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摘要:在工程地质勘查中物探方法和钻探方法各有所长各有所短,将钻探手段和物探方法有机地结合起来往往能取得既快又准的勘查效果,本文介绍了当前在工程地质勘查中较常用的几种工程物探方法的原理、工作方法、资料处理技术,并结合工程实例介绍了物探方法和钻探方法相结合在工程地质勘查中的一些应用效果。
关键词:工程物探方法；物探与钻探相结合；工程地质勘查
中图分类号：F407.1文献标识码：A文章编号：
工程地质勘查的目的就是为拟建设场地查清地下岩土体包括一些未明目的物、构造断裂带、地下水等的物理力学性质、赋存状态、分布特征等工程地质条件,为设计、施工部门提供依据。目前主要的勘探方法有钻探、槽探、探井和物探等,其中因钻探资料具有直观、可靠的特点而使钻探成为最常用的勘探手段,但由于钻探只是在点线上揭示目的物,在一些较复杂的地质条件下,如石灰岩地区、大采空区地段等,很难完整地反映地下岩土层的变化情况,为查清岩土层在地下空间的展布情况,往往需施工大量钻孔,费时费力,效率较低;而在物探方面随着近几年物探方法、技术的发展及先进的仪器设备的应用,可以以极高的效率完成对地下岩土体的形态、规模、分布的圈定及一些物理力学参数提供资料,但由于物探方法的多解性、复杂性使物探工作很难单独地进行,被较少应用。为实现工程地质勘查效率性与可靠性的统一,将钻探手段和物探方法有机地结合起来是一个较好的办法。下面对当前在工程地质勘查中常用的几种物探技术的原理、工作方法、资料处理技术及与钻探相结合在工勘中的一些实际应用效果作简单的介绍。
1．直流电阻率法工程地质勘察中常遇到目的体埋深不大,规模较小的情况,在进行电法勘察时,要求小点距、高密度数据采集,这时用常规电法开展工作就显得施工效率太低且精度不够,当前探测地下岩土体最常用的是高密度电阻率法。高密度电阻率法进行二维地电断面测量,兼具常规剖面法与测深法的功能,敷设一次导线后可进行数百至数千个记录点的数据观测,其信息量大、施工效率高,而且数据经自动采集系统采集后,可以通过处理软件实现资料的现场实时处理,并根据需要自动绘制和打印各种成果图件,大大提高了电阻率法的智能化程度,很适合一般勘查中对地下目的物的探测;高密度电法野外工作装置形式较多,总电极数与点距可根据场地与勘察深度任意选择。一般固定断面扫描测量,其视电阻率断面为一梯型剖面;变断面连续滚动扫描测量其视电阻率断面为一平行四边形剖面。对高密度电阻率法资料的反演分析方法主要有边界单元法、有限单元法和目标相关算法等三种方法,三种方法各有千秋,可根据岩土层的具体形态选择。高密度电法勘探的出现使得电法勘探的野外数据采集工作得到了质的提高和飞跃,同时使得资料的可利用信息大为丰富,使电法勘探智能化程度向前迈进了一大步。下面是用高密度电阻率法求取石灰岩基岩面的一个实例:广东平远河披水桥工程地质勘查共施工钻孔四个,其地层自上而下为砂卵石层、含砾粘土层、二叠系灰岩。其中各孔内砂卵石层厚度变化不大,但灰岩岩面起伏非常明显,左侧钻孔最浅处埋深仅7m,往右依次为9. 2m, 18m,最右侧钻孔至48m犹未能见到基岩,钻孔中灰岩岩芯完整,未见溶蚀、溶洞现象。后进行桥桩超前孔施工时,发现入岩面相差很大,且见较大溶洞, 2#基础处水平相距2. 5m,入岩面竟相差10m。为全面了解地下基岩面情况,采用高密度电法测量,共布设四条测线,点距2m,通过已有的钻探资料选取测量参数,并校正深度,最终得出成果图件,可以看出灰岩视电阻率在250~300Ω·m左右,灰岩岩面呈石林状起伏分布,整体呈左高右深趋势,溶洞反映相当明显,在最右侧钻孔未见基岩处,显示基岩面约60m深。后经钻孔证实与实际情况基本吻合。
