地下溶洞造影探测法 【技术领域】
本发明涉及一种用于探测建筑物地基岩土层结构完整性的地下溶洞造影探测法。 【背景技术】
众所周知， 建筑物地基基础岩土层结构的完整性， 直接关系到建筑物的安全。 如何 准确地将石灰岩地区的地下溶洞探查出来， 一直被业内认为是一项世界性的难题。
目前， 在石灰岩地下溶洞发育的地区， 建筑工程场地的地下溶洞， 往往位于地下水 位以下， 建设各方为了保证建筑物基础的安全， 不惜投入大量的人力、 财力及时间进行石灰 岩地区建设工程场地地下溶洞的勘查工作， 但由于采用传统的工程地质钻探仅为一孔之 见， 或采用传统的电法勘探， 由于地下溶洞埋深较大或地下溶洞规模较小而导致其电阻率 与围岩石灰岩电阻率差异较小而无法准确地探查出来， 给建筑物留下严重的安全隐患。 【发明内容】
本发明的目的在于针对以上所述地下溶洞探测方法的不足， 提供一种在工程实际 需要中发展起来的快速、 准确、 经济的地下溶洞造影探测法。
为达到上述目的， 本发明的技术方案是 ： 地下溶洞造影探测法， 其步骤包括 ： 首先 在待测建筑工程场的地下水上游施工设置投盐造影孔， 投盐造影孔深度超过建筑物基础设 计深度 5-10m 或进入连续完整石灰岩 5-10m， 向投盐造影孔内投可溶性金属化合物， 利用地 下溶洞的充水性及围岩石灰岩的裂隙与地下溶洞之间的连通性， 使可溶性金属化合物溶解 后顺地下水流向流动 ； 用电阻率法对地下溶洞及围岩石灰岩的电阻率值进行测量， 通过观 察地下溶洞与围岩石灰岩的电阻率电性差异来确定探测石灰岩地区地下溶洞。
所述投盐造影孔布设方法包括的步骤如下 ：
(1) 对待测建筑工程场进行前期勘探， 确定需探测石灰岩场地地下溶洞发育程度、 地下水富水性及地下水流向 ： 通过前期场地工程地质初勘阶段的岩土钻探资料、 抽水资料 及地下水位观测资料， 分析确定需探测石灰岩场地地下溶洞发育程度、 地下水富水性及地 下水流向。
(2) 在地下水流向上游布设投盐造影孔 ： 根据建筑工程场地的前期勘探资料中的 地下溶洞发育程度、 地下水富水性及地下水流向， 在地下水流向上游布设第一排投盐造影 孔。所述投盐造影孔距探测场地 6 ～ 20m， 钻孔间距为 3 ～ 10m。在建筑工程场地两侧的投 盐造影孔各超出探测区 2-3m 布设 ； 所述投盐造影孔的孔深度应超过建筑物基础设计深度 5-10m 或进入连续完整石灰岩 5-10m。
(3) 当探测场地长度较大时， 一般每隔 50-60m 进行探测场地分区及每隔 50-60m 增 加一排投盐造影孔。
所述投盐造影孔的孔径开孔 Φ146mm， 入岩 1.0m。在所述投盐造影孔中的地面至 石灰岩面之间设置 Φ127mm 套管护孔。
所述套管外壁与孔壁之间插入细导管进行压入水泥浆隔水。向投盐造影孔内投可溶性金属化合物的方法如下 ： 在拟探测分区上游最近一排投 盐孔， 采用统一时间， 统一分批、 统一投盐量的方式向投盐造影孔内投 50 ～ 500kg 可溶性金 属化合物。
投盐造影孔投可溶性金属化合物后 15 ～ 300 分钟内进行电阻率探测。
所述可溶性金属化合物为溶解度高， 且溶解于水后其溶液为电阻率小的氯化钠、 氯化镁等盐。
