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物探与化探, 2024, 48(5): 1424-1436 doi: 10.11720/wtyht.2024.1574

工程勘察

等值反磁通瞬变电磁法在地下浅层富水区应用——以新余市下村镇为例

朱小伟,1, 丁辰,2, 薛凯喜3, 陈骏3, 韩凯敏4, 罗强1, 易光胜3

1.江西省建材产品质量监督检验站有限公司,江西 南昌 330001

2.深圳大学 土木与交通工程学院,广东 深圳 518060

3.东华理工大学 土木与建筑工程学院,江西 南昌 330013

4.广州城建职业学院 建筑工程学院,广东 广州 510925

Application of the opposing coils transient electromagnetic method in a shallow groundwater-rich area: A case study of Xiacun Town, Xinyu City

ZHU Xiao-Wei,1, DING Chen,2, XUE Kai-Xi3, CHEN Jun3, HAN Kai-Min4, LUO Qiang1, YI Guang-Sheng3

1. Jiangxi Building Materials Product Quality Supervision and Inspection Station Co. Ltd., Nanchang 330001, China

2. College of Civil and Transportation Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China

3. School of Civil & Architecture Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China

4. School of Architectural Engineering, Guangzhou City Construction College, Guangzhou 510925, China

通讯作者: 丁辰(1997-),男,江西九江人,博士研究生,研究方向为地质灾害防治。Email:dchen479606571@foxmail.com

第一作者: 朱小伟(1998-),男,江西上饶人,硕士,研究方向为岩土工程。Email:1186851495@qq.com

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2023-12-27   修回日期: 2024-03-31  

基金资助: 国家自然科学基金项目“降雨型层状土质滑坡孕灾机理与灾变模式研究”(42167024)
江西省自然科学基金项目(20192BAB206045)
江西省教育厅科技项目(GJJ170485)

Received: 2023-12-27   Revised: 2024-03-31  

摘要

岩溶、软弱土及富水区等不良地质体在我国分布较广,强降雨作用下地质不良区域容易产生塌陷等地质灾害。新余市渝水区下村镇靠近沪昆高速铁路的区域出现了严重的地质塌陷,塌陷基坑周围空间受限且地下管线等干扰源较多,传统瞬变电磁法早期信号受收发线圈互感效应影响,存在探测精度低、抗干扰能力差等问题,并且还有明显的浅层盲区。为了查明该区域不良地质体的发育位置,并为地质灾害防治提供治理建议,本研究应用了等值反磁通瞬变电磁法(opposing coils transient electromagnetic method,OCTEM),并且辅以钻探验证,结果表明:OCTEM法具有较高的精确性,研究区地球物理成果与钻探结果一致性较好;研究区低电阻带分布范围较广,经实地钻孔验证,低电阻异常均为地下水引起;地层从上至下依次为软可塑粉质黏土—硬可塑粉质黏土—软塑粉质黏土—中风化灰岩;塌陷区域地下微承压水上涌,逐步侵蚀区域周边软可塑粉质黏土层,塌陷基坑内静水位面标高为55.60 m,位于地表下约1.4 m处;塌陷区域下方存在地下水通道,灰岩层在水流长时间冲刷侵蚀作用下形成土洞;长期抽取地下水可能会引起地下渗流区扩张发育,主体责任单位必须及时封堵塌陷区地下水,防止其进一步侵蚀周边松散土层。

关键词： 等值反磁通; 瞬变电磁法; 浅层富水区; 钻孔验证

Abstract

Unfavorable geobodies such as Karsts, weak soil, and water-rich areas are extensively distributed in China. Under heavy rainfall, they are prone to geologic hazards like collapse. A severe geological collapse occurred in Xiacun Town, Yushui District, Xinyu City, near the Shanghai-Kunming high-speed railway. The space around the collapsed foundation pit was limited, with many interference sources like underground pipelines. With early signals subjected to the mutual inductance effects of receiver and transmitter coils, the conventional transient electromagnetic method exhibited low detection accuracy and anti-interference ability, encountering significant shallow blind zones. To locate unfavorable geobodies in the study area and provide suggestions for the prevention and control of geologic hazards, this study innovatively applied the opposing-coils transient electromagnetic method (OCTEM), supplemented by borehole-based verification. The results show that: (1) The OCTEM exhibited high accuracy, as demonstrated by the high consistency between the geophysical exploration results and the drilling results of the study area; (2) The low-resistivity zone spread across the study area, and the low-resistivity anomalies revealed by geophysical exploration were caused by groundwater according to borehole-based verification; (3) The strata from top to bottom were composed of soft plastic silty clay, hard plastic silty clay, soft plastic silty clay, and moderately weathered limestones; (4) The subsurface micro-confined water in the collapse area surged upward, gradually eroding the soft plastic silty clay layer around the area. The static water level in the collapsed foundation pit manifested an elevation of 55.60 m, located approximately 1.4 m below the surface; (5) A groundwater channel existed under the collapse area, with soil caves formed in the limestone layer under the prolonged erosion effect of water flow; (6) Long-term groundwater extraction may expand the underground seepage zone; (7) The administrative department in charge must promptly contain groundwater in the collapse area to prevent it from further eroding the surrounding unconsolidated soil layer.