2．地质雷达地质雷达以其轻便、抗干扰性强、分辨率较其它物探方法高的特点,被广泛地应用于地质勘探、公路质量检测、文物考古等领域。地质雷达的探测深度和分辨率主要与天线的中心频率、天线距离、偶极方向等设备参数及地下介质电性、电磁波在地下介质中的传播速度等岩土层物理性质有关。目前的双天线地质雷达的观测方式主要有两种:剖面法和宽角法。其中剖面法就是发射天线和接收天线以固定间隔沿测线同步移动,每移动一步便得到一个记录,整条测线的记录就是地质雷达的对地下探测的时间剖面图像,这种记录可以准确的反映正对测线下方的地下物体变化情况。宽角法观测则是一个天线固定不动,而另一天线沿测线移动,通过记录地下不同层面反射波的双程走时而求取地下介质的电磁波传播速度、地下介质的电性参数。地质雷达的资料处理与地震波的处理相似,可应用数字滤波、反褶积、偏移绕射处理、多次叠加等技术手段进行,一般都有专门的处理软件。下面是地质雷达配合钻探在对地下溶洞探测的实例:山东临沂地区某厂区内部分道路及地面出现裂纹和下陷,怀疑地下有溶洞等物体,需进行勘探,由于不知地下物体的具体位置、形状,如果纯粹利用钻探方法,则不仅费时费力,而且还可能劳而无功,拖延处理。河南地球物理协会物探队首先利用LTD-3型地质雷达配以100MHz天线进行探测,通过强反射轴或典型的双曲线特征圈定出地下物体的位置和埋深(地下17. 5m处)。后针对性的采用钻探方法证实地下18m处为溶洞,并进行了灌浆处理,较好地完成了勘查任务。
3．瑞雷波法瑞雷波法可分为稳态瑞雷波法和瞬态瑞雷波法。因稳态瑞雷波法设备较笨重,成本较高,一般难于推广应用,而瞬态瑞雷波法以其简便、快速、分辨率高的优点被广泛应用于工民建岩土工程勘察和环境地质灾害调查与评估当中。瞬态瑞雷波测试是由一个垂直作用于地面的冲击震源(爆炸、落重、铁锤等)产生信号,用两个或多个检波器从震源开始沿垂直于测线方向直线布置,对一定频率范围内的瑞利波信号进行记录、提取,并利用专门软件进行正演和反演分析。瑞雷波法尤其适用于层状岩土体的探测、识别。下面介绍一个瞬态瑞雷波法在浅层煤矿分层勘查中应用的实例:图1是在山西安太堡露天煤矿的开挖平台上,采用落重震源和瞬态面波法取得的工作成果。左边为随深度变化的面波速度曲线,右侧为实际钻孔柱状图,从图中可以看出频散曲线的之字形拐点位置与钻孔分层位置对应情况非常理想。这仅是一点的记录,如果通过多条测线观测并配合钻探资料校正、核实以排除多解性就可以很方便、直观地勾勒出地下煤层的空间展布情况。
4．瞬变电磁测深法(TEM)瞬变电磁测深法是近几年来发展起来的电法勘探分支方法,它利用采集的数据求取各个测点在不同深度的视电阻率,做出视电阻率的剖面图,进而利用视电阻率异常来分辨和定位地下目的物的几何形态与展布。它除了具有电磁法穿透高阻层能力强、分辨能力好,采用人工源随机干扰影响小、探测效率高、成像清晰直观明了等优点外,还具有耦合方便、受地形影响小的突出优点,在一些场地狭窄,其他物探方法难于开展工作的条件下,采用瞬变电磁法往往可取得良好的效果。更为难得的是由于该方法探测的为纯二次场,故可采取简单加大发射功率的方法以增强二次场提高信噪比,增加探测深度。正是由于瞬变电磁法的一系列优点使其在工程勘查、地质矿产、路基工程等领域获得广泛的应用。该方法的工作非常简单,在野外沿测线逐点测量就行了,野外采集的数据通过专门软件进行地形校正、畸点剔除后即可反演得到直观反映地下结构的地电断面图。下面是瞬变电磁法结合钻探对乌江某段进行地下水位进行勘探的实例:某勘测设计研究院为界定乌江两岸地下水位在乌江某电站建成前后的变化,需对地下水位进行测量,采用瞬变电磁仪结合在X轴方向530、550、570处的附近设有钻孔13#、14#、15#进行探测,结果如下图中的水位线(黑线)所示,其所反映的地质结构经某勘测设计院的地质专家鉴定基本上符合实际情况。
在工程地质勘探中常用的物探方法尚有高分辩率浅层地震反射法、折射波法、高分辨率电阻率法、电阻率层析成像技术等,限于篇幅在这里不再一一叙述。实践表明,在工程地质勘查中,单纯利用一种勘探手段,往往不能取得良好的勘查效果,而将多种勘探手段有机地综合利用,却往往可取得事半功倍的收获。
参考文献:
[1]李大心,探地雷達方法与应用[M].地质出版社, 1994.
[2]张忠良,王峰.浅谈运用物探手段来寻找地下空洞[A].全国地下目的物探测方法技术研讨会论文集[A], 1996.
[3]隋海波,戴鹏燕.空洞探测的工程物探方法浅析[ J].矿业科学技术, 2004, 1.