与现有技术相比， 本发明有如下优点 ： 通过人为地降低地下溶洞的电阻率值， 人工 地对地下溶洞进行低电阻率造影， 加大了地下溶洞与围岩石灰岩的电阻率电性差异， 从而 提高电阻率法对地下溶洞探测的分辨率， 做到快速、 准确、 经济地探测石灰岩地区地下溶洞 的目的。 【附图说明】
图 1 为本发明地下溶洞投盐造影孔位布置及探测场地分区示意图 ( 其中，为投盐造影孔位及编号 ； 为探测场地分区及编号 ) ；
图 2 为本发明的投盐造影孔钻孔结构示意图 ( 其中， 1 为地面， 2 地下水位， 3为 盐造影孔开孔， 4 为套管， 为箭头方向 为地下水流向 ； 为粘土、 砂砾层 ； 为地下溶洞 ；
为石灰岩 ；为回灌水泥浆 ；为岩溶裂隙 ) ；图 3 为三极电测深法工作装置示意图 ( 其中， 5 为测线， A、 A′、 B 为供电电极， 且B 极为∞远极 ； M、 N 为测量电极， I 为电流值， Δu 为电压值 ) ； 图 4 为等线距测线布置示意图 ( 其中， 图 5 为多方向测线布置示意图 ( 其中， 为投盐造影孔位及编号 ； 为投盐造影孔位及编号 ； 为测线 为测线
位置及编号 ) ；
位置及编号 ) ；
图 6 为投盐造影孔位置及测点分布示意图 ( 其中，为投盐造影孔位及编号 ；为测点编号及跑极方向 ) ；
图 7 为 38 号点实测电测深 Bρ 曲线图 ； 图 8 为 39 号点实测电测深 Bρ 曲线图 ； 图 9 为 40 号点实测电测深 Bρ 曲线图 ； 图 10 为 44 号点实测电测深 Bρ 曲线图 ； 图 11 为 45 号点实测电测深 Bρ 曲线图 ； 图 12 为 46 号点实测电测深 Bρ 曲线图。 其中， 图 7- 图 12 中， 为电测深 B ρ 曲线 ( 无量纲 ) ； 为砂砾层 ； 为较完 为整石灰岩 ；【具体实施方式】
以下结合具体实施例对本发明进行详细的说明。
一、 投盐造影孔布设
(1) 对待测建筑工程场进行前期勘探， 确定需探测石灰岩场地地下溶洞发育程度、地下水富水性及地下水流向 ： 通过获取的前期场地工程地质初勘阶段的岩土钻探资料、 抽 水资料及地下水位观测资料， 分析确定需探测石灰岩场地地下溶洞发育程度、 地下水富水 性及地下水流向。
(2) 在地下水流向上游布设投盐造影孔 ： 根据建筑工程场地地下溶洞发育程度及 地下水富水性， 在地下水流向上游， 距探测场地 6 ～ 20m， 布设第一排投盐造影孔， 钻孔间距 为 3 ～ 10m。两侧投盐造影孔各超出探测区 2-3m 布设， 钻孔深度应超过建筑物基础设计深 度 5-10m 或进入连续完整石灰岩 5-10m。当探测场地长度较大时， 一般每隔 50-60m 进行探 测场地分区及每隔 50-60m 增加一排投盐造影孔， 如图 1 所示。
所述投盐造影孔的施工要求可以如下 ：
(1) 孔径要求 ： 开孔 Φ146mm， 入岩 1.0m。
(2) 在所述投盐造影孔的地面至石灰岩面之间下入 Φ127mm 套管。
(3) 所述套管外壁与孔壁之间插入细导管进行压入水泥浆隔水， 且套管外壁与孔 壁之间的间距为 19mm。
(4) 其中投盐造影孔末端终孔口径 Φ91mm。
对投盐造影孔全孔取芯， 分段抽水， 观测地下水位。
投盐造影孔钻孔结构， 如图 2 所示。
所述投盐造影孔的钻探设备采用符合国家钻探设备生产标准生产的各类型 100m 或 200m 钻机及配套设备。