Keywords： opposing coils; transient electromagnetic method; shallow water-rich area; borehole-based verification

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本文引用格式

朱小伟, 丁辰, 薛凯喜, 陈骏, 韩凯敏, 罗强, 易光胜. 等值反磁通瞬变电磁法在地下浅层富水区应用——以新余市下村镇为例[J]. 物探与化探, 2024, 48(5): 1424-1436 doi:10.11720/wtyht.2024.1574

ZHU Xiao-Wei, DING Chen, XUE Kai-Xi, CHEN Jun, HAN Kai-Min, LUO Qiang, YI Guang-Sheng. Application of the opposing coils transient electromagnetic method in a shallow groundwater-rich area: A case study of Xiacun Town, Xinyu City[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(5): 1424-1436 doi:10.11720/wtyht.2024.1574

0 引言

目前全球极端天气频发,由强降雨引发的地面塌陷具有突发性大、危害性强等特点[1-2]。传统的地面勘测或单一钻探只能获得覆盖层下的地质条件信息,有必要使用地球物理方法详细研究不良地质体发育的垂直和水平分布情况[3⇓⇓-6]。

不良地质体具体包含岩溶、空洞、脱空、富水区、土体松散区等,地球物理方法可以确定其位置、大小及埋深。国内外学者对实际工程中的不良地质体进行了大量创新性探索,充分验证了物探的准确性和先进性。陈健强等[7]针对含水采空区全空间瞬变电磁响应信号识别问题,采用有限元数值模拟及现场实测方法开展研究,结果表明含水采空区的瞬变电磁响应横向角度对应一致性高于纵向深度;其感应电动势升幅与感应电动势差值变化趋势相反,呈现出在二次场观测初期急剧增大而后趋缓的特征,最大升幅可达10倍以上。Liu等[8]利用电阻率层析成像(ERT)和探地雷达(GPR)收集的地球物理剖面揭示了浅层地质构造、潜在的陷坑和岩溶裂缝带,研究表明中国贵港市北环新村塌陷区的位置与调查结果推断的地下岩溶区和地下水径流区一致,岩溶和地下水是导致塌陷强烈发育的主要诱因。

目前有多种物探方法被用于探测不良地质体,如高密度电阻率法、探地雷达、传统电磁法等。高密度电阻率法可以通过相应的程序对获得的参数进行处理,并自动反演图像,但其测绘效果受施工区域地面状况的影响较大[9],并且埋地的水电管道也影响勘探效果[10]。探地雷达法利用高频电磁波在土体或岩体中传播时间的长短差别来确定不良地质体的基本信息,但是高频电磁波探测深度有限,对于深部地层勘探的效果不佳[11]。瞬变电磁法(TEM)目前应用比较广泛,然而随着勘探精度要求越来越高,普通瞬变电磁法的短板已经越来越凸显。由于其技术特点,常规瞬变电磁法一般侧重于岩溶发育深度超过100 m的勘探,在0~50 m范围内属于勘探“盲区”,数据精度比较差[12-13]。张帆等[14]以山西马家岩煤矿为依托开展项目案例研究,发现普通瞬变电磁法对于层间距大于75 m时的积水采空区难以清晰识别。此外,对于房屋密布或者地形复杂的工作区,周围的民用电线以及水泥道路极大地影响常规频率域电磁法或瞬变电磁法侧线电极布置和探测结果精度。在周围环境因素强干扰的影响下,常规电磁方法测试不便并且误差较大[15]。此时地质勘查领域一项新技术——等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM)的引入,可以有效解决TEM的不足之处。根据中南大学席振铢科研团队发表的文献[16⇓-18],该方法不易被电磁干扰影响,应用于浅层勘探依旧有很好的效果。此外该方法具有更高的灵敏度和横向分辨率[19],对各类空洞隐患均具有较好的识别能力[20],适合用于地下水、环境和工程勘探[21-22]。

