高密度電阻率法在庫區(qū)滲漏探測中的應(yīng)用

□孫　剛　□侯劍凱（河南省水利勘測有限公司）

高密度電阻率法在庫區(qū)滲漏探測中的應(yīng)用

□孫剛□侯劍凱（河南省水利勘測有限公司）

水庫是中國防洪廣泛采用的工程措施之一，庫區(qū)滲漏條件是建庫主要的工程地質(zhì)問題，直接影響水庫效益的發(fā)揮。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)揮了越來越重要作用。在豫中某小型水庫滲漏勘察中，成功應(yīng)用了高密度電阻率法進行庫區(qū)滲漏的勘探，較好的探測到影響庫區(qū)滲漏的斷層破碎帶的分布情況。該方法成本低、效率高、適用性強，探測結(jié)果明晰，有很好的應(yīng)用前景。

高密度電阻率法；水庫滲漏；斷層破碎帶

0　引言

電阻率法是以地殼中巖（礦）石的導(dǎo)電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測與研究人工建立的地中穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律，以解決地質(zhì)問題的一組電法勘探方法［1］。電阻率剖面法用來了解地下某一固定深度的水平方向的電性差異；電阻率測深法通過控制勘探深度，了解某一測點地下介質(zhì)垂向的電阻率的變化。高密度電阻率法是結(jié)合電阻率剖面法和電阻率測深法的一種陣列式電阻率勘探方法。

修建水庫是為了解決徑流在時間上和空間上的重新分配問題，是我國防洪廣泛采用的工程措施之一。而庫區(qū)滲漏等庫區(qū)工程地質(zhì)問題會制約水庫效益的發(fā)揮。高密度電阻率法能有效劃分不同巖性的陡立接觸帶，追蹤構(gòu)造破碎帶，并可發(fā)現(xiàn)淺部的局部不均勻體。破碎帶是造成庫區(qū)滲漏的影響因素之一，電阻率法在類似工程中應(yīng)用研究有相關(guān)成功報道。本次在豫中地區(qū)某小型水庫庫區(qū)滲漏和庫岸穩(wěn)定問題的勘察中，應(yīng)用高密度電阻率法，查找影響庫區(qū)滲漏的破碎帶的分布，快速而有效。

1　基礎(chǔ)地質(zhì)條件

1.1地形地貌

該水庫庫區(qū)位于淺山丘陵區(qū)，控制流域面積13.50 km2，河道長度約6 km，平均坡降1/50。壩址上游控制面積以內(nèi)主要為海拔350～450 m的淺山和海拔250～350 m的土丘，壩址下游主要為黃土狀丘陵區(qū)。地形北高南低，淺山坡度一般在10～30°，土丘坡度一般在10～20°，多由梯田組成，丘陵區(qū)坡度一般在5～10°，由多級梯田組成。水庫由原狹溝攔壩而成，溝寬300 m左右；水庫右側(cè)設(shè)溢洪道，底部高程294.70 m，兩岸岸坡較陡，多為高度＞5 m的陡坎。

1.2地層巖性

庫區(qū)上游淺山山坡上部大部分基巖裸露，巖性主要為青灰色灰?guī)r，下部為紫色頁巖，局部灰綠色頁巖，地表覆蓋層主要為低液限粘土，庫盆內(nèi)有新近淤積土。

1.3地球物理特征適應(yīng)性

根據(jù)野外物探測試結(jié)果，經(jīng)過資料的整理分析、統(tǒng)計可知，地表覆蓋層電阻率相較下伏基巖表現(xiàn)為低阻，密實基巖中灰?guī)r電阻率明顯大于頁巖。密實基巖中的破碎帶由于泥質(zhì)等其他雜質(zhì)充填，相比周圍完整基巖為低阻反應(yīng)。利用電性差異，可應(yīng)用高密度電阻率法探明破碎帶，為查明水庫庫區(qū)滲漏提供了可靠依據(jù)。

2　物探方法與技術(shù)

2.1高密度電阻率法探測原理

高密度電阻率法實質(zhì)是直流電阻率法。是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，如庫區(qū)地下完整、密實基巖與其中的破碎帶有電性差異，通過觀測與研究人工建立的地中穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律，來解決地質(zhì)問題。高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，野外測量時只需將全部電極（幾十至上百個）置于測點上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、自動采集。數(shù)據(jù)處理上通過二維反演，由實測的視電阻率值反演得到真電阻率值的分布圖像。通過真電阻率值的分布差異，用來識別巖性分界面、破碎帶等。

