地面核磁共振技術(shù)及其水庫(kù)壩基滲漏探測(cè)

李莉莉，杜雨彤，聶棟剛，仇恒永

（1. 安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽·合肥 230000；2. 安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽·蚌埠 233000）

地面核磁共振技術(shù)及其水庫(kù)壩基滲漏探測(cè)

李莉莉1，杜雨彤1，聶棟剛2，仇恒永2

（1. 安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽·合肥 230000；2. 安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽·蚌埠 233000）

地面核磁共振是目前唯一直接找水的地球物理新方法。這種方法原理新穎，經(jīng)濟(jì)、快速，為水文地質(zhì)工作量化提供了新手段。本文簡(jiǎn)述該方法的原理、特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明地面核磁共振技術(shù)在堤壩監(jiān)測(cè)工程中的應(yīng)用效果。在安徽滁州明光甄港水庫(kù)大壩應(yīng)用地面核磁共振方法探測(cè)，確定含水量較大部位為大壩滲漏點(diǎn)，并結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查，查明滲漏原因，為水庫(kù)防滲治理提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

物探技術(shù)；地面核磁共振；水庫(kù)壩基；滲漏探測(cè)

地面核磁共振是目前唯一可用來(lái)直接找水的物探新方法。核磁共振是原子核的一種物理現(xiàn)象，指具有核子順磁性的物質(zhì)選擇性地吸收電磁能量。氫核是地層中具有核子順磁性物質(zhì)中豐度最高、磁旋比最大的核子。除油層、氣層外，水中的氫核是地層中氫核的主體。地面核磁共振找水方法就是通過(guò)測(cè)量地層水中的氫核來(lái)直接找水。有水（自由水）就會(huì)有信號(hào)反映，測(cè)量結(jié)果不受地質(zhì)因素的影響。前蘇聯(lián)的地球物理工作者對(duì)地面核磁共振方法進(jìn)行了潛心研究，研制了相應(yīng)的儀器，做了大量試驗(yàn)工作，取得了令世人矚目的成果。90年代以來(lái)，我國(guó)以潘玉玲教授為首的中國(guó)地質(zhì)大學(xué)科研組對(duì)地面核磁共振方法做了大量調(diào)查研究工作。國(guó)內(nèi)外研究和實(shí)踐表明，地面核磁共振方法可以解決以下問(wèn)題：第一，快速圈定找水遠(yuǎn)景區(qū)；第二，區(qū)分電阻率低阻區(qū)段異常性質(zhì)，即用地面核磁共振方法區(qū)分儲(chǔ)水構(gòu)造內(nèi)是否有水，有自由水存在，就有核磁共振信號(hào)響應(yīng)；第三，在地面核磁共振方法確定的有水范圍內(nèi)，結(jié)合電阻率異常的特點(diǎn)確定井位；第四，區(qū)分水質(zhì)，利用電阻率值的大小來(lái)區(qū)分出咸水或淡水；第五，結(jié)合激發(fā)極化法異常特點(diǎn)，圈定烴類（含有氫核）污染水的污染范圍和程度；第六，評(píng)價(jià)堤壩和工程地質(zhì)中地下水的活動(dòng)情況、滑坡監(jiān)測(cè)、考古等?，F(xiàn)用實(shí)例說(shuō)明地面核磁共振方法在評(píng)價(jià)堤壩和工程地質(zhì)中地下水活動(dòng)情況的效果，本次工作選取安徽省滁州市的明光市甄港水庫(kù)作為試驗(yàn)點(diǎn)。

1 工區(qū)地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

甄港水庫(kù)地處明光市東南自來(lái)橋鎮(zhèn)南約2km甄港村境內(nèi)長(zhǎng)山腳下，屬長(zhǎng)江流域滁河水系，江淮分水嶺南側(cè)，隸屬于自來(lái)橋鎮(zhèn)政府。該庫(kù)來(lái)水區(qū)域?yàn)闇\山地形，是一座以灌溉為主兼作防洪和水產(chǎn)養(yǎng)殖的小型水庫(kù)。

由于大壩存在滲漏嚴(yán)重、壩坡不穩(wěn)定，涵洞斷裂漏水、設(shè)備老化，溢洪道無(wú)法滿足泄洪要求等問(wèn)題，確定甄港水庫(kù)大壩為三類壩，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

1.2 地球物理特征

視電阻率為高阻的ρ≥45Ω·m，為壩肩處山體；中間相對(duì)低阻區(qū)為墻體，有電性特性變化明顯，且防滲墻體與壩肩山體界線明顯，并隨山勢(shì)變化而變化，應(yīng)該為壩肩山體風(fēng)化層。