为此,本文以强降雨诱发的地面塌陷区作为研究对象,结合OCTEM法和钻探等方法开展地质案例研究,探测塌陷点周边矿区范围内是否存在隐蔽性不良地质隐患,并提出相应的防治措施。由于目前还未有学者尝试在浅层富水区利用OCTEM法开展案例研究,本文展示的勘探成果具有一定的创新性,分析内容可以为地质灾害防治方案的选择提供参考。

1 研究区概况

本文研究区位于新余市渝水区下村镇某煤矿生活区,该区域发生了地面塌陷。研究区域位于丘陵地区和地下水丰富地区,并且江南低山丘陵地区强降雨频繁,极易诱发滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地质灾害。近几年伴随开采矿产资源等人为工程经济活动的加剧,该地区地质灾害发生较频繁[23]。塌陷区域直径约3.5 m,深度较深,如图1所示。塌陷区左侧房屋受损严重,出现垮塌现象,塌陷基坑内有地下水涌出。右侧新建房屋地基出现整体沉降脱空,净高约10 cm,勘测区发现塌陷、脱空区较多,严重影响人民生命财产安全。研究区位于居民生活区,导致地球物理勘探侧线和钻孔取样地点会受到限制。此外,当地有一个机械式抽水井常年需要抽水,用于附近居民生活用水和农田灌溉用水。两口自建水井深度分别约60 m和80 m,井内套管长度约25 m,经实地量测和计算发现,两口井静水位相同,水位标高为53.90 m。

图1

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图1   地面塌陷现场

Fig.1   The ground collapse scene


对下村镇及附近进行初步地质条件调研,根据区域资料显示,地下水类型为第四系空隙潜水,含水层主要为砂砾层(夹杂黏性土),主要补给来源为大气降水及地下水径流。地下水的水流方向从西至东,水文地质如图2所示。调查区域从上至下,地层主要为坡洪积的砂砾石层(夹杂黏性土)、黏性土,底部基岩层推断为白云岩,区域地质见图3。根据岩性及水文地质特征,下村镇的地下水类型分为松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水和碳酸岩裂隙岩溶水3大类。发生塌陷研究区的地下水主要为松散岩类孔隙水,换算后的单井涌水量100~1 000 m3/d,初步研判浅层地下水富水性等级为中等,富水岩层为砂、砾卵石层。

图 2

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图 2   下村镇及附近区域水文地质示意

Fig. 2   Hydrogeological diagram of Xiachun Town and nearby area


图3

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图3   下村镇及附近区域工程地质示意

1—黏土层含砂栎层(坡积、残积);2—亚黏土、砂砾石(冲积);3—水北组:石英岩、砂质页岩;4—安源群:细砂、粉砂岩;5—灰岩、白云岩;6—王潘里段:砂岩、泥岩;7—老山段:砂岩、泥岩;8—官山段:长石石英岩、粉砂岩;9—明山组:硅质岩、页岩;10—小江边组:瘤状灰岩、白云岩;11—地质界线;12—地构造线

Fig.3   Schematic diagram of engineering geology of Xiacun Town and nearby area

1 —clay layer containing sand gravel layer (slope deposit, residual deposit); 2—loam, sand gravel (alluvial); 3—Shuibei Formation: quartzite, sandy shale; 4—Anyuan Group: fine sand, siltstone; 5—limestone, dolomite; 6—Wangpanli member: sandstone, mudstone; 7—Laoshan member: sandstone, mudstone; 8—Guanshan member: arkose quartzite, siltstone; 9—Mingshan Formation: siliceous rock, shale; 10—Xiaojiangbian Formation: nodular limestone, dolomite; 11—geological boundary; 12—tectonic line


该区域强降雨和地下水渗流造成路基水土流失,进而失稳形成塌陷。由于塌陷区域靠近煤矿工作区和沪昆高铁,对该地区开展地球物理地质勘探具有重要意义。为了对研究区岩溶、空洞等隐蔽性不良地质体进行有效分析并提出针对性的治理措施,以岩溶塌陷区为研究对象,借助新型物探技术探查塌陷区地质构造、土层岩性等地质条件。

