刻畫巖溶含水層非均質性的探測方法對比研究

1、    刻畫巖溶含水層非均質性的探測方法對比研究    摘要：本文著重介紹了高密度電法、地質雷達法（電磁法）及水力層析掃描法在地層非均質特征探測方面的國內外研究現狀，并基于巖溶含水層的探測應用方面對比分析了幾種方法的原理、優(yōu)劣勢和適用條件。關鍵詞：巖溶含水層;非均質性;探測方法引言我國西南地區(qū)巖溶地貌發(fā)育程度較高且分布廣泛，約占我國陸地面積的三分之一，總分布面積達340×104 km2，出露面積有91×104 km2。帶來了許多工程和水文地質問題，如水庫壩址、水庫鄰谷、水庫庫區(qū)發(fā)生大規(guī)模的管道型滲漏或涌水等問題，致使工程建設推遲、費用

2、增加，甚至有相當數量的小水庫成為廢庫。由于巖溶介質具有極大的不均勻性，是評價復雜地下水系統(tǒng)時所面臨困難的最根本原因。 因此，在地下含水層模擬研究中，如何能有效地將含水層的非均質特性精確地刻畫出來，是目前需要解決的科研問題之一。本文著重探究三種物探方法，包括高密度電法、地質雷達法（電磁法）、層析掃描法在含水層結構特征探測方面的國內外研究現狀，并對比分析了以下兩種方法的優(yōu)劣勢和適用條件。1 巖溶含水層非均質特征在傳統(tǒng)的多孔介質流體力學中，區(qū)分確認非均質性和均質性兩個概念的反映指標是滲透率。 巖溶含水層的非均質性表現在其復雜的地質形態(tài)，尤其是巖溶發(fā)育程度較高的我國西南區(qū)域，常常具有孔隙-裂隙-裂縫-

3、管道-溶洞-地下河等多種形態(tài)中的幾種耦合組成。由于孔隙、裂隙、裂縫、管道、溶洞、地下河的含水率較高，且大小不等，形狀不一，含水量不同，孔隙率和滲透率也不同，且碳酸鹽巖自身的孔隙率和滲透率很低，因而在巖溶含水層的不同結構面來看，不同區(qū)域、高度的滲透系數相差很大，甚至能夠達到相差幾個數量級的程度。因而可知，根據巖溶含水層的非均質特性，也為了避免鉆探損害淺層地下空間，利用其地質參數差異化的分布特征，通過刻畫其滲透系數場或電阻率場是較為高效的選擇。2 探測方法研究進展2.1 探地雷達探測探地雷達法是利用了天線發(fā)射和接收高頻電磁波來探測地層的內部結構特性和分布規(guī)律。趙忠海 把探地雷達應用于地裂縫、巖溶塌

4、陷、滑坡以及活動斷裂的調查，并說明了探地雷達的方法在地質災害的探測中具有無損、快速、準確的工作特點。楊耀，羊春華，曾國 等利用探地雷達查明了廣西某隧道巖溶性質及其在空間上的發(fā)育形態(tài)，并說明使用探地雷達方法時一定要注意控制客觀環(huán)境，因為其要求相當苛刻，例如地質形態(tài)中如若有金屬類、機具類、電纜類或者側壁和電磁信號等，將對雷達的有效信號造成一定程度的干擾。趙云威，朱自強，魯光銀 等以瓊北地區(qū)某高速公路溶洞探測為例，對所獲取的溶洞探測結果的典型異常特征及判別標準進行了詳細分析，并說明探地雷達的方法可以很好地應用在地表破碎嚴重且導電性很差的區(qū)域。鐘世航，孫宏志 等通過探地雷達設備探測和預報了巖溶裂隙水、

