水庫(kù)壩基綜合地球物理勘察技術(shù)與應(yīng)用

江曉益，陳興海，胡雄武，張平松

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

水庫(kù)作為一種抗洪防旱、保障供水和改善生態(tài)環(huán)境的水利工程，已經(jīng)成為改善民生、保障民安、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮的作用巨大。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展，水電站、風(fēng)電站等建設(shè)的投入不斷加大，水庫(kù)建設(shè)工程也快速發(fā)展［1］。對(duì)于新建水庫(kù)來(lái)說(shuō)，其壩基的地質(zhì)條件是建設(shè)者首先要考慮的問(wèn)題。壩基勘察中采用物探與鉆探相結(jié)合的方式可以科學(xué)探查潛在的地質(zhì)災(zāi)害，物探先行，為鉆探提供重點(diǎn)勘察區(qū)域，所獲得的勘察結(jié)果較為及時(shí)可靠。目前用于壩基測(cè)試的物探方法有地震類(lèi)、電法類(lèi)，以及測(cè)井等方法，由于受單一方法條件所限，其探測(cè)結(jié)果的影響因素及結(jié)果各有特點(diǎn)，很難對(duì)壩基巖性做出準(zhǔn)確判斷，為了進(jìn)行資料有效對(duì)比與解釋?zhuān)ǔ＿x用兩種方法進(jìn)行綜合勘探與對(duì)比，對(duì)地質(zhì)異常體的分辨能力增強(qiáng)，綜合物探方法相互對(duì)比驗(yàn)證與綜合分析，進(jìn)一步提高壩基巖性判斷的準(zhǔn)確性和可靠性［2－10］。文章結(jié)合某水庫(kù)壩基勘察條件，選擇地震和電法綜合進(jìn)行勘探，分析其效果，為同類(lèi)條件壩基勘探提供參考。

1 震電綜合探測(cè)方法

1.1 淺層折射波法探測(cè)原理

地震勘探中折射波法要求探測(cè)介質(zhì)的上一層震波速度小于下一層介質(zhì)的波速，水庫(kù)壩基勘察中通常利用它來(lái)獲得基巖埋藏深度值，其表層的松散層與下部基巖層之間波速差異較大，有利于進(jìn)行折射波勘探。當(dāng)?shù)卣鸩ū患ぐl(fā)傳播時(shí)，遇到地層波速界面會(huì)產(chǎn)生波的折射、反射，通過(guò)在地表不同位置檢波器接收最先到達(dá)的折射波，分析計(jì)算折射波到達(dá)地表的時(shí)間同時(shí)結(jié)合相關(guān)的參數(shù)來(lái)達(dá)到劃分基巖風(fēng)化帶、測(cè)定低速破碎帶等的目的。其現(xiàn)場(chǎng)分為單邊折射和相遇折射波法，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)地表?xiàng)l件以及基巖面起伏形態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，選擇合適的觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

本次采用相遇折射波法進(jìn)行觀測(cè)(見(jiàn)圖1)，測(cè)線AB兩端各放置一個(gè)傳感器，在AB間每隔Δx錘擊一次，A、B點(diǎn)同時(shí)接收，Δx常取固定值。測(cè)線長(zhǎng)度X應(yīng)足夠長(zhǎng)，以保證折射波能夠出現(xiàn)。如果估計(jì)的覆蓋層厚度為H，層內(nèi)波速為v1，下覆巖層內(nèi)波速為v2，那么X應(yīng)該滿足如下關(guān)系式

其中L至少要有3～4 個(gè)道間距才能確定折射界面的速度。在山區(qū)工作時(shí)，采用重錘作為震源。為能激發(fā)高頻信號(hào)，錘重以10 磅左右為宜。由于直達(dá)波和折射波的頻率較高，而面波等干擾波的頻率較低，為消除低頻干擾，采樣時(shí)頻帶取200～1 000 Hz為宜。采樣間隔的選取由記錄長(zhǎng)度和測(cè)線長(zhǎng)度以及界面深度來(lái)決定。