2 研究方法及工作布置

2.1 研究方法

2.1.1 OCTEM法原理

瞬变电磁法[24-25]是根据不同地质体的电阻率差异对地层岩性和地质构造进行分类,并利用电阻率分布的大小和形状解释不同地质体空间分布的一种地球物理方法。通过在地面上铺设阶跃脉冲电流传输电路,建立地面的瞬变电磁场,发现地下涡流在任何时刻产生的磁场都可以等同于水平循环磁场。当发射电流刚关闭时,环电流接近发射环电流,并且与发射环电流具有相同的形状。随着时间的推移,电流环向下、向外扩散,逐渐形成环形电流环(烟环效应)。早期的瞬变电动势是由地表附近的感应电流产生的,反映了浅层的电性分布,而随着时间的推移,晚期瞬变电动势反映了地电性质的垂直变化,可以用来探测深部地质体。

OCTEM方法是一种基于瞬态电磁法原理的纯二次土层磁场探测新技术。有关该技术的详细信息请参见参考文献[16,21]。该系统创造性地采用等效防磁技术消除发射线圈和接收线圈之间的感应耦合,利用平行中心耦合原理提高横向分辨率,采用高灵敏度磁感应传感器、微线圈平行磁源、24位高速数据采集卡和高密度测量技术,实现了浅层高精度瞬变电磁探测。该仪器具有系统稳定、单点一致性好等优点。如图 4所示,该技术使用两个相同的线圈作为发射源,通过反向电流的平行同轴线圈来测量双线圈源合成的主磁场零磁通平面内耦合到地心的纯二次磁场。

图4

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图4   OCTEM装置示意(a)和OCTEM双线圈源合成的一次场磁力线(b)[16]

Fig.4   OCTEM device schematic(a) and primary field magnetic field lines synthesized by OCTEM two-coil source (b)[16]


理论计算和物理实验都充分论证了该方法在消除接收线圈本身的感应电动势的有效性,从而获得地下纯二次场的响应[21]。此外,与传统瞬态电磁法中使用的单线圈源相比,这种方法中使用的双线圈源的能量更加集中,因此提高了检测的横向分辨率,减少了其他因素干扰[16]。在金属矿[10,26]、地质灾害[15]和岩溶洞室[27-28]等工程领域的成功应用都表明该方法是浅层探测的一种有效方法。

2.1.2 仪器设备参数选取

OCTEM方法的数据采集设备采用中南大学和湖南五维地质科技有限公司联合研发的HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统。HPTEM-18仪器的传输频率在0.25~10 kHz之间,0.1 Hz的步长可以上下调节。现场工作图片见图5,开展正式勘探工作之前需要进行调试确定工作参数,在本案例中分别选取10、20、30的叠加次数进行预试验,测试地点就位于基坑旁边,结果如图 6所示。3条采集数据二次场响应曲线浅部都较为光滑,然而10次和20次的曲线尾支波动较高,推断是由于研究区的水泥路面、房屋、地下管线等干扰源导致的。叠加次数≥30次时,整条采集数据响应曲线相对光滑,数据质量较好。已知探测深度与传输频率有关,勘探深度越深,所需的传输频率越小;反之,传输频率越大。叠加时间的选择主要与局部噪声水平有关。理论上,叠加次数越多,采集到的衰减曲线信号信噪比越高。通过预试验,最终确定观察频率为25 Hz,叠加次数为32次,重复观察两次。

图5

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图5   等值反磁通瞬变电磁法现场工作

Fig.5   The field work of opposing coils transient electromagnetic method


图6

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图6   不同叠加次数对应的二次场衰减电压曲线

Fig.6   Secondary field attenuation voltage curves corresponding to different stacking ties


2.2 测点和钻孔布置

本次塌陷区域位于居民区内部,周围均为房屋,阻挡物较多,测线布设受较大影响。然而等值反磁通瞬变电磁法剖面布设原则应遵循对探测区域全覆盖,以目标体为中心,两边各不小于10 m范围,采用十字或井字形交叉布设,异常区外应布置不少于2条测量线。结合现场实际,尽可能利用场地条件。根据实地情况,课题组本次等值反磁通探测共布设7条探测剖面。所有剖面均位于房屋与房屋之间的巷道,探测点线位置及编号见图7。本次观测频率选择25 Hz,主要探测0~30 m深度范围内的洞室和地下水。