[4]邱颖,任青文.瞬态瑞利波勘探技术及其应用述评[J].水利水电科技进展, 2004, 6.
[5]刘云祯,王振东.瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实例[J].物探与化探, 1996.
关键词:工程物探方法；物探与钻探相结合；工程地质勘查
中图分类号：F407.1文献标识码：A文章编号：
工程地质勘查的目的就是为拟建设场地查清地下岩土体包括一些未明目的物、构造断裂带、地下水等的物理力学性质、赋存状态、分布特征等工程地质条件,为设计、施工部门提供依据。目前主要的勘探方法有钻探、槽探、探井和物探等,其中因钻探资料具有直观、可靠的特点而使钻探成为最常用的勘探手段,但由于钻探只是在点线上揭示目的物,在一些较复杂的地质条件下,如石灰岩地区、大采空区地段等,很难完整地反映地下岩土层的变化情况,为查清岩土层在地下空间的展布情况,往往需施工大量钻孔,费时费力,效率较低;而在物探方面随着近几年物探方法、技术的发展及先进的仪器设备的应用,可以以极高的效率完成对地下岩土体的形态、规模、分布的圈定及一些物理力学参数提供资料,但由于物探方法的多解性、复杂性使物探工作很难单独地进行,被较少应用。为实现工程地质勘查效率性与可靠性的统一,将钻探手段和物探方法有机地结合起来是一个较好的办法。下面对当前在工程地质勘查中常用的几种物探技术的原理、工作方法、资料处理技术及与钻探相结合在工勘中的一些实际应用效果作简单的介绍。
1．直流电阻率法工程地质勘察中常遇到目的体埋深不大,规模较小的情况,在进行电法勘察时,要求小点距、高密度数据采集,这时用常规电法开展工作就显得施工效率太低且精度不够,当前探测地下岩土体最常用的是高密度电阻率法。高密度电阻率法进行二维地电断面测量,兼具常规剖面法与测深法的功能,敷设一次导线后可进行数百至数千个记录点的数据观测,其信息量大、施工效率高,而且数据经自动采集系统采集后,可以通过处理软件实现资料的现场实时处理,并根据需要自动绘制和打印各种成果图件,大大提高了电阻率法的智能化程度,很适合一般勘查中对地下目的物的探测;高密度电法野外工作装置形式较多,总电极数与点距可根据场地与勘察深度任意选择。一般固定断面扫描测量,其视电阻率断面为一梯型剖面;变断面连续滚动扫描测量其视电阻率断面为一平行四边形剖面。对高密度电阻率法资料的反演分析方法主要有边界单元法、有限单元法和目标相关算法等三种方法,三种方法各有千秋,可根据岩土层的具体形态选择。高密度电法勘探的出现使得电法勘探的野外数据采集工作得到了质的提高和飞跃,同时使得资料的可利用信息大为丰富,使电法勘探智能化程度向前迈进了一大步。下面是用高密度电阻率法求取石灰岩基岩面的一个实例:广东平远河披水桥工程地质勘查共施工钻孔四个,其地层自上而下为砂卵石层、含砾粘土层、二叠系灰岩。其中各孔内砂卵石层厚度变化不大,但灰岩岩面起伏非常明显,左侧钻孔最浅处埋深仅7m,往右依次为9. 2m, 18m,最右侧钻孔至48m犹未能见到基岩,钻孔中灰岩岩芯完整,未见溶蚀、溶洞现象。后进行桥桩超前孔施工时,发现入岩面相差很大,且见较大溶洞, 2#基础处水平相距2. 5m,入岩面竟相差10m。为全面了解地下基岩面情况,采用高密度电法测量,共布设四条测线,点距2m,通过已有的钻探资料选取测量参数,并校正深度,最终得出成果图件,可以看出灰岩视电阻率在250~300Ω·m左右,灰岩岩面呈石林状起伏分布,整体呈左高右深趋势,溶洞反映相当明显,在最右侧钻孔未见基岩处,显示基岩面约60m深。后经钻孔证实与实际情况基本吻合。