圖1 折射波觀測(cè)系統(tǒng)布置圖

由于堤壩滲水通道一般是細(xì)長(zhǎng)的通道或者裂縫，尺寸相對(duì)較小，所以在進(jìn)行折射波法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，應(yīng)盡量減小道間距之間的距離，以提高探測(cè)結(jié)果的分辨率。由于其受分辨率的影響，目前在堤壩隱患探測(cè)中應(yīng)用較多的地震方法還是面波法。

1.2 并行電法探測(cè)原理

電法探測(cè)是以不同介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，由于基巖段巖石與上部松散介質(zhì)之間存在較大的電性差異，因此可以采用電法探測(cè)技術(shù)劃分測(cè)線下方基巖界面的展布情況。本次探測(cè)中采用并行電法技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該方法是在高密度電法勘探基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。它既具有集電測(cè)深和電剖面法于一體的多裝置、多極距的高密度組合功能;同時(shí)，還具有多次覆蓋疊加的優(yōu)勢(shì)，大側(cè)向探測(cè)距離為電極控制段的長(zhǎng)度。并行電法數(shù)據(jù)采集時(shí)具有同時(shí)性和瞬時(shí)性，使得電阻率分布圖像更加真實(shí)合理，大大提高了時(shí)間分辨率［11］。

根據(jù)電極觀測(cè)裝置的不同，并行電法數(shù)據(jù)采集方式分為兩種:AM 法和ABM 法。通過(guò)獲得的瞬時(shí)電場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行視電阻率計(jì)算與反演，即可獲得地下介質(zhì)的電阻率剖面，依據(jù)剖面中電性差異分析異常位置及特征，并與地質(zhì)條件對(duì)應(yīng)解釋。

目前直流電阻率法已廣泛應(yīng)用于堤壩隱患探測(cè)實(shí)踐中，但是由于其縱向分辨率還沒(méi)有很好的提高，探測(cè)的有效深度和異常體大小的界定還沒(méi)有很明確的定量。所以，直流電阻率法在實(shí)際探測(cè)中還有待進(jìn)一步的發(fā)展探索。

1.3 電磁法探測(cè)

電磁法勘探主要包括瞬變電磁法、探地雷達(dá)法、頻率域電磁法、甚低頻電磁法等，瞬變電磁法主要是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過(guò)向地下發(fā)射一次脈沖場(chǎng)，激勵(lì)地下低阻體產(chǎn)生二次感應(yīng)場(chǎng)，然后通過(guò)線圈接收，從而進(jìn)行地下的地質(zhì)體判斷分析;探地雷達(dá)主要是向地下發(fā)射高頻電磁波，經(jīng)地下的地層或異常體反射回地面，然后通過(guò)線圈進(jìn)行接收，根據(jù)波形的旅行時(shí)間和強(qiáng)度及波形的變化判斷地下介質(zhì)的內(nèi)部情況?？偟膩?lái)說(shuō)，電磁法勘探在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中受到探測(cè)深度的限制，瞬變電磁法較適合探測(cè)壩體深部的異常情況，對(duì)埋深淺、體積小的異常體探測(cè)效果較差;探地雷達(dá)法適合探測(cè)淺部的異常體，往深部的電磁衰減較大，所以其發(fā)展也受到一定的限制。電磁法探測(cè)還受到其的探測(cè)分辨率的影響，導(dǎo)致其在堤壩隱患探測(cè)中需要進(jìn)一步的發(fā)展完善。

1.4 其他探測(cè)方法

在堤壩隱患探測(cè)中，還有示蹤法、溫度場(chǎng)法、流場(chǎng)法等方法，示蹤法是利用放射性同位素作為標(biāo)記物，根據(jù)其在地下水中的遷移變化來(lái)研究地下水滲漏的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在某些情況下，其探測(cè)深度和分辨率相比于電磁法和地震要大，是一種理想的探測(cè)方法;溫度場(chǎng)法可視為一種天然的示蹤方法，是通過(guò)測(cè)量水面溫度差、地層溫度差等確定滲漏通道，是示蹤法的一個(gè)發(fā)展和延伸;流場(chǎng)法是根據(jù)無(wú)滲流時(shí)的正常場(chǎng)和有滲漏時(shí)產(chǎn)生的異常場(chǎng)之間的差異，利用水流場(chǎng)和電流場(chǎng)之間數(shù)學(xué)物理上的相似性，研究“偽隨機(jī)”電流場(chǎng)和滲流場(chǎng)之間的聯(lián)系，建立電流場(chǎng)和異常水流場(chǎng)之間的分布規(guī)律，確定滲漏水流場(chǎng)［12］。