图7

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图7   项目现场OCTEM测点布设

Fig.7   Layout of OCTEM measuring points on the project site


为了查明场地的地质情况及验证本次物探成果,课题组使用1台XY-1型工程钻机,通过钻探、原位测试和岩土室内试验等方法,对场地进行了岩土工程勘查。根据规范要求,考虑场地条件,勘查孔布置原则主要根据物探成果和实地施工条件,共布置钻孔5个。钻孔和OCTEM法侧线布置如图8所示。5个钻孔位于1号剖面、3号剖面及4号剖面上,钻孔编号分别为ZK1~ZK5。

图8

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图8   等值反磁通测点及钻孔位置布设

Fig.8   OCTEM measuring points and drilling position layout


2.3 数据处理

本次数据处理使用了湖南五维地质科技有限公司研发的HPTEM-18系统软件,在研究区通过设备获取了原始数据以后导入软件,首先进行滤波,去除干扰信号,然后进行曲线拟合等工作,再对处理后的有效数据进行正反演成像工作。有关OCTEM获得的原始数据处理过程可以参考文献[27-28],基本流程如图9所示,本研究补充的如下:

图9

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图9   OCTEM数据处理流程

Fig.9   Data processing flow chart of OCTEM


1)随时使用任意时间抽道方式,有利于根据现场数据的特点选择合适的抽道方式,方便对原始数据进行编辑。

2)对于野外数据的优化和去噪,还需要进行地形校正、平滑滤波等数据预处理。

3)先通过分析参数、曲线类型和视电阻率等定性指标,再通过正演、模型拟合法和准二维反演进行定量分析。根据定性和定量分析结果进行综合解释。

4)在已知地质、岩性和钻孔数据的基础上,建立二维反演成像的初始模型,或将二维反演成像图形与钻孔结果进行对比。

3 数据结果分析解释

3.1 物探反演结果分析

本次瞬变电磁法测量剖面7条,实测点数167个,完成质检物理点8个,质检率4.79%(要求≥3%)。质检点分布段集中在异常分布区。通过电阻率均方相对误差来进行质量评价,其误差为3.02%(要求≤7%)。因此本次瞬变电磁法测量质检率及精度均满足要求,数据真实可靠。在反演中沿水平方向的数值为探测点编号,沿竖直方向的数值为探测深度,深度的单位是m。

OCTEM法探测1号剖面和2号剖面,这两条平行剖面的反演地质断面分别见图10和图11;OCTEM法探测3号~7号剖面,其反演地质断面分别如图12~图16所示。测线1、2号剖面均为NW—SE走向,西北侧为起始点,1号剖面布设测点31个,2号剖面布设测点29个,其中1号剖面跨越塌陷区域;由图可见,两条反演剖面一致性较好,深度在0~3 m范围内,电阻率(ρ)为10 Ω·m~100 Ω·m,电阻率值较低;深度在3~5 m范围内,100 Ω·m<ρ<200 Ω·m,电阻率值中等;深度在5~15 m范围内,10 Ω·m<ρ<140 Ω·m,电阻率值较低;深度在15 m以下ρ>200 Ω·m,电阻率值较高。其中2号剖面20~22号测点位于塌陷区域边缘,从图中可以看出,深度在5~10 m范围的低阻层在这个区域发生断裂,深度在10~15 m范围呈漏斗状低阻异常,推测可能为充水土洞。

图10

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图10   1号剖面反演剖面

Fig.10   Profile of inversion of survey line No.1


图11

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图11   2号剖面反演剖面

Fig.11   Profile of inversion of survey line No. 2


图12

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图12   3号剖面反演剖面

Fig.12   Profile of inversion of survey line No. 3


图13

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图13   4号剖面反演剖面

Fig.13   Profile of inversion of survey line No. 4


图14

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图14   5号剖面反演剖面

Fig.14   Profile of inversion of survey line No. 5


图15

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图15   6号剖面反演剖面

Fig.15   Profile of inversion of survey line No. 6


图16

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图16   7号剖面反演剖面

Fig.16   Profile of inversion of survey line No. 7


3号剖面呈近EW走向,与1、2号剖面斜交,西侧为剖面起点,布设测点14个,测线斜穿塌陷区域,测线长度较小,其中测点9、10位于塌陷区两侧边缘,从反演结果(图12)可以看出,9、10号测点低阻异常向深部延伸,推测其下方存在一个充水土洞。3号剖面14号测点和4号剖面3号测点重叠,从反演剖面可以看出,两点视电阻率异常一致,在10 m深度附近均有一个低阻异常体。