二、 投盐量及投盐方法
在拟探测分区上游最近一排投盐孔， 采用统一时间， 统一分批、 统一投盐量的投盐 方法。
(1) 对于地下溶洞较发育且地下水富水性强 ( 钻孔单位涌水量大于 1.0(Ls-1m-1)) 地段， 一般单井投盐量为 300kg ～ 500kg。( 采用分批投盐， 一般每隔 15 分钟～半个小时投 一次盐 )。
(2) 对于地下溶洞发育中等且地下水富水性中等 ( 钻孔单位涌水量为 0.1 到 -1 -1 1.0(Ls m )) 地段， 一般单井投盐量为 200kg ～ 300kg.( 采用分批投盐， 一般每隔半小时～ 1 小时投一次盐 )。
(3) 对 于 地 下 溶 洞 发 育 较 差 且 地 下 水 富 水 性 弱 ( 钻 孔 单 位 涌 水 量 小 于 -1 -1 0.1(Ls m )) 地段， 一般单井投盐量为 50 ～ 100kg( 可一次性投盐 )。
三、 投盐后的探测时间
(1). 在地下溶洞较发育且地下水富水性强的地段， 一般投盐后 15 分钟 - 半小时开 始探测。
(2). 在地下溶洞发育中等且地下水富水性中等地段， 一般投盐后半小时 -1 小时 开始探测。
(3). 在地下溶洞发育较差且地下水富水性弱地段， 一般投盐后 3-5 小时开始探 测。
具体投盐后探测时间的确定， 可通过对下一排投盐孔进行井中电阻率小四极法测 定其井中地下水电阻率变化情况或进行地面电阻率法测试场地电阻率变化情况来确定。
四、 野外测试( 一 )、 野外测试工作装置及视电阻率值计算方法
电阻率探测法是利用被探测的目的体与其围岩石灰岩之间的电性差异为基础， 通 过观测和研究与这种电性差异有关的电场分布特征和变化规律， 来查明地下溶洞的地球物 理勘探方法。三极电测深视电阻率探测法的测量装置是以某点 O 为中心点， 布设 B 无穷远 极与中心点距离＞ 10A0， 测量电极 MN 固定不动， 按规定不断加大供电电极距 A0， 从而不断 观测到该 O 点以下各个 A0 深度的电压及电流变化情况， 并按下式计算出每组电极距 A0 的 装置系数 K 及视电阻率值 ρs ：
其中 ： Δu 为 MN 极间的电压值 (mv) ；
I 为供电迥路电流值 (mA) ；
AM 为 A 极至 M 极的距离 (m) ；
AN 为 A 极至 N 极的距离 (m) ；
MN 为 M 极至 N 极的距离 (m)。
根据实测的视电阻率 ρs， 便可研究该点下方不同深度电性的垂向变化。
由于供电极距 A0 的不断加大， 增大了供电电流在地下的分布范围， 从而加大了勘 探深度， 如图 3 所示。
( 二 )、 测线布设
(1). 在地下水流向下游， 距最近一排投盐造影孔 6-20m 开始布设测线， 测线方向 一般应垂直溶洞发育方向， 测线距 1m、 2m 或 4m， 点距 2m 或 4m， 如图 4 所示。
(2). 在地下水流向下游以某一测点为中心， 距地下水上游最近一排投盐造影孔 31-50m 按 8 个或更多方向布设测线， 点距 2m 或 4m， 如图 5 所示。
( 三 )、 野外工作参数设置
(1). 极差 2m， 采用等差极距逐极测量
A0 ＝ 2、 4、 6、 8、 10......60m。
MN ＝点距＝ 2m， 无穷远极与中心点距离＞ 10A0.