2 工作方法

在水庫(kù)壩體上布設(shè)一條核磁共振觀測(cè)剖面，剖面上敷設(shè)3個(gè)測(cè)深點(diǎn)，并盡量避開(kāi)高壓電和民用電。目的是探明勘探范圍內(nèi)是否賦存地下水，若有地下水存在則了解含水層的深度及含水量的大小，了解含水層孔隙度大小，進(jìn)而確定堤壩滲漏的位置。測(cè)量的參數(shù)和結(jié)果如下：地磁場(chǎng)強(qiáng)度為50258.22nT，使用“8”字形線圈，發(fā)射頻率為2141.35Hz，平均信噪比為1.18，接收頻率在2128.83～2149.67Hz。

由于工區(qū)缺少必要的物探資料，在開(kāi)展核磁共振找水工作的同時(shí)，還配合采用了高密度電阻率法，其目的是調(diào)查斷裂的分布和了解巖層電性的垂向變化，建立起電性層分布及變化的概念。采用高密度電阻率法，在核磁共振試驗(yàn)點(diǎn)布置“十”字或平行兩條測(cè)線，高密度電法溫納裝置各一個(gè)排列，120道電極，極距3m，最大隔離系數(shù)15。具體平面布置見(jiàn)圖1。

3 資料綜合解釋

地面核磁共振方法用來(lái)查明研究地段（堤壩、壩基）有或無(wú)地下水的活動(dòng)情況。地面核磁共振方法的原理已指出，在有地下水活動(dòng)的地段，就有核磁共振信號(hào)響應(yīng)，利用系統(tǒng)配備的軟件對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理和解釋，就可給出各含水層的深度、厚度。在沒(méi)有地下水活動(dòng)的地段，地面核磁共振方法則無(wú)響應(yīng)，說(shuō)明被研究地段是完好的。

圖1 甄港水庫(kù)物探平面布置Fig.1 The geophysical exploration layout in Zhengang reservoir

3.1 地面核磁共振方法解釋

由H1點(diǎn)含水量直方圖（圖2(a)）可知：在-2m以上T2≥600ms，含水量約為15%，這是水庫(kù)地表水體導(dǎo)致。-2～-3m含水量較大，為30.0%，T2在250～300ms之間，現(xiàn)狀調(diào)查為放水涵所致。深度-6m～-9m范圍內(nèi)含水量較高（最大為28.4%），T2＜100ms，導(dǎo)水性差，可能是漏水處，-14.2～-31.0m范圍內(nèi)含水量平均為12.3%，T2＜100ms，導(dǎo)水性差，推測(cè)為風(fēng)化的砂巖。-31.0m以下平均含水量為5.5%，T2＞600ms，推測(cè)為發(fā)育有少量裂隙的中風(fēng)化花崗巖。-3.5～-5.0m和-9.0～-11.0m含水量、T2均為0，推測(cè)為隔水層。

由H2點(diǎn)含水量直方圖（圖2(b)）可知：在-2m附近區(qū)域含水量平均等于10.0%，T2為250～300ms，判斷為受地表水體影響。深度-6.0～-12.4m范圍內(nèi)含水量最大為10%、T2≤100ms，滲透性差，推斷為侵入蝕變帶，-24.30～-30.0m含水量較低，平均含水量為3.4%，T2=300ms，滲透性好。-30～-49m含水量較高，平均為11.5%，T2=200ms，滲透性稍差，推測(cè)可能是巖石中的小裂隙導(dǎo)致的。-3～-6m和14.5～24.5m平均含水量為0，為隔水層。-16.5～-23.5m范圍內(nèi)有輕微滲漏現(xiàn)象。

由H3點(diǎn)含水量直方圖（圖2(c)）可知：在0～-2m范圍內(nèi)平均含水量為9.0%，T2≤150ms，受水庫(kù)水面影響含水量偏大。-3.0～-13.5m平均含水量為0，T2很小，說(shuō)明此處為相對(duì)隔水層。-13.5～-24.0m平均含水量12.0%，T2≤150ms，滲透性較差，-13.5～-49.0m平均含水量15%，T2范圍為150～350ms，滲透性好于上一層，推測(cè)為花崗巖侵入蝕變帶有裂隙延伸至遠(yuǎn)處，現(xiàn)狀調(diào)查時(shí)大壩遠(yuǎn)處土壤有濕潤(rùn)現(xiàn)象。

3.2 高密度電法反演與結(jié)果對(duì)比

圖2 水庫(kù)壩體含水量地面核磁共振探測(cè)結(jié)果Fig.2 Water content of reservoir dam body by surface nuclear magnetic resonance