2.2野外測線布置

高密度電法探測的測線布置是由地質(zhì)任務(wù)確定的。本次勘測沿地質(zhì)驗證剖面，順?biāo)鞣较虿贾?，共有三條。

2.3高密度電阻率法裝置選擇

電極的排列方式有：溫納四極排列、聯(lián)合三極排列、偶極排列和微分排列等。電極的排列可單獨使用，也可聯(lián)合使用［1］［2］。本次探測應(yīng)用了溫納裝置和MN-B聯(lián)合三極裝置。溫納裝置、MN-B裝置測量及滾動線示意圖見圖1。

圖1　溫納裝置、M N-B裝置測量及滾動線示意圖

2.4質(zhì)量控制及評價

為了使反演結(jié)果得到的真實電阻率值盡可能反映出不同導(dǎo)電性巖石（或礦體）的分布狀況，剔除干擾異常，突顯有效異常，必須對探測過程進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

測線敷設(shè)時，原則上沿地質(zhì)任務(wù)線，嚴(yán)格控制點距。為了盡可能消除地形影響引起的虛假異常，要避開地形高程陡變區(qū)域，避免測線走向短距離、大角度的變化。

實測時，首先把60根電極一次性布置完畢，進行接地電阻檢查、儀器電池電壓及供電電源檢查，剖面參數(shù)設(shè)置、啟動測量。探測數(shù)據(jù)自動記錄存儲，現(xiàn)場嚴(yán)格按操作規(guī)程進行人工監(jiān)視，確保探測質(zhì)量。對于異常點采用重復(fù)觀測，以保證探測精度。

3　資料處理與結(jié)果解釋

3.1高密度電法資料的處理

高密度電阻率法采集到的實測數(shù)據(jù)，傳輸至計算機上，經(jīng)數(shù)據(jù)回放、剔除明顯異常點、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯，采用RES2DINV高密度電阻率數(shù)據(jù)二維反演軟件，利用最小二乘法對實測視電阻率數(shù)據(jù)進行了二維反演。反演過程中壓制系數(shù)隨深度的增加而增加，均方根誤差值達(dá)到要求精度后，終止迭代，獲得反演模型電阻率斷面圖。反演模型電阻率斷面圖能直觀地反映出地下介質(zhì)的電性分布和構(gòu)造特征，提高了分析解釋效果和精度。

3.2高密度電法資料的解釋

高密度電法資料的解釋是根據(jù)正演視電阻率擬斷圖和反演模型電阻率斷面圖，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及地球物理特征，推斷地下不同電性巖石（或礦體）的分布狀況。剔除虛假異常，分析確定有效異常，確定異?？臻g位置，解決地質(zhì)問題。

測區(qū)共完成高密度電法排列9個。右支溝剖面4個排列，點距5 m，剖面總長1165 m；左支溝剖面4個排列，點距5 m，水平剖面長1165 m；壩址區(qū)剖面1個排列，點距3 m，水平剖面長177 m。根據(jù)電阻率圖像可將地層分為二元結(jié)構(gòu)，覆蓋層為藍(lán)色、綠色低阻反應(yīng)，基巖（灰?guī)r、頁巖）相對于覆蓋層，呈現(xiàn)高阻反應(yīng)；局部基巖破碎，呈現(xiàn)藍(lán)色或綠色的低阻帶或低阻封閉圈。以其中的1#排列為例解釋。

1#排列為右支溝剖面最南端的排列。排列總長295 m。測線近南北方向，自上游向下游敷設(shè)。末端至大壩迎水坡腳處。電極總數(shù)Psum=60根，電極間距△x=5 m。分別使用溫納裝置及MNB三極裝置進行探測。溫納裝置對地形的影響較小，垂向分辨率相對較高，對地質(zhì)體垂向分布的反映有比較高的靈敏度。但是，溫納裝置的數(shù)據(jù)越靠近測線的端點，數(shù)據(jù)量越少，勘探深度越來越淺，雖然取得了很大的數(shù)據(jù)量，但是缺乏可以對比的周邊數(shù)據(jù)，因此溫納裝置對于水平變化較大的地質(zhì)體反映相對較差。而且溫納裝置在深部的視電阻率曲線較為平緩，深部信息顯示較少。1#排列高密度電阻率法溫納裝置反演結(jié)果見圖2。MNB三極裝置受地形影響較大，尤其是高程的突變或測線方向大角度變化，極易發(fā)生畸變，產(chǎn)生虛假異常。但是，MNB三極裝置無論是垂向還是橫向分辨率都比較高，抗干擾能力相對較好，適合異常的識別和分辨。1#排列高密度電阻率法MNB三極裝置反演結(jié)果見圖3。

