多種物探方法在依蘭航電樞紐工程勘察中的應(yīng)用

姜 軍，孫寶喜，康學(xué)新

(1.密山市河務(wù)管理處，黑龍江 密山 158300；2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

多種物探方法在依蘭航電樞紐工程勘察中的應(yīng)用

姜 軍1，孫寶喜2，康學(xué)新1

推廣應(yīng)用

(1.密山市河務(wù)管理處，黑龍江 密山 158300；2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

在松花江干流依蘭航電樞紐相關(guān)的工程地質(zhì)勘察中，采用了淺層折射地震勘探、瞬變電磁勘探及探地雷達(dá)勘探這3種物探方法，通過3種方法的現(xiàn)場使用及后繼相關(guān)資料的解釋處理可以看出：在實際勘察中，物探多種方法的綜合運(yùn)用效果是理想的，通過與相應(yīng)測線上的鉆孔資料對比，證明精度也是可靠的，且可以減少盲目布置的勘探工作量，降低勘探成本，甚至還可以解決某些常規(guī)地質(zhì)方法難以快速解決的問題。由此看出，綜合物探在水利工程勘察領(lǐng)域完全可以達(dá)到技術(shù)要求，在未來的工程勘察中應(yīng)大力推廣。

綜合勘探；淺層折射地震勘探；瞬變電磁勘探；探地雷達(dá)勘探；縱波波速；推測破碎帶

0 前 言

隨著人類社會的飛速發(fā)展，為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的不同需求，各種用途的工程項目越來越多，并正不斷向著大型化、復(fù)雜化發(fā)展。在工程項目動工之前，我們首先要先查明工程項目所在區(qū)域地下的地質(zhì)構(gòu)造情況，也就是要進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，這是至關(guān)重要的。地下結(jié)構(gòu)是看不見的，需要通過一定的技術(shù)手段才能探明，由此衍生出不同的工程地質(zhì)勘察方法，這其中有直接的純地質(zhì)類方法，如鉆探、坑探及井探等，還有一大類間接的勘察方法稱為物探。與純地質(zhì)類方法相比較，物探方法具有精度高、效率高、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而自誕生之初便在眾多的工程地質(zhì)勘察方法中被廣為采用。

物探，全稱地球物理勘探，它是通過觀察和研究各種地球物理場的變化來解決地質(zhì)問題的一種勘查方法。物探方法作為一種間接探測的勘察手段，種類還是很繁多的，但基于不同的物理參數(shù)，大致分為重(即重力勘探)、磁(即磁法勘探)、電(即電法勘探)、震(即地震勘探)四大類。隨著近年來物探理論的日趨成熟及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，這些年來，國內(nèi)、外也涌現(xiàn)出來了不少先進(jìn)的方法和儀器設(shè)備，大大地提高了人們對地下地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識能力。但正是由于不同的物探方法基于的物理參數(shù)不同，因此各種方法又各有其應(yīng)用條件和局限性。只有根據(jù)工作條件與要解決的實際問題而采用合適的物探手段，才能取得較好的勘探的效果，通常情況下，為了最大限度地提高物探方法的探測精度，一般應(yīng)采用兩種或兩種以上的綜合物探方法。

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。水利工程是關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)的命脈工程，稱之為千秋大業(yè)也不為過。因此在水利工程建設(shè)之前，查明工程區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造狀況至關(guān)重要。為了解決這類問題，除了常規(guī)的鉆探、坑探等手段以外，采用適當(dāng)?shù)奈锾椒椒▉硌a(bǔ)充勘察也是必不可少的。

文章即以淺層折射地震勘探、瞬變電磁勘探及探地雷達(dá)勘探這3種物探方法在松花江干流依蘭航電樞紐工程勘察中的應(yīng)用實例，來印證一下綜合物探在水利工程勘察中的勘探效果。

1 方 法

1.1 淺層折射地震勘探

本工區(qū)淺層折射地震勘探儀器使用SE2404M型工程地震儀，采樣間隔為0.2-0.5ms，記錄長度為204.8-512ms，野外采集的紀(jì)錄直接存儲在儀器中，在后期可直接通過U盤把原始紀(jì)錄拷出來在電腦上做進(jìn)一步處理。本次工作檢波點(diǎn)距5m，單根電纜長度55m，每個排列地震儀可以連接兩根電纜，24個檢波器。

1.2 瞬變電磁勘探

瞬變電磁法(TEM)最大的優(yōu)勢是不需要接地且探測深度范圍較大，該方法的探測深度與線圈的大小成正比，以方形線圈為例，采用此類線圈時，探測深度大致為線圈邊長的5倍，但同時，探測的越深，可分辨的異常體尺寸也相應(yīng)增大，因此根據(jù)工作需要，采用合適尺寸的線圈是至關(guān)重要的。