2．地质雷达地质雷达以其轻便、抗干扰性强、分辨率较其它物探方法高的特点,被广泛地应用于地质勘探、公路质量检测、文物考古等领域。地质雷达的探测深度和分辨率主要与天线的中心频率、天线距离、偶极方向等设备参数及地下介质电性、电磁波在地下介质中的传播速度等岩土层物理性质有关。目前的双天线地质雷达的观测方式主要有两种:剖面法和宽角法。其中剖面法就是发射天线和接收天线以固定间隔沿测线同步移动,每移动一步便得到一个记录,整条测线的记录就是地质雷达的对地下探测的时间剖面图像,这种记录可以准确的反映正对测线下方的地下物体变化情况。宽角法观测则是一个天线固定不动,而另一天线沿测线移动,通过记录地下不同层面反射波的双程走时而求取地下介质的电磁波传播速度、地下介质的电性参数。地质雷达的资料处理与地震波的处理相似,可应用数字滤波、反褶积、偏移绕射处理、多次叠加等技术手段进行,一般都有专门的处理软件。下面是地质雷达配合钻探在对地下溶洞探测的实例:山东临沂地区某厂区内部分道路及地面出现裂纹和下陷,怀疑地下有溶洞等物体,需进行勘探,由于不知地下物体的具体位置、形状,如果纯粹利用钻探方法,则不仅费时费力,而且还可能劳而无功,拖延处理。河南地球物理协会物探队首先利用LTD-3型地质雷达配以100MHz天线进行探测,通过强反射轴或典型的双曲线特征圈定出地下物体的位置和埋深(地下17. 5m处)。后针对性的采用钻探方法证实地下18m处为溶洞,并进行了灌浆处理,较好地完成了勘查任务。
3．瑞雷波法瑞雷波法可分为稳态瑞雷波法和瞬态瑞雷波法。因稳态瑞雷波法设备较笨重,成本较高,一般难于推广应用,而瞬态瑞雷波法以其简便、快速、分辨率高的优点被广泛应用于工民建岩土工程勘察和环境地质灾害调查与评估当中。瞬态瑞雷波测试是由一个垂直作用于地面的冲击震源(爆炸、落重、铁锤等)产生信号,用两个或多个检波器从震源开始沿垂直于测线方向直线布置,对一定频率范围内的瑞利波信号进行记录、提取,并利用专门软件进行正演和反演分析。瑞雷波法尤其适用于层状岩土体的探测、识别。下面介绍一个瞬态瑞雷波法在浅层煤矿分层勘查中应用的实例:图1是在山西安太堡露天煤矿的开挖平台上,采用落重震源和瞬态面波法取得的工作成果。左边为随深度变化的面波速度曲线,右侧为实际钻孔柱状图,从图中可以看出频散曲线的之字形拐点位置与钻孔分层位置对应情况非常理想。这仅是一点的记录,如果通过多条测线观测并配合钻探资料校正、核实以排除多解性就可以很方便、直观地勾勒出地下煤层的空间展布情况。
4．瞬变电磁测深法(TEM)瞬变电磁测深法是近几年来发展起来的电法勘探分支方法,它利用采集的数据求取各个测点在不同深度的视电阻率,做出视电阻率的剖面图,进而利用视电阻率异常来分辨和定位地下目的物的几何形态与展布。它除了具有电磁法穿透高阻层能力强、分辨能力好,采用人工源随机干扰影响小、探测效率高、成像清晰直观明了等优点外,还具有耦合方便、受地形影响小的突出优点,在一些场地狭窄,其他物探方法难于开展工作的条件下,采用瞬变电磁法往往可取得良好的效果。更为难得的是由于该方法探测的为纯二次场,故可采取简单加大发射功率的方法以增强二次场提高信噪比,增加探测深度。正是由于瞬变电磁法的一系列优点使其在工程勘查、地质矿产、路基工程等领域获得广泛的应用。该方法的工作非常简单,在野外沿测线逐点测量就行了,野外采集的数据通过专门软件进行地形校正、畸点剔除后即可反演得到直观反映地下结构的地电断面图。下面是瞬变电磁法结合钻探对乌江某段进行地下水位进行勘探的实例:某勘测设计研究院为界定乌江两岸地下水位在乌江某电站建成前后的变化,需对地下水位进行测量,采用瞬变电磁仪结合在X轴方向530、550、570处的附近设有钻孔13#、14#、15#进行探测,结果如下图中的水位线(黑线)所示,其所反映的地质结构经某勘测设计院的地质专家鉴定基本上符合实际情况。
在工程地质勘探中常用的物探方法尚有高分辩率浅层地震反射法、折射波法、高分辨率电阻率法、电阻率层析成像技术等,限于篇幅在这里不再一一叙述。实践表明,在工程地质勘查中,单纯利用一种勘探手段,往往不能取得良好的勘查效果,而将多种勘探手段有机地综合利用,却往往可取得事半功倍的收获。
参考文献:
[1]李大心,探地雷達方法与应用[M].地质出版社, 1994.
[2]张忠良,王峰.浅谈运用物探手段来寻找地下空洞[A].全国地下目的物探测方法技术研讨会论文集[A], 1996.
[3]隋海波,戴鹏燕.空洞探测的工程物探方法浅析[ J].矿业科学技术, 2004, 1.
[4]邱颖,任青文.瞬态瑞利波勘探技术及其应用述评[J].水利水电科技进展, 2004, 6.
[5]刘云祯,王振东.瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实例[J].物探与化探, 1996.