2 水庫(kù)壩基探查實(shí)踐

2.1 工程區(qū)地質(zhì)概況

安徽某擬建水庫(kù)規(guī)劃為防洪和城區(qū)的供水水源工程，水庫(kù)集水面積30.5 km2，總庫(kù)容2 628 萬(wàn)m3，為一中型水庫(kù)。其最大壩高約30 m，壩頂長(zhǎng)度約200 m。水庫(kù)工程區(qū)以低山為主，山間發(fā)育峽谷，山地組成的巖性差異較大。區(qū)內(nèi)植被茂盛，兩岸岸坡較為陡峭，岸坡巖基局部裸露，覆蓋層厚度不大。工程區(qū)以深厚沉積巖為主，地層較為復(fù)雜，主要有志留系下統(tǒng)安吉組、大白地組，上中統(tǒng)太平群及燕山晚期第二次侵入巖。壩址區(qū)主要巖性以細(xì)粒巖屑石英砂巖為主，局部與泥質(zhì)粉砂巖互層;庫(kù)區(qū)主要以燕山晚期侵入之二長(zhǎng)花崗巖及花崗閃長(zhǎng)斑巖。河床以粉細(xì)砂、含粘性土細(xì)砂、粉質(zhì)粘土及砂卵石為主。為了解壩址區(qū)覆蓋層厚度和巖體風(fēng)化分帶，采用綜合方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，控制全區(qū)巖土介質(zhì)分布特征。

2.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形地質(zhì)條件、地面作物等情況，現(xiàn)場(chǎng)利用并行直流電法和折射波法探查壩址區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度;利用并行電法探查壩址區(qū)內(nèi)基巖風(fēng)化程度并劃分風(fēng)化帶。根據(jù)已收集地質(zhì)資料，工程區(qū)以低山為主，山間發(fā)育峽谷，山地組成的巖性差異較大，為了提高探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)分不同測(cè)線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

其中折射法探測(cè)選用KDZ1114－3 型地震探測(cè)儀以及高頻檢波器12 只;電法探測(cè)使用WBD型并行電法系統(tǒng)2 臺(tái)以及配套銅電極。根據(jù)實(shí)際地形地質(zhì)條件，探查完成并行電法測(cè)線10 條，編號(hào)依次為ML1～ML10，其中東西橫測(cè)線7 條，南北縱測(cè)線3 條;地震測(cè)線2 條，編號(hào)為SL1 和SL2。施工測(cè)線總長(zhǎng)度達(dá)900 m，測(cè)試點(diǎn)間距1.0～2.5 m，總勘察數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)達(dá)581 個(gè)。

3 結(jié)果分析

對(duì)淺層折射波法數(shù)據(jù)處理，主要結(jié)合相遇實(shí)測(cè)折射波記錄，對(duì)所采集到的信號(hào)進(jìn)行初至拾取，繪制出時(shí)距曲線圖后，根據(jù)哈爾斯法作圖原理，描繪出地下界面的形態(tài)圖。處理時(shí)采用自編的KDZ 震波處理軟件來(lái)完成，其自動(dòng)繪制時(shí)距曲線圖，可直接對(duì)基巖界面深度進(jìn)行讀取。

