判断。但可以推断出灰岩和白云岩等结构致密完整的岩体其电阻率值总体较高,而岩溶裂隙发育区域的电阻率值较低,溶洞以及充填泥质的电阻率更低的结论。因此,在实际地质解释时,可以根据剖面电阻率的差异,按照岩性完整区、岩溶裂隙发育区以及潜在岩溶塌陷区对研究区域进行划分。

高密度电法是一种以地下介质的电阻率差异为勘探基础的测量方法,在分类上属于直流电阵列勘探方法。高密度电法通常基于A、B、M、N这4个电极进行工作,其中A、B电极作为发射电极,向地下供给电流,M、N电极是测量电极,通过测量M、N电极间的电势变化来获取探测区域地电特征。通常,地下介质是由不同的岩土体和矿物组成,不同的介质类型具有不同的导电性,这些性质可以通过电阻率的分布和差异来体现。因此,通过电阻率剖面中的低阻或高阻异常、电阻率之间的分界面等特征来研究地下介质异常体的时空分布规律,进而推断地质体的构造特征和分布状态,判断出所要研究的异常体位置、形状以及范围等特征,最终能够探明地质体异常分布,获取地质信息,达到勘探目的。

高密度电法目前广泛应用于工程勘探,在浅地表探查、城市地下空间勘探等方面发挥了巨大的作用。其优点主要体现在以下5个方面:①高密度电法可以使用不同的装置形式进行数据采集,通过对不同装置形式的结果进行对比和分析,可以获得更加丰富、真实的地质信息;②在数据采集之前,一次性完成电极布设工作,测量过程中只需改变测量装置即可,因此可以避免反复插拔电极对数据采集造成的干扰;③该方法已实现数据的自动化采集,提高了野外工作效率,可在短时间内获得大量的数据;④可以在数据采集过程中对数据进行预处理,能够有效地保证数据质量,同时避免返工等重复性工作;⑤该方法施工便捷,探测效率较高,同时不需要对地面进行开挖或钻孔,因此更加适用于城市地下空间勘探。

高密度电法具有多种装置形式,这些装置形式都是从二极、三极和四极装置形式中演变而来。其中,四极装置形式在工程勘察中应用较多,因为其相比于二极和三极装置形式具有以下优点:①供电电压要求较小(不需要放置无穷远电极);②增强有效信号压制干扰;③受地形影响小。四极装置形式中,较为常用的有温纳装置和施伦贝尔装置,下面具体展开介绍。

温纳装置是α类型应用广泛的装置类型之一。电极排列方式如图3所示:其中A、B是供电电极,M、N是测量电极,A、M、N、B这4个电极保持等间距排列;开始测量时A、M、N、B取最小的电极间距,在测线起点依次排列,然后按照测线方向同时移动,直到测线终点,此时得到测线剖面的第一行测点数据;接着增大一个电极距,重复上述操作,得到测线剖面的第二行测点数据;随着扫描测量的进行,4个电极之间的间距也均匀变大。该装置适用于对固定断面的扫描测量,隔离系数n由1逐渐增大到n(Max),得到倒梯形的测量断面结果。

施伦贝尔装置形式主要通过连续滚动的方式扫描测量变断面工作。实际测量时,保持测量电极M、N固定不动,供电电极A向一侧逐点移动,同时供电电极B向另一侧逐点移动,得到第一排列MN中间点的测深数据;然后让4个电极同时按测线方向移动一个电极,重复上述操作,得到第二排列MN中间点的测深数据;通过重复操作后,得到矩形测量断面结果。电极排列方式如图4所示。

本节在总结城市环境下岩溶典型特征的基础上进行数值模拟,主要针对不同岩溶类型(充填型溶洞、空溶洞、岩溶破碎带)、不同异常体尺寸、不同装置类型(偶极排列、施伦贝尔)等影响因素,对岩溶探查进行数值模拟研究,相关结果可为后续现场应用以及实测数据分析提供判断依据和指导。本次数值模拟所用软件是基于pyGIMLi地球物理开源库进行二次开发的高密度电法正反演程序,其可以自由设置模型尺寸、地层厚度、异常体尺寸、电阻率值、网格剖分大小以及装置形式等。该程序正演部分使用有限元方法,将模型剖分为非结构化网格,反演部分则使用最小二乘法。