4号剖面(图13)呈近SN走向,北侧为剖面起点,布设测点12个,深度在0~3 m范围内10 Ω·m<ρ<100 Ω·m,电阻率值较低;3~5号测点10 m深度附近有1个低阻异常,12号测点与5号剖面1号测点位置相近,电阻率异常基本一致,在16~22 m深度范围均为低阻异常。

5号剖面布设于房屋后水泥地,WS—NE走向,东北侧为起始点,布设测点35个,从图14可以看出,深度在0~3 m范围10 Ω·m<ρ<100·Ω·m,电阻率值较低;深度在3~7 m 范围120 Ω·m<ρ<200 Ω·m,电阻率值中等,深度在7~35 m见较大体积漏斗状低阻异常带,异常连续性较差,多呈点状,推测为水流通道或充水土洞。5号剖面旁边有民用的抽水水井(见图8),长期需要抽水供给附近居民生活或农业生产。水井长时间抽水可能会让周围土体产生水力梯度和渗流力[29],推测是研究区水井长期的抽水诱使了7~35 m深的地层生成了地下水渗流通道,过量抽取地下水可能会引起地面塌陷[30]。如果对低电阻异常带长期置之不理,富水渗流区扩张发育和周围土体被侵蚀可能会进一步形成充水土洞。

6号剖面共布设侧点24个,剖面呈NW—ES走向,东南侧为起点,从图15可以看出,深度0~3 m 范围 10 Ω·m<ρ<100 Ω·m,电阻率值较低;深度在3~7 m范围120 Ω·m<ρ<200 Ω·m,电阻率值中等;剖面起点段与5号剖面终点段位置相近,电阻率异常一致,深度在7~35 m见漏斗状低阻异常带,异常连续性较差,多呈点状;6号剖面反演结果的点状低电阻异常带的面积明显的要少于5号剖面,这是由于6号剖面距离抽水水井更远,受到水泵抽取地下水的影响相对较少。6号剖面终点段与7号剖面起点段位置相近,深度在5~15m范围40 Ω·m<ρ<120 Ω·m,呈连续带状低电阻异常。

7号剖面共布设测点22个,呈WS—EN走向,西南侧为剖面起点,从图16可以看出,深度在0~3m范围10 Ω·m<ρ<100 Ω·m,电阻率值较低;深度在3~4.5 m范围120 Ω·m<ρ<200 Ω·m,电阻率值中等;深度在4.5~13.5 m范围10 Ω·m<ρ<120 Ω·m,呈带状低阻异常,异常连续性较好。

3.2 钻孔验证

OCTEM法物探工作完成后借助钻孔取样测试来验证物探技术的准确性,ZK1~ZK5钻孔深度分别为15.6、13.7、19.2、11.3、17.3 m,所有钻孔在进入持力层(石灰岩层)后就不继续往深处钻探。在ZK4钻进的过程中,发现1.8~3.0 m段受地下水侵蚀后极易发生塌方现象。

通过对5个钻孔成孔后静水位进行量测、计算,5孔静水位与塌陷区内静水位相同,两者的水位标高都为55.6 m;5个钻孔柱状土层取样结果与OCTEM反演地质结果对应效果较好,柱状土体不同岩性的交界面深度一般对应物探反演结果中电阻值出现突变的深度,钻探结果很好地验证了OCTEM在浅层富水区域的准确度。物探技术和钻探技术勘查结果见图17,钻探和物探的三维对比效果见图18。

图17

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图17   物探剖面成果及钻孔柱状图

Fig.17   Results of geophysical exploration section and borehole column chart


图18

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图18   物探反演图与钻孔三维对比图

Fig.18   Geophysical inversion map and 3D comparison of borehole


5个钻孔的地质钻探成果如表1所示,可知研究区地下水位较高,研究区存在典型的浅埋的富水层,富水岩层为砂、砾石薄层,参考其他学者发表的案例研究文献[31⇓⇓-34],可推测是浅层地下水引起了低电阻异常。通过对比,物探推测的持力层(石灰岩)深度与钻探土样深度基本吻合。