電法數(shù)據(jù)處理時(shí)主要采用溫納三極數(shù)據(jù)體，進(jìn)行二維電阻率反演，獲得測(cè)線剖面。根據(jù)已收集地質(zhì)資料，利用探測(cè)區(qū)域內(nèi)部分鉆孔資料進(jìn)行電阻率值標(biāo)定，以及電阻率剖面對(duì)比與解釋。其中電阻率值均勻，變化緩慢部分，反映地下介質(zhì)較均勻或?qū)用孢B續(xù);其阻值越大則巖性完整程度相對(duì)較好。若在高阻或是變化均勻電阻率介質(zhì)層中出現(xiàn)相對(duì)低阻異常區(qū)，表明局部巖層破碎或含水。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)河床測(cè)試剖面整體分析，認(rèn)為松散層電阻率值與下伏基巖段存在明顯差異，其中松散層電阻率值小于200 Ω·m，而基巖段巖層在200 Ω·m 以上，且弱風(fēng)化與微風(fēng)化巖層之間電阻率也存在區(qū)別，兩者電阻率分界值基本上為400 Ω·m 左右。河床兩岸山坡上測(cè)線巖層電阻率值與河床基巖段存在差別，其覆蓋層較薄，整體電阻率值較大，基本在350 Ω·m以上，局部存在相對(duì)低電阻率區(qū)。由于測(cè)線內(nèi)容較多，這里選擇其中兩條進(jìn)行說(shuō)明與分析。

3.1 測(cè)線3 解釋

位于壩址區(qū)下壩線面板壩河床趾板位置，測(cè)線起點(diǎn)1 號(hào)至終點(diǎn)64 號(hào)電極長(zhǎng)度64.5 m，探測(cè)結(jié)果如圖2所示。圖中巖層電阻率特征分布明顯，易于判定覆蓋層厚度為0～3.5 m，而弱風(fēng)化帶界限在5～16 m 左右。

圖2 測(cè)線3 電法探測(cè)剖面圖

測(cè)線3 相遇折射波記錄及其解析剖面如圖3所示，該剖面對(duì)應(yīng)位置近于測(cè)線3 中的0～40 m 段。覆蓋層縱波波速為720～740 m/s，基巖弱風(fēng)化層縱波波速為2 500 m/s 左右?？梢钥闯?，覆蓋層厚度為2.0～3.0 m 左右，與電法探測(cè)結(jié)果近于一致。

圖3 測(cè)線3 折射波勘探結(jié)果

3.2 測(cè)線10 解釋

位于壩址區(qū)上壩線左岸岸坡，測(cè)線1 號(hào)至終點(diǎn)22 號(hào)電極長(zhǎng)度52.5 m，探測(cè)結(jié)果如圖4所示。左右岸山坡上測(cè)線巖層的整體視電阻率值較高。受現(xiàn)場(chǎng)地理?xiàng)l件所限，電極間距選擇為2.5m，且山坡覆蓋層較薄，因此未能對(duì)其厚度值進(jìn)行解釋。但剖面中視電阻率值分帶特征明顯，局部為低電阻率區(qū)，分析可能為不同巖性的分界面或局部含水。根據(jù)圖4 可知，對(duì)于電阻率值小于500 Ω·m 的區(qū)域多為巖層弱風(fēng)化影響結(jié)果，其界限在5～11 m 左右。

圖4 測(cè)線10 電法探測(cè)剖面圖

4 結(jié)論

1)在水庫(kù)壩基勘察中利用震電兩種方法綜合，可以相互驗(yàn)證與分析，提高對(duì)基巖界面深度及異常判斷的準(zhǔn)確率和效果。

2)探查獲得了壩址淺層巖土介質(zhì)的地質(zhì)參數(shù)，其中河床部位覆蓋層厚度在0～5.5 m，厚度相對(duì)均勻，局部較深應(yīng)為古河床位置跡象。左右岸山坡覆蓋層厚度較薄，基本上在0.5 m 左右。其中覆蓋層松散介質(zhì)視電阻率值在200 Ω·m 以下，而縱波波速為600～750 m/s。

3)探查揭示了基巖段弱風(fēng)化層電阻率值具有明顯特征，結(jié)合鉆探控制判定視電阻率值在200～600 Ω·m 區(qū)間的巖體為弱風(fēng)化特征，且其縱波波速為2 500～2 900 m/s。其中河床部位巖層弱風(fēng)化深度在5.0～16.0 m，而左右岸山坡基巖段風(fēng)化特征具不均一性，局部在4.0～17.0 m 左右。

4)今后對(duì)于水庫(kù)壩基探查中精細(xì)解釋還需結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件特點(diǎn)，研究其地震屬性和電性參數(shù)差異，選取合理的判斷標(biāo)準(zhǔn)，提高對(duì)控制位置及深度等值的判斷準(zhǔn)確率。

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