本次工作儀器使用WDC-2B型瞬變電磁系統(tǒng)。發(fā)射、接收線圈采用正方形，邊長為10m，面積正好為100m2，測量點(diǎn)距采用5m。

1.3 探地雷達(dá)勘探

探地雷達(dá)也稱為地質(zhì)雷達(dá)，該類儀器起源于美國，最早用于軍事方面，后期逐漸擴(kuò)展至民用方面。探地雷達(dá)匹配不同頻率的天線，可探測不同的深度。因為探地雷達(dá)的探測深度與天線頻率是成反比的，因此要探測較淺深度時，應(yīng)選用高頻天線，此時探測精度較高，可以發(fā)現(xiàn)較細(xì)小的異常，而要探測較大深度時，則應(yīng)選用低頻天線，此時探測精度較低，異常要達(dá)到一定尺寸才能被發(fā)現(xiàn)。所以只有選用合適頻率的天線，在實際勘探中探地雷達(dá)才能達(dá)到理想的探測效果。

本次工作方法采用連測方式。正式探測之前，通過方法實驗確定合適的儀器參數(shù)如下：時窗600ns，5點(diǎn)自動增益，低通160MHz濾波、高通10MHz濾波，每秒80個掃描。

2 3種方法的運(yùn)用

2.1 淺層折射地震勘探

淺層折射波法地震勘探解釋方法最常采用的是常規(guī)t0差數(shù)時距曲線法和截距時間法。依上述方法通過相關(guān)地計算，最終可獲得地下地震縱波速度及相應(yīng)層厚度。除了計算上述兩個參數(shù)外，通過地震時距曲線還可以確定低速帶，一般是指基巖相對同一層中出現(xiàn)縱波波速相對較低的部位。

2.2 瞬變電磁勘探

瞬變電磁法勘探依據(jù)工作現(xiàn)場的實際情況，一般低阻或高阻部位即可定為異常點(diǎn)。在水利工程勘察中，一般低阻條帶狀異常可定為低阻帶，同一條測線，若低阻帶與低速帶的位置相吻合，則可定為推測破碎帶，而這正是水利工程勘察中急于查明的關(guān)鍵要素。

2.3 探地雷達(dá)勘探

探地雷達(dá)勘探解釋方法采用探地雷達(dá)自帶的SIR3.1解釋軟件。探地雷達(dá)勘探的目的一般無外乎分層和查找異常點(diǎn)兩方面，在探地雷達(dá)的紀(jì)錄中，分層一般主要通過層狀(線性同相軸)的追蹤來實現(xiàn)，而異常點(diǎn)(如管線狀或洞穴狀等)一般表現(xiàn)為雙曲線同相軸的異常特征，通過雙曲線同相軸所在的位置和深度就可給異常點(diǎn)定位了。

3 工程實例分析

松花江是黑龍江右岸最大的支流。流域總面積54.6×104km2，地理坐標(biāo)為E119°52'-132°31',N41°42'-51°38'。

松花江流域?qū)儆跍貛Ъ昂疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫在4℃--4℃之間,年最高氣溫38.2℃,最低氣溫-48.2℃。多年平均降水量在400-900mm之間，水面蒸發(fā)量(E601)在800-850mm。松花江為季節(jié)性封凍河流，封凍期一般為140d左右，航期200-210d。開江日期一般為4月中旬，流冰6d左右；封江日期一般在11月下旬，冰凍期10d左右。冬季最大冰厚可達(dá)1.6m。

松花江干流依蘭航電樞紐工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)100a一遇，設(shè)計洪水泄流量11400 m3/s，相應(yīng)設(shè)計洪水位102.66m，相應(yīng)庫容為18.90×108m3，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)1000a一遇，校核洪水泄流量20562 m3/s。樞紐工程設(shè)計總工程量初步為175.62×104m3。其中混凝土方60.48×104m3，石方11.09×104m3，土方(填方)17.8×104m3。工程區(qū)交通較為方便。工程位置圖見圖1所示。

圖1 工程位置圖

本次勘察工作的設(shè)計階段為預(yù)可研階段，野外實際工作中共采用了淺層折射地震勘探、瞬變電磁勘探及探地雷達(dá)勘探3種物探方法。

本次野外實際工作共在上、下壩址2個部位進(jìn)行，工作具體布置如下：

谷林套播：晚稻(或再生稻)收獲前3天人工撒播油菜，收割后用滅茬機(jī)滅茬，機(jī)械開溝覆土蓋籽。油菜5葉期以上用苗后除草劑除草。初花期和盛花期用多菌靈或咪酰胺+磷酸二氫鉀+速效硼葉噴施。油菜8成黃熟用無人機(jī)噴撒“立收谷”干燥劑，3～5天后用聯(lián)合收割機(jī)收獲。

3.1 上壩址

3.1.1 壩址區(qū)