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)、物性資料和本次高密度電法反演結(jié)果（圖3），分析其剖面電性特征，總體上在主壩區(qū)從上向下、從中間往兩側(cè)電阻率呈現(xiàn)由低到高的趨勢(shì)，視電阻率ρs≥100Ω·m為壩肩處山體，南側(cè)巖性為砂巖，北側(cè)為花崗巖；淺部電阻率較低區(qū)為壩堤注漿防滲墻體，電性特性變化明顯，且防滲墻體與壩肩山體界線明顯，并隨山勢(shì)變化而變化；其中約在樁號(hào)70m附近，視電阻率較高，為80Ω·m，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)為放水涵；在樁號(hào)70～170m之間向下有一低阻體和高阻體的過(guò)渡地帶，電阻值密集分布，兩側(cè)電阻值差異明顯，推測(cè)為蝕變帶（80～200Ω·m）；北側(cè)電阻率較南側(cè)高，最高達(dá)800Ω·m。

高密度電阻率法的解譯成果與地面核磁共振勘查的反演結(jié)果（圖4）相吻合，在核磁共振1號(hào)測(cè)深點(diǎn)的6～8m深度內(nèi)有一個(gè)低阻區(qū)，判斷為漏水區(qū)。

核磁共振反演解釋結(jié)果得出，埋深30m以淺，含水量大于10%的區(qū)域有4處。L1、L4現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)為放水涵；L2是滲漏點(diǎn)，高密度電法反演曲線反映電阻率很低，推測(cè)為大壩放水涵下部斷裂所致，埋深5～7m；L3為滲漏帶，埋深主要在12～25m，長(zhǎng)度約為180m。含水量10%等值線對(duì)應(yīng)在高密度反演地質(zhì)剖面中位置可知，L2滲漏點(diǎn)為土壩與砂巖風(fēng)化接觸面上，L3基本對(duì)應(yīng)花崗巖侵入接觸帶和巖石風(fēng)化帶上。

圖3 高密度電阻率法解譯成果Fig.3 The interpretation results of high density resistivity method

圖4 地面核磁共振法解譯成果Fig.4 The interpretation results of surface nuclear magnetic resonance

4 結(jié)論

本文實(shí)例結(jié)果表明，地面核磁共振方法可用于評(píng)價(jià)與水環(huán)境有關(guān)的堤壩地基選址、堤壩的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)工作，為探查50～150m深處地下水、使水文地質(zhì)和工程地質(zhì)工作量化提供了嶄新的技術(shù)手段，并具有明顯效果。其應(yīng)作為水文地質(zhì)調(diào)查的首選方法加以推廣使用，為解決淺層地下水和研究水環(huán)境變化引起的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)問(wèn)題（滑坡監(jiān)測(cè)、堤壩隱患、考古等）提供了新方法。

地面核磁共振和傳統(tǒng)找水方法結(jié)合，是提高地面核磁共振方法資料解釋水平和地質(zhì)效果的關(guān)鍵。對(duì)地面核磁共振方法采集的數(shù)據(jù)與其它物探方法資料進(jìn)行聯(lián)合反演，綜合分析各種找水方法提供的信息，是將地面核磁共振方法提供的信息可靠轉(zhuǎn)化為水文地質(zhì)信息的技術(shù)保證。

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Surface nuclear magnetic resonance and its application in exploration for leakage in reservoir dam foundations

LI Li-Li1, DU Yu-Tong1, NIE Dong-Gang2, QIU Heng-Yong2
(1. Anhui institute of Geo-Environment monitoring, Anhui Hefei 230001, China; 2. The First Institute of Hydrology and Engineering Geological Prospecing of Anhui Geological Prospecting Bureau, Anhui Bengbu 233000, China)

Detecting underground water with surface nuclear magnetic resonance is a new geophysical method. The method is direct, quick and economical, and provides a new means for quantitative hydrogeological investigations. In this paper, the principle and features of the method are briefy discussed, and examples of its application in detecting shallow groundwater and dam monitoring with a light hydroscope are given. Exploration of the Zhengang reservoir dam, near the cities of Chuzhou and Mingguang in Anhui province, shows the application of the surface nuclear magnetic resonance method. Determination of the moisture content for large areas of dam leakage, in combination with the hydrological and geological survey, can help identify the cause of the leakage, and provide basic geological data for the next steps in reservoir management.

geophysical technology; surface nuclear magnetic resonance; reservoir dam foundation; leakage exploration

P631

A

2095-1329(2016)04-0092-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.04.024

2016-03-25

2016-08-16

李莉莉(1984-),女,碩士,工程師,主要從事水工環(huán)與地?zé)岬刭|(zhì)研究.

電子郵箱: 274084153@qq.com

聯(lián)系電話: 0551-64639328