綜合物探方法在水庫壩堤基礎(chǔ)勘查中的應(yīng)用

馬德明 李勃 閆志勇 陳麗 馬妍

摘 要：文章介紹了綜合應(yīng)用高密度電法與淺層地震映像法有效探查出某水庫壩址下部的斷層破碎帶及巖溶洞穴的具體分布，為業(yè)主單位制定出最佳預(yù)防治理方案，確保水庫工程建設(shè)質(zhì)量提供了有效的物探資料。

關(guān)鍵詞：壩堤基礎(chǔ)；高密度電法；淺層地震映像法；斷層破碎帶；巖溶裂隙

1 引言

水庫壩堤是水資源管理、防洪減災(zāi)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。它的安全性除了與壩體上部建設(shè)質(zhì)量有關(guān)外，很大程度還取決于水庫壩址基底巖性的穩(wěn)定性。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，水庫大壩失事約有40%是出在壩基上，原因是水庫壩基下部常常發(fā)育有巖溶洞穴或斷層破碎帶等不良地質(zhì)體，由于施工前沒有徹查及妥善有效處置，使建后壩體出現(xiàn)不均勻沉降、滑落，嚴(yán)重者可能出現(xiàn)潰壩洪水風(fēng)險，給相關(guān)地區(qū)帶來潛在的安全隱患，甚至是造成巨大的生命、財產(chǎn)和環(huán)境損失。因此基礎(chǔ)處理及基礎(chǔ)勘查工作十分重要。

近年來，隨著科技的發(fā)展，工程物探作為工程勘查的前沿學(xué)科發(fā)揮了重要作用，高密度影像、淺層地震映像法、多道瞬態(tài)瑞雷面波等新方法新技術(shù)不斷應(yīng)用，在探測巖溶地區(qū)地下溶洞、斷層破碎帶等地災(zāi)評估方面已由輔助手段轉(zhuǎn)為主要手段，改變了過去常規(guī)鉆探一孔定音、一孔之見片面的勘查模式，省時省力又省錢，收到了良好的效果。

本文介紹的是某擬建水庫壩址分布在大理巖地區(qū)的巖溶裂隙及構(gòu)造破碎帶發(fā)育區(qū)段，通過高密度電法輔以淺層地震映像法并經(jīng)精心探查，查明了斷層破碎帶及巖溶洞穴的分布特點，為工程制定最佳預(yù)防治理方案，確保水庫工程建設(shè)質(zhì)量提供了有效的物探資料。

2 場區(qū)地質(zhì)條件及地球物理特征

場區(qū)處于某河床及河床階地中，南北兩端為低山丘陵。區(qū)域地層巖性為下古生界奧陶系黃頂子組大理巖、板巖、片巖、變流紋巖；中生界白堊系，下白堊系德仁組的安山巖、凝灰?guī)r夾砂礫巖；以及華力西晚期的二長花崗巖。探測區(qū)內(nèi)巖性單一，除地表第四系外主要是二長花崗巖和大理巖以及大理巖與板巖互層。探測目標(biāo)物是斷層破碎帶及大理巖中的巖溶發(fā)育帶。探測區(qū)范圍為壩基軸線0-20-0+120m段，垂直軸線120m。要求探測深度為50m。

區(qū)內(nèi)中-弱風(fēng)化的二長花崗巖顯示高阻，電阻率在3200-6000Ω.m之間變化；大理巖往往與板巖互層一般在1600-3200Ω.m之間；斷裂破碎帶由于破碎且富水多在幾十-120Ω.m；大理巖中巖溶洞穴或溶蝕溝多被地下水或泥沙充填，電阻率僅有十幾-幾十Ω.m。理論和實踐表明，電性異常，充水?dāng)嗔淹纬删€性或串珠狀低阻或低阻帶異常，溶洞多表現(xiàn)圓形、橢圓形、囊、蜂窩或串珠狀異常形態(tài)特征。

地震波彈性波速測試，地表第四系粘土及強(qiáng)風(fēng)化巖層彈性波速多在n×100-1600m/s范圍，中-弱風(fēng)化的二長花崗巖及大理巖表現(xiàn)彈性波速高，波速大于3000米/秒以上。斷裂破碎及溶蝕裂隙發(fā)育地段波速明顯降低，當(dāng)大理巖中發(fā)育有充土或半充填溶洞則產(chǎn)生繞射波、多次延續(xù)波、出現(xiàn)低速帶等特征。

理論與實際都表明，探測區(qū)巖性與目標(biāo)物存在電性與彈性波速差異，反映了工作區(qū)具備開展電法與淺層地震方法應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。

3 方法技術(shù)

高密度電法野外數(shù)據(jù)采集使用國產(chǎn)WG-MD-6型測量系統(tǒng)，觀測參數(shù)為視電阻率ρs、供電電源由三菱牌MGE2901型2.4KW發(fā)電機(jī)與整流源整流完成，最大直流電壓輸出340V，觀測方式采用溫納四極裝置。在一條多芯電纜上一次布置90-120個電極，儀器自動觀測，自動記錄。

淺層地震映像法采用國產(chǎn)WZG-24G工程地震儀，采用剖面法測量，檢波器為CDJ-38型垂直分量檢波器；參數(shù)為：記錄道數(shù)為1道、采樣時間200ms、采集點數(shù)2048、偏移距10m、道間距距1m，激發(fā)震源采用10磅大鐵錘敲擊鐵合金墊板。

測網(wǎng)布設(shè)采用手持GPS并輔以皮尺丈量，剖面0線布設(shè)是沿大壩主軸線0-20～0+120 m段布設(shè)，方位55°。其它測線均以此為軸對稱，向兩側(cè)依次排開，北側(cè)為1、3線，南側(cè)為2、4線，剖面長為288m。線距30m，點距3m。地震映像法剖面布設(shè)是根據(jù)實測電法異常及現(xiàn)場情況而定，記錄點均布設(shè)在電法異常的地表投影處，點距3m。