5、溶洞等隱患，并得出結論：將陸地聲納法、瞬變電磁法和探地雷達組合起來，這種基于探地雷達的組合式方法，能夠較好地探測和預報斷層及地下水、溶洞、暗河等的位置。劉文峰，張振勇 等采用探地雷達調查了巖溶的發(fā)育情況，并說明探地雷達探測應用在探測巖溶裂隙的發(fā)育情況效果快速有效，如果將工程鉆探與探地雷達的方法相結合的話效果更佳。吳昊，楊曉華，溫世儒 等對巖溶區(qū)富水破碎帶的探地雷達頻譜特進行了定量分析，證明探地雷達方法能夠較好地應用在富水破碎帶。葛顏慧等 在滬蓉西高速公路烏池壩隧道聯合應用高密度電法與地質雷達法精確預報了巖溶水，并且說明探地雷達法能夠很好地應用在斷裂帶，特別是能夠很好地識別含水的破碎帶。2.2

6、高密度電法高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，利用巖石或土體的導電性差異，通過人工施加穩(wěn)定電流/電阻率場，探測淺層電流/電阻率分布規(guī)律。劉曉東等 例舉了高密度電法在江西省新余市某中的找水工程的實際應用，并指出高密度電法具有測量精度高，效率高的優(yōu)點，能夠應用于管線探測巖溶調查和找水工程中。嚴加永等 指出高密度電法高分辨率能有效地應用在淺層地質結構，并且同時指出，二維反演仍是目前應用高密度電法的主流反演方式，但三維反演方法的應用在不斷地增加，三維反演乃至四維反演是未來高密度電法更好地應用在工程實際的發(fā)展趨勢。郭志東 將高密度電法應用于遼陽弓長嶺露天礦邊坡勘察。蔡晶晶等 采用高密度電法對南京地鐵3號線

7、進行巖溶勘察，并指出接地條件太差會影響到高密度電法的實施。江玉樂等 等應用高密度電法在某高速公路進行巖溶勘察，并指出高密度電法更適合初期勘測，后期勘測要結合適量的鉆探。3 結論綜合以上3種傳統(tǒng)物探方法的研究進展進行對比分析，本節(jié)將從優(yōu)勢、缺陷、適用條件三個方面總結上述各個方法的特點。探地雷達對斷裂帶、溶洞等形態(tài)的巖溶含水層具有良好的探測性能，但雷達容易受到干擾，處理數據時相對繁瑣，探測精度與探測深度成反比，適用于淺層富水含水層，且適用于探測規(guī)模和位置。高密度電法對地質條件有一定要求，存在電極極化問題，但探測精度較高，效率較高，應用于探測較小溶洞時效果較差。參考文獻：束龍倉，張穎，魯程鵬.管道-

8、裂隙巖溶含水介質非均質性的水文效應j.南水北調與水利科技，2013，11（01）：115-121.滲透性參數非均質特征的研究進展趙忠海.探地雷達在地質災害調查方面的應用j.中國地質災害與防治學報，2002，13（2）：100-102.楊耀，羊春華.探地雷達在隧道巖溶普查中的應用j. 物探與化探， 2010，34（3）：410-414.趙云威，朱自強，魯光銀，等.地質雷達在玄武巖地區(qū)溶洞勘察中的應用j. 公路工程， 2012，37（3）：204-208.鐘世航，孫宏志，李術才，等.隧道及地下工程施工中巖溶裂隙水及斷層、溶洞等隱患的探查、預報j. 巖石力學與工程學報， 2012，31（z1）：32

9、98-3327.劉文峰，張振勇.探地雷達在巖溶地基探測中的應用j. 物探與化探， 2014，（3）：624-628.吳昊，楊曉華，溫世儒.巖溶區(qū)富水破碎帶探地雷達頻譜特征研究j. 公路交通科技， 2018，35（12）：90-94.葛顏慧，李術才，張慶松，李利平，劉斌.基于風險評價的巖溶隧道綜合超前地質預報技術研究j.巖土工程學報，2010，32（07）：1124-1130.劉曉東，張虎生，朱偉忠.高密度電法在工程物探中的應用j.工程勘察，2001（04）：64-66.嚴加永，孟貴祥，呂慶田，張昆，陳向斌.高密度電法的進展與展望j.物探與化探，2012，36（04）：576-584.郭志東.高密度電阻率法在露天采場邊坡穩(wěn)定性評價中的應用j.科技資訊，2014，12（15）：75-7