结合贵港市北环新村实际地质情况,通过分析充填型溶洞赋存形态及各部分介质电阻率特征并进行总结,在此基础上进行数值建模。设置模型尺寸为60 m(长度)×30 m(深度),将该剖面分为3层。其中第1层深度为0~3 m,电阻率值设置为200 Ω·m,主要用来模拟地表层的填土、碎石等;第2层深度为3~8 m,电阻率值设置为100 Ω·m,主要用来模拟黏土层等;第3层深度为8~30 m,电阻率值设置为1 000 Ω·m,主要用来模拟水位线以下的灰岩、白云岩等。将充填型溶洞设置为圆形,其圆心位置均设置为(0 m,15 m),电阻率设置为20 Ω·m,主要用来模拟充填黏土、地下水、泥状混合介质,另外为了模拟不同尺寸的溶洞反演特征,将溶洞半径分别设置为2、3、4 m(模型示意图及网格剖分分别如图5a、d、g所示)。

数值模拟结果如图5所示,其中图5b、e、h分别为充填型溶洞半径为2、3、4 m时偶极装置的反演结果,图5c、f、i分别为充填型溶洞半径为2、3、4 m时施伦贝尔装置的反演结果。通过对比分析,我们可以得出以下结论:①偶极装置形式对于较深位置灰岩层中的充填型溶洞的分辨率较高,当溶洞半径为2 m时能够进行分辨,当溶洞半径为3 m时和周边介质电阻率有较为明显的差异,但针对浅层低阻区域分辨率一般,基本能够反映出第2层黏土层的深度范围;②施伦贝尔装置形式针对浅层低阻区域分辨率较高,能够清晰刻画出第1层填土层和第2层黏土层的深度范围和电阻率值,但对于深部位置灰岩层中的充填型溶洞的分辨率较低,当溶洞半径为4 m时能够进行分辨;③偶极装置对于剖面宽度-20~20 m范围探测效果较好,其余宽度位置处探测效果较差,整体探测范围较窄,而施伦贝尔装置探测范围较宽,对于剖面两侧区域探测效果相对较好。

针对空溶洞数值模拟的模型设计,模型尺寸仍为60 m(长度)×30 m(深度),剖面同样分为3层,3层介质的深度及电阻率设计和充填型溶洞相似。将空溶洞设置圆形,其圆心位置均设置为(0 m,15 m),电阻率设置为3 000 Ω·m,主要用来模拟溶洞内仅充填空气,溶洞半径分别设置为2、3、4 m(模型示意及网格剖分分别如图6a、d、g所示)。

数值模拟结果如图6所示,其中图6b、e、h分别为空溶洞半径为2、3、4 m时偶极装置的反演结果,图6c、f、i分别为空溶洞半径为2、3、4 m时施伦贝尔装置的反演结果。通过对比分析,我们得出以下结论:①对于探测赋存于灰岩中的空溶洞,偶极装置形式的分辨率较高,当空溶洞半径为2 m时基本无法进行有效分辨,当空溶洞半径为3、4 m时和周边介质电阻率存在较为明显的差异,能够对其进行有效判断;②施伦贝尔装置形式针对浅层低阻区域分辨率较高,对于深部位置灰岩层中的空溶洞的分辨率较低,针对灰岩层中存在的空溶洞无法进行有效模拟;③两种装置形式中,同一水平位置处空溶洞位置两侧会均出现高阻异常,推断为由体积效应所导致的,实际探测过程中应注意甄别和判断;④针对高阻灰岩层中的空溶洞进行数值模拟,还应注意空溶洞的电阻率值设置,本例设置空溶洞电阻率为3 000 Ω·m,可能对实际数值模拟结果产生影响。

针对岩溶破碎带数值模拟的模型设计,模型尺寸为60 m(长度)×30 m(深度),剖面分为3层,3层介质的深度及电阻率设计和充填型溶洞相似。将岩溶破碎带设置竖向长方形,宽度均设置为2 m,长度分别设置为6、8、10 m,电阻率设置为20 Ω·m,主要用来模拟破碎带充填泥质和地下水,模型示意图及网格剖分分别如图7a、d、g所示。