表1   研究区地质钻探资料统计

Table 1  Geological drilling data statistics in the study area

钻孔编号孔深/m孔口高程/m地层埋深/m岩性地下水位
稳定深度/m
ZK115.657.380~1.5粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软弱可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,零星可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状1.78
1.5~9.5粉质黏土:浅灰色,褐黄色,硬可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,零星可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有砂岩细砂砾
9.5~11.0粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软弱可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,零星可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有砂岩、石英岩等细砂砾
11.0~15.3粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有砂岩、石英岩、花岗岩等中粗砂
15.3~15.6中风化石灰岩:青灰色,隐晶质结构,薄中厚层状构造,矿物成分以碳酸钙为主,节理裂隙较发育,钙质充填,局部有溶蚀现象,岩心多呈现短柱状,局部呈现块状,少量长柱状,锤击声脆
ZK213.756.950~3.0粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软弱可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,零星可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状1.35
3.0~5.9粉质黏土:浅灰色,褐黄色,硬可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,零星可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有砂岩细砂砾
5.9~8.2粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软弱可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有砂岩、石英岩等细砂砾
8.2~12.8粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,可见较多铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有砂岩、石英岩、浅色变质岩等中粗砂
12.8~13.7中风化石灰岩:青灰色,隐晶质结构,薄中厚层状构造,矿物成分以碳酸钙为主,节理裂隙较发育,钙质充填,局部有溶蚀现象,岩心多呈现短柱状,局部呈现块状,少量长柱状,锤击声脆
ZK319.257.360~3.0粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软弱可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,零星可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状1.76
3.0~5.1土洞:地下水填充
5.1~17.5粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,可见较多铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有花岗岩、浅色变质岩等中粗砂
17.5~19.2中风化石灰岩:青灰色,隐晶质结构,薄中厚层状构造,矿物成分以碳酸钙为主,节理裂隙较发育,钙质充填,局部有溶蚀现象,岩心多呈现短柱状,局部呈现块状,少量长柱状,锤击声脆
ZK411.356.770~1.0素填土:浅灰色或浅红色,结构松散,均匀性较差,主要成分为粘性土,局部含有砾石和碎石,还有少量砼块,砂砾为近期平整场地所至,砼块为民房旧居拆除遗留1.37
1.0~3.0粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软弱可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,零星可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有砂岩细砂砾
ZK411.356.773.0~8.0粉质黏土:浅灰色,褐黄色,硬可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,零星可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有砂岩、石英岩等细砂砾1.37
8.0~11.0粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有石英岩、花岗岩等中粗砂
11.0~11.3中风化石灰岩:青灰色,隐晶质结构,薄中厚层状构造,矿物成分以碳酸钙为主,节理裂隙较发育,钙质充填,局部有溶蚀现象,岩心多呈现短柱状,局部呈现块状,少量长柱状,锤击声脆
ZK517.356.880~0.8素填土:浅灰色或浅红色,结构松散,均匀性较差,主要成分为粘性土,局部含有砾石和碎石,还有少量砼块,砂砾为近期平整场地所至,砼块为民房旧居拆除遗留1.28
0.8~3.0粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软弱可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,零星可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有砂岩细砂砾
3.0~5.0粉质黏土:浅灰色,褐黄色,硬可塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,零星可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有砂岩、石英岩等细砂砾
5.0~16.7粉质黏土:浅灰色,褐黄色,软塑,切面光滑,稍有光泽,韧性中等,干强度中等,可见铁锰质结合及高岭土团块,形态主要呈现为黏、粉粒状,局部含有石英岩、花岗岩等中粗砂
16.7-17.3中风化石灰岩:青灰色,隐晶质结构,薄中厚层状构造,矿物成分以碳酸钙为主,节理裂隙较发育,钙质充填,局部有溶蚀现象,岩心多呈现短柱状,局部呈现块状,少量长柱状,锤击声脆

