CN102444111B - 地下溶洞造影探测法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地下溶洞造影探测法，首先在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；测量地下溶洞及围岩石灰岩的电阻率值，通过观察地下溶洞与围岩石灰岩的电阻率电性差异来探测石灰岩地区地下溶洞。本发明有如下优点：通过人为地降低地下溶洞的电阻率值，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。

Description

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，为投盐造影孔位及编号；为测线位置及编号)；

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；为测线位置及编号)；

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；为较完整石灰岩；为

【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1.0(Ls^-1m^-1))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0.1(Ls^-1m^-1))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：

$K=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{AM}\·\mathrm{AN}}{\mathrm{MN}}\left(m\right)......\left(1\right)$

$\mathrm{\ρs}=K\frac{\mathrm{\Δu}}{I}(\mathrm{\Ω}\·m)......\left(2\right)$

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，而围岩石灰岩的电阻率一般为10²～10⁴Ω·m，两者存在一定的电性差异，而当地下溶洞充盈盐水后，地下溶洞电阻率会迅速降低至10^-1～10⁰Ω·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：

$\mathrm{B\ρ}\left(i\right)=\frac{\mathrm{\ρs}\left(i\right)}{\mathrm{\ρs}(i-1)}-1......\left(3\right)$

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。

Claims (9)

1.地下溶洞造影探测法，其特征在于，其步骤包括：首先在待测建筑工程场地的地下水上游施工设置投盐造影孔，向盐投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；测量地下溶洞及围岩石灰岩的电阻率值，通过根据地下溶洞造影后所探测的电测深Bρ曲线异常特征分析来探测石灰岩地区地下溶洞，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，所述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；

Βρ计算公式：

$B_{\mathrm{\ρ}}\left(i\right)=\frac{\mathrm{\ρs}\left(i\right)}{\mathrm{\ρs}(i-1)}-1......\left(3\right)$

其中：Βρ(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)；

每组电极距A0的装置系数K及视电阻率值ρs：

$K=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{AM}\·\mathrm{AN}}{\mathrm{MN}}\left(m\right)......\left(1\right)$

$\mathrm{\ρs}=K\frac{\mathrm{\Δu}}{I}(\mathrm{\Ω}\·m)......\left(2\right)$

其中：△u为MN极间的电压值(mv)；

I为供电迴路电流值(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)。

2.根据权利要求1所述的地下溶洞造影探测法，其特征在于，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，

(2)在地下水流向上游布设投盐造影孔。

3.根据权利要求2所述的地下溶洞造影探测法，其特征在于，所述投盐造影孔距探测场地6～20m，钻孔间距为3～10m。

4.根据权利要求3所述的地下溶洞造影探测法，其特征在于，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。

5.根据权利要求3或4所述的地下溶洞造影探测法，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的地下溶洞造影探测法，其特征在于，在所述投盐造影孔中的地面至石灰岩面之间设置套管。

7.根据权利要求6所述的地下溶洞造影探测法，其特征在于，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。

8.根据权利要求7所述的地下溶洞造影探测法，其特征在于，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造影孔，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。

9.根据权利要求8所述的地下溶洞造影探测法，其特征在于，所述可溶性金属化合物为氯化钠。