4 探測效果

探測區(qū)通過綜合方法探查，推出2條破碎帶構(gòu)造，圈定巖溶洞穴7處，通過工程驗證效果很好。本文是以0線為例說明物探綜合方法應(yīng)用的實際效果。

4.1 異常特征

圖1為0線高密度電阻率反演擬斷面圖，圖2為0線淺震映像剖面圖。

由圖1看出剖面下部反映兩處明顯的低阻體。一處在對應(yīng)地表0+100m樁下部；另一處在對應(yīng)地表0+20m下部。

4.1.1 0+100m樁：上部自西向東反映低阻范圍較大，向右反映一個開口向上的漏斗狀異常，視電阻率小于1000Ω.m，漏斗中心顯示低阻帶，向右傾，傾角約50°，低阻帶兩側(cè)為高阻體。推斷是兩種巖性接觸破碎帶反映。

地震映像剖面圖2在對應(yīng)部位也出現(xiàn)了地震波同相軸彎曲，局部波形紊亂、波形繞射及波速降低等狀況。說明是破碎帶，其推出位置及產(chǎn)狀與電法推斷結(jié)果比較吻合，根據(jù)物探異常設(shè)計了WZK1鉆孔，鉆孔驗證于17.2～22.3m見到破碎帶，破碎帶上盤為大理巖，下盤為二長花崗巖。

4.1.2 0+20.0m樁：該異常整體處于兩個次高阻中間，上部為線性低阻，左傾；下部低阻范圍擴(kuò)大，呈直立橢圓形，視電阻率為50～400Ω.m之間，推斷上部是一個往左傾，傾角60°的含水?dāng)嗔褞?；下部可能是一個已充填的溶洞，洞頂埋深不好界定，這可能是由于斷層與巖溶發(fā)育共生，往往是巖溶或溶蝕發(fā)育到一定程度，類似于橢圓形的巖溶異常擴(kuò)大化的取代了線狀斷裂低阻異常，會導(dǎo)致二者界限不易分辨。

由地震映像剖面圖2顯示，該深度處地震波同相軸有錯斷和向上彎曲現(xiàn)象，并且推斷為溶洞部位波形紊亂，且呈低速帶顯示，認(rèn)為是巖石結(jié)構(gòu)疏松、破碎等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息反映?；谏鲜鲈O(shè)計了WZK2鉆孔，該孔驗證在19.4～24.7m時確實發(fā)現(xiàn)巖石破碎，局段見到斷層泥。在24.7～37.2m為溶洞，充填物多為直徑100mm的砂礫含泥，在37.2m以下基本上都是中-弱風(fēng)化大理巖。斷層的上下盤主要是強(qiáng)-弱風(fēng)化大理巖。

4.2 鉆探驗證

為了解0線0+100m及0+20m樁下部地質(zhì)情況，先后在0+90m和0+30m樁處分別施工了WZK1和WZK2兩個鉆孔，孔深均為50米。

4.2.1 WZK1驗證結(jié)果，①0.0～8.4為粘土含礫；②8.4～17.2為強(qiáng)風(fēng)化大理巖；③17.2～22.3m為斷層；④22.3m以下為完整的中-弱風(fēng)化二長花崗巖。該驗證結(jié)果與物探推斷吻合很好。

4.2.2 WZK2驗證結(jié)果，①0.0～6.3m卵漂石含粘土；②6.3～19.4m強(qiáng)風(fēng)化大理巖；③19.4～24.7m見有斷層泥及斷層角礫；④24.7～37.2m為溶洞，充填物為砂卵石及粘土。該驗證結(jié)果與物探推斷二者吻合很好。

根據(jù)此次勘察，全區(qū)共設(shè)計16個驗證鉆孔，其中驗證破碎帶7個，驗證斷層及溶洞9個，而只有一孔誤差稍大，是驗證破碎帶的，深度誤差約在6米左右，余者定位都很準(zhǔn)確，甲方非常滿意。

5 結(jié)束語

5.1 高密度電法輔以淺層地震映像法，探測水庫壩堤基礎(chǔ)下斷裂構(gòu)造以及巖溶洞穴等不良地質(zhì)體取得了良好的勘查成果，為水庫大壩基礎(chǔ)地災(zāi)治理與防護(hù)提供了較準(zhǔn)確的物探資料。表明物探勘查工作布置得當(dāng)，工作參數(shù)選擇合理，工作方法選擇正確。

5.2 理論和實踐表明，高密度電法具有效率高，反映異常形象、直觀、分辨率高的特點；但也反映了它本身的弱點，比如探測深度淺，受外界地磁場干擾大，對接地、地形等條件要求嚴(yán)格；而淺層地震映像法除具高密度電法的一般優(yōu)點以外，它不但具有分辨率高，還具有勘探深度大，幾乎不受地磁場干擾，適合于地表蓋層薄和巖石裸露的地段探測，彌補(bǔ)了高密度電法的某些不足。所以兩種方法可以相互補(bǔ)充、相互借鑒，相互認(rèn)證，既可消除單一方法的局限性及多解性，又能大大提升推斷解釋成果的可靠性。因此，高密度電法、淺層地震映像法在工程勘察領(lǐng)域中，特別探查淺埋深的斷層破碎帶構(gòu)造，圈定灰?guī)r地區(qū)的巖溶洞穴有著更加廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡介：馬德明（1959-），男，1981年畢業(yè)于遼寧冶金地質(zhì)學(xué)校，工程師，多年來主要從事工程物探及地質(zhì)物探找礦工作。