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结合塌陷区域边缘钻孔 ZK2、ZK3、ZK5资料和物探成果分析,塌陷区域周围深度3~5.9 m土层基本为硬可塑黏土层,承载力中等,厚度较薄,5.9~16.7 m均为软塑黏土层,承载力低。ZK1中风化石灰岩层深度是15.3 m,ZK2中风化石灰岩层深度为12.8 m,ZK3和 ZK5中风化石灰岩层深度分别为17.5 m和16.7 m。ZK2和ZK5距离较近,但是持力层深度相差较大;结合等值反磁通6号剖面来看,6线17号点石灰岩层深度约为16.8 m,19号点灰岩层深度约为12.9 m,与1、2号剖面成果基本一致。因此推测塌陷区域下方存在地下水通道,粉质黏土层在水流长时间冲刷侵蚀作用下形成土洞。本次因地下水流失,水位下降,可塑黏土层承载力不足导致塌陷。ZK3钻孔在深度2.3~3.5 m探测到大尺寸的土洞,受土洞影响,ZK3 钻孔在钻进过程中向南发生轻度偏斜,根据物探成果,推测ZK3钻孔中风化岩实际深度约为17.10 m。

从测区总体来看,地层从上至下依次为软可塑粉质黏土—硬可塑粉质黏土—软塑粉质黏土—中风化石灰岩,少部分区域覆盖层为素填土,粉质黏土层中夹有较多薄层砂砾,地下水富集于砂砾薄层内,属于第四系孔隙潜水,研究区水井内的水属于碳酸盐岩类岩溶水或基岩裂隙水具体物探特征为深度在0~3 m范围视电阻率值较低,对应地层为软可塑粉质黏土,土质松散,承载力特征值较低,土层内水分主要自地表水和雨水;深度在3~8 m视电阻率值中等,对应地层为硬可塑黏土层,土质干,均匀性好,承载力特征值较高,同时该层具有隔水作用;硬可塑黏土层与中风化灰岩层之间存在承压水,视电阻率值较低,对应地层为软塑粘土层,含水量高,压缩性高,承载力低和抗剪强度很低;中风化石灰岩均匀性好,承载力高,视电阻率值较高。

4 结论

本次现场试验充分验证了OCTEM法在浅层富水区良好的应用效果,主要结论如下:

1)OCTEM相比于传统的TEM,在近地表的地层应用更具有优势,获取的数据真实可靠。该技术将接收线圈设置于反磁通平面,接收到纯净地下二次场,提高了瞬变电磁探测的准确度,缩小了浅层盲区。区域资料显示研究区地下水量中等,然而物探成果显示本文研究区低电阻带分布范围较广,钻探资料显示研究区地下水埋深较浅。钻探和物探结合分析基本确定物探低电阻异常均为地下水引起,地下反演剖面结果和钻探结果对比印证效果较好。对于3号钻孔探测到的土洞应当及时进行注浆加固或回填硬塑土料,水的存在不利于地下岩土体的稳定性。

2)持续性强降雨容易引发地质灾害,然而地面水井持续抽水也是不容忽视的重要因素,水井长时间抽水会让周围土体产生局部较高的水力梯度和渗流力,加剧了地下水渗流通道的发育。强降雨诱发的地下水水位快速上升会引起粉质黏土的液化现象,停雨之后地下水水位快速下降又导致土洞上部土层结构承载力不足,最终导致了地面塌陷和房屋地基不均匀沉降。综合来看,人类抽取浅层地下水资源应当遵循合理、适量的原则。

3)地下水和岩溶的研究涉及复杂的因素,OCTEM作为地球物理技术不宜单独使用,因为岩土体结构构成、矿物成分、孔隙比和含水率的变化往往都会引起电阻率值的变化。OCTEM仍然需要结合现场实际情况与其他技术相互补充并对比,在充分分析地层岩性、地质构造、水文资料、岩溶类型及形态,才能得到最准确的工程地质信息。此外,要准确地确定地层的水文地质条件,还应当测试孔隙水压力、渗透系数、地下水流速、给水度、钻井出水量、地下水径流模数等重要水文参数,本文受限于研究经费和时间等因素影响,未做好充分调研。研究区后续还必须加强水位观测,防止因水位下降发生更严重的地面塌陷。

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In recent past several incidences of ground fissures have been reported from different parts of Uttar Pradesh. The area had witnessed several drought years followed by heavy rainfall, immediately after which the fissures were noticed. This had been a cause of concern for the public and planners in general and the scientific community in particular. The authors carried out investigation of these fissures for identifying possible mechanism for their development. The studies have indicated that sudden heavy rainfall after several drought years along with the composition of the soil profile, lowering of base level of erosion in the nearby major streams are the triggering factor in the development of the cracks. The sub-surface piping inside the ground at shallow depth and collapse of the overburden inside the pipe is the possible mechanism for their formation.

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