(2). 极差 4m， 采用等差极距逐极测量
A0 ＝ 4、 8、 12、 16、 20、 ...60m。
MN ＝点距＝ 4m， 无穷远极与中心点距离＞ 10A 0。
( 四 )、 仪器设备
野外数据采集仪器采用符合国家标准的各类电法测量系统。
( 五 )、 野外数据采集时采取的措施
(1). 用 GPS 及皮尺丈量、 布设电极， 电极位置误差应符合相关规范要求。
(2). 电极接地良好， 数据采集前， 应检查每个电极的接地电阻且应符合相关规范 要求。
(3). 野外工作时， 应填写野外班报表， 供质量监控及室内数据处理时参考。
(4). 数据采集过程应全程监控， 发现异常情况应及时处理， 保证所采集数据真实 可靠。
五、 室内数据处理
在室内， 首先将野外采集的数据通过传输软件传输到计算机中， 并运用专用电法 反演软件进行坏点删除及地形校正和格式转换及反演计算等步骤， 处理后成图的图件有 ：
(1). 电测深 Bρ 曲线图， 如图 7 所示。
(2). 视电阻率等值线断面图。
六、 数据分析
( 一 )、 地下溶洞分析
地下溶洞， 由于充水或充填泥砂时， 其电阻率一般为＜ 102Ω·m， 而围岩石灰岩的 2 4 电阻率一般为 10 ～ 10 Ω·m， 两者存在一定的电性差异， 而当地下溶洞充盈盐水后， 地下 -1 0 溶洞电阻率会迅速降低至 10 ～ 10 Ω·m， 致使地下溶洞电阻率与围岩石灰岩电阻率存在 明显的电性差异。而电测深 Bρ 曲线， 其数值是与电极距的前一组极距的电阻率测量值相 比较而得， 大于前者为正， 小于前者为负。Bρ 值无量纲。
Bρ 计算公式 ：
其中 ： Bρ(i) 为计算点视电阻率比值 ( 无量纲 ) ；
ρs(i) 为计算点实测视电阻率值 (Ω·m) ；
ρs(i-1) 为计算点前一组 A0 电极距的实测视电阻率值 (Ω·m)。
因此， 在实测的电测深 Bρ 曲线上， 当 Bρ 曲线在正常背景下出现明显的负方向 尖峰异常时， 其尖峰异常左、 右两侧的半值点位置则为地下溶洞顶、 底板的边界范围， 如图 7 所示。
( 二 )、 地下完整石灰岩分析
由于地下完整石灰岩电阻率值较高且较稳定， 因此 Bρ 值为近常数正值。在电测 深 Bρ 曲线图上， 表现为近垂直的正值竖线图， 如图 12 所示。
七、 实测地下溶洞造影探测电测深 Bρ 曲线
( 一 )、 该场地为石灰岩地区且地下溶洞较发育和地下水富水性强地段。位于地下 水上游布设 ZK1 投盐造影孔， ZK1 孔距 38 号测点 10m， 钻孔深度 60m， 井中投盐量为 500kg， 分 10 次投， 每 15 分钟投一次。投盐 15 分钟后开始探测， 如图 6 所示。
( 二 )、 野外工作参数 ： 极差 4m， 点距 4m。
采用等差极距逐极测量，
A0 ＝ 4、 8、 12......60m
MN ＝ 4m， 无穷远极与中心点距＞ 600m
( 三 )、 实测地下溶洞电测深 Bρ 曲线特征
如图 7 所示， 为 38 号点实测电测深 Bρ 曲线图， 由图见， 电测深 Bρ 曲线在地下溶 洞部位 10.9 ～ 16.0m 段内出现明显的负值异常， 而在其他石灰岩较完整段内， Bρ 曲线均 为正值。
如图 8 所示， 为 39 号点实测电测深 Bρ 曲线图， 在地下溶洞部位 16.0 ～ 19.7m 段 内， 出现明显的负值异常， 而在其他石灰岩较完整段内， Bρ 曲线均为正值。
如图 9 所示， 为 40 号点实测电测深 Bρ 曲线图， 在地下溶洞部位 19.1 ～ 23.6m 处，
出现明显的负值异常， 而在其他石灰岩较完整段内， Bρ 曲线均为正值。
( 四 )、 实测地下较完整石灰岩电测深 Bρ 曲线特征
如图 10、 图 11、 图 12 所示， 分别为 44、 45、 46 号点的实测电测深 Bρ 曲线图， 由图 见， 电测深 Bρ 均为近垂直线的正值， 没有出现明显的尖峰负值异常特征， 为典型的较完整 石灰岩电测深 Bρ 曲线特征。
综上， 根据地下溶洞造影后所探测的电测深 Bρ 曲线异常特征分析， 便可方便、 直 观、 准确地确定出探测深度内地下溶洞的空间分布形态特征及划分出地下较完整的石灰岩 段。
以上所述者， 仅为本发明的较佳实施例而已， 当不能以此限定本发明实施的范围， 即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰， 皆仍属本发 明专利涵盖的范围内。