圖2　1#排列高密度電阻率法溫納裝置反演結(jié)果圖

圖3　1#排列高密度電阻率法M N B三極裝置反演結(jié)果圖

由于地表高程變化很小，測線布置近乎直線，地形對反演結(jié)果的影響可以忽略不計。因此反演結(jié)果都能較好地反映不同導(dǎo)電性巖石（或礦體）的分布狀況。結(jié)合正演視電阻率擬斷面及反演模型電阻率斷面，在地面以下電阻率圖像呈深藍(lán)色、藍(lán)色的低阻帶，電阻率范圍值為ρs=19～32 Ω·m，推斷覆蓋層巖性為淤積土。深度自南向北逐漸增大，深度約0～9.00 m。從溫納裝置反演結(jié)果可知，水平方向上，深度在0～9.00 m以下，電阻率圖像以黃色、紫紅色為主，電阻率范圍值為ρs=269～660 Ω·m，推斷巖性為灰?guī)r。從MNB三極裝置反演模型電阻率斷面圖可知，在樁號80～90 m，頂板埋深約7m；樁號170～175m，頂板埋深約9m。電阻率圖像呈藍(lán)色低阻封閉圈，電阻率范圍值為ρs=55～97 Ω·m，推斷為灰?guī)r破碎帶。

3.3高密度電阻率法成果比對

在進行高密度電阻率法探測的同時，在庫區(qū)進行了地質(zhì)鉆探。高密度電阻率法1#排列的樁號80 m附近的鉆孔，孔深6 m處見溶洞；高密度電阻率法1#排列的樁號180 m附近的鉆孔，孔深11 m處見溶洞；高密度電阻率法2#排列的樁號70 m附近的鉆孔，灰?guī)r未揭露，高密度電阻率法2#排列的樁號160 m附近的鉆孔，頁巖未揭露；故推斷巖性分界面位于高密度電阻率法2#排列的樁號70～160 m之間，鉆探結(jié)果顯示溶洞位置與高密度電阻率法探測到的異常位置接近，巖性分界面位置合理。表明高密度電阻率法對庫區(qū)滲漏破碎帶探測的準(zhǔn)確性較高。

4　結(jié)論

根據(jù)測區(qū)地形、地質(zhì)和地球物理條件，采用了高密度電阻率法，基本查明了該測區(qū)地面以下，深度40m以上范圍內(nèi)主要巖性組成及厚度、巖體破碎帶漏水點的分布及空間展布情況，效果明顯。

高密度電阻率法彌補了常規(guī)鉆探、坑探只反映壩體單點異常的局限性，在解決局部異常體的同時，可探測到整體巖性分布情況，起到了點線面結(jié)合的優(yōu)勢。

高密度電阻率法探測結(jié)果與地質(zhì)鉆探結(jié)果比對，證明高密度電阻率法對滲漏破碎帶的探測結(jié)果較準(zhǔn)確。但是某些鉆探揭露的溶洞由于規(guī)模較小，導(dǎo)致高密度電阻率法探測無法識別；若減小道間距，提高分辨率，探測深度又會受到影響。因此，建議在使用高密度法探測庫區(qū)地下溶洞破碎帶時，根據(jù)地質(zhì)任務(wù)需要，合理選擇裝置類別、道間距及隔離系數(shù)。必要情況下多次設(shè)置多次探測，以使探測結(jié)果更趨全面和可靠。

［1］程志平.電法勘探教程［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007：20-70.

［2］宋維琪.工程地球物理［M］.東營：中國石油大學(xué)出版社，2008.

［3］向陽，李玉冰，易利，等.排列方式及電極距對高密度電法異常響應(yīng)的影響分析［J］.工程地球物理學(xué)報，2011（08）.

（責(zé)任編輯：左英勇）

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