数值模拟结果如图7所示,其中图7b、e、h分别为破碎带长度为6、8、10 m时偶极装置的反演结果,图7c、f、i分别为破碎带长度为6、8、10 m时施伦贝尔装置的反演结果。通过对比分析,我们得出以下结论:①对于探测赋存于灰岩中的岩溶破碎带,偶极装置形式的分辨率较高,当破碎带宽度为2 m、长度为6 m时能够根据反演结果判断出异常体存在,但无法判断出异常体的形态和具体位置,当破碎带长度为8 m和10 m时则能够对异常体形态和位置进行有效判断;②施伦贝尔装置形式对于岩溶破碎带的分辨率较低,整体探测效果较差,无法有效判断出异常体的形态和位置。

为基本查明北环新村潜在岩溶塌陷区、浅层径流带以及岩溶裂隙整体发育情况,将高密度电法测线沿东西方向的道路进行布设。共布设8条测线,其编号分别为 A1~A8,测线总长度为1 265 m,测点间距3 m。高密度电法测线布置如图1c所示。

本次高密度电法探测采用重庆精凡科技有限公司生产的电法测量系统,采用温纳装置和施伦贝尔装置进行数据采集。野外工作结束后,将主机内的实测数据进行传输存储,根据数据的电位差和电流特征进行数据筛选,将明显错误和误差较大的数据进行移除。

对实测数据先进行上述预处理,然后采用RES2DINV反演软件进行参数设置和反演,并使用Surfer软件对反演结果进行成像,最后结合已有的水文地质资料及钻孔资料,对探测结果进行推断解释。

通过电阻率反演图可以得知电阻率的表现特征为:由浅至深,电阻率由低变高,符合测区岩土层结构的电性特征。推测上部为黏土层,深度1~8 m不等,其电阻率值小于100 Ω·m;推测下部为灰岩,其电阻率值变化范围100~300 Ω·m。当灰岩中存在裂隙或溶洞发育时,电阻率表现为高阻中存在低阻异常,其分界面图通常呈现“U”型异常。

根据反演结果,结合水文地质资料及测区地表岩溶塌陷分布特征,对潜在岩溶塌陷区进行圈定。共发现有11处电阻率异常区,推断为溶槽、溶洞或裂隙发育区,结果如图8所示。此外,还根据异常区域的空间分布推断出浅地表的径流带,其中分为1条主要径流带和3条次要径流带,结果如图9所示。

为验证高密度电法在此次应用的探测结果正确性和实用性,选取A1测线的两处位置对探测结果进行验证,其中第1处为完整岩性区域反演结果,第2处为地下岩溶裂隙发育区反演结果。在钻进过程中,对随钻的岩心岩样进行妥善保存,并记录随钻孔深度的增大,地层岩性的变化。分别选WTK5跟WTK9进行对比验证,测线反演成果与钻孔柱状图的对比如图10所示。

对比结果具体分析如下:第1处为岩性完整区域,底层深度5.2 m处为低阻分布,钻孔记录从地表到该位置为填土及黏土,因此呈现低阻状态。底层深度5.2~11 m处为完整灰岩,岩溶发育较弱,岩心完整率高;第2处为低阻异常区域,底层深度10~22 m处为低阻分布,该位置稳定水位较低,地层灰岩岩性节理裂隙发育,局部存在溶蚀发育痕迹,同时溶洞无填充物,为充水状态,因此显示低阻异常。上述两处电阻率反演结果与钻孔记录均较吻合,两者具有较好的一致性,钻孔验证结果良好。另外,选取两处电阻率差异较大处进行验证,结果表明高密度电法对完整岩体与岩溶裂隙发育区均有较好的勘察效果,也反映出高密度电法在该区域应用的准确性与实用性。

1)高密度电法勘探相比于其他物探方法具有成本低、效率高的优点,同时反演结果信息丰富、易于解释,可以对岩溶异常特征进行精准刻画。针对城市复杂环境下地表岩溶塌陷灾害,高密度电法能够有效探测岩溶裂隙发育情况,在本次工作中,通过该方法圈定出11处潜在岩溶塌陷区,推断1条浅地表主要径流带和3条次要径流带,为后期岩溶塌陷预防和治理工作提供有效依据。

2)高密度电法数值模拟能够针对充填型溶洞、空溶洞、溶蚀裂隙进行常用装置形式的模拟,模拟结果表明浅层区域施伦贝尔装置分辨较高,而针对深层区域偶极装置分辨率较高,数值模拟结果能够指导制定探测方案,并对现场应用实测数据分析提供有效依据。

3)高密度电法探测结果吻合度较高,结果表明高密度电法在城市复杂环境下探测精度较高,成果可靠性强,也反映出高密度电法在城市建成区进行应用的可靠性和实用性。