沿壩軸線布置淺層折射波法地震勘探測線長2704m(陸地1430m，水上1274m)。由于工作條件的限制，水上部分勘察方法變更為瞬變電磁。

3.1.2 船閘

沿船閘軸線布置淺層折射波法地震勘探1條測線長2041m(陸地350m，水中1691m)。由于工作條件的限制，水上部分勘察方法變更為探地雷達(dá)(一小部分為水中地震)。

3.2 下壩址

3.2.1 壩址區(qū)

3.2.2 船閘

沿船閘軸線布置淺層折射波法地震勘探1條測線長2143m(陸地1705m，水上438m)。由于工作條件的限制，水上部分勘察方法變更為探地雷達(dá)。

物探工作布置詳見圖2。

圖2 物探工作布置圖

下面以下壩址壩軸線上3種物探方法的應(yīng)用效果來說明綜合物探在本次工程地質(zhì)勘察中所發(fā)揮的作用,該線采用3種物探方法，分別進(jìn)行了淺層折射地震勘探、地震層析成像勘探及超高密度電阻率法勘探。

3.2.2.1 淺層折射地震勘探(C1-C3與C4-C5段)

1)第1層：C1-C3段，縱波波速V1=310m/s-560m/s，厚度0-5.5m，解釋巖性為低液限黏土。C4-C5段，縱波波速V1=350m/s-620m/s，厚度0m-10.1m，解釋巖性為低液限黏土。

2)第2層：縱波波速V2=710-1200m/s，厚度5.8-9.5m，解釋巖性為級配良好細(xì)礫。C1-C3與C4-C5段均有分布。

3)第3層：縱波波速V3=1700-2500m/s，厚度在3.7-12.8m，解釋巖性為炭質(zhì)頁巖和中砂巖互層。C1-C3與C4-C5段均有分布。

4)第4層：縱波波速V4=2800-3400m/s，解釋巖性為炭質(zhì)頁巖和中砂巖互層。C1-C3與C4-C5段均有分布。

通過地震勘探確定有2條低速帶，分別位于(距斷面左端點(diǎn))99m與620m附近，寬度約10m與5m，縱波波速分別為2000m/s與1500m/s。

3.2.2.2 瞬變電磁勘探(C2-C3與C3-C4段)

1)第1層： C2-C3段，瞬變電磁視電阻率ρSS1=30Ωm-50Ωm，厚度0-5.5m，解釋巖性為低液限黏土。C3-C4段缺失。

2)第2層：瞬變電磁視電阻率ρSS2=50Ωm-100Ωm，厚度3.0-9.5m，解釋巖性為級配良好細(xì)礫。C2-C3與C3-C4段均有分布。

3)第3層：瞬變電磁視電阻率ρSS3=100Ωm-140Ωm，厚度3.7-12.8m，解釋巖性為炭質(zhì)頁巖和中砂巖互層。C2-C3與C3-C4段均有分布。

4)第4層：C2-C3段，瞬變電磁視電阻率ρSS4=140Ωm-400Ωm，解釋巖性為炭質(zhì)頁巖和中砂巖互層。C3-C4段，瞬變電磁視電阻率ρSS4=140Ωm-520Ωm，解釋巖性為炭質(zhì)頁巖和中砂巖互層。

通過瞬變電磁勘探確定有2條低阻帶，分別位于(距斷面左端點(diǎn))723-752m、1037-1077m附近，寬度分別約30m、40m，瞬變電磁視電阻率均為50Ωm-100Ωm。

詳見圖3與圖4。

圖3 C2-C3段(左岸)瞬變電磁視電阻率等值線圖

圖4 C3-C4段(江中)瞬變電磁視電阻率等值線圖

3.2.2.3 探地雷達(dá)勘探

通過對下壩址壩軸線江中探地雷達(dá)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以得到如圖3的探地雷達(dá)剖面。由于下壩址壩軸線江中以瞬變電磁為主，探地雷達(dá)僅作為對比參照。僅作大致分析：

1)第1層：電磁波波速Ve1=6.8×10-2m/ns-6.9×10-2m/ns，厚度3.0-4.7m，解釋巖性為級配良好細(xì)礫。

2)第2層：電磁波波速Ve2=1.2×10-1m/ns-1.3×10-1m/ns，厚度6.7-9.2m，解釋巖性為炭質(zhì)頁巖和中砂巖互層。

3)第3層：解釋巖性為炭質(zhì)頁巖和中砂巖互層。詳見圖5。

圖5 C3-C4段(江中)探地雷達(dá)色譜圖

4 結(jié) 語

通過上述工程實例可以看出，在工程地質(zhì)勘察的眾多方法中，物探方法是行之有效的。針對具體的問題，如果能夠結(jié)合實際情況，綜合運(yùn)用多種物探方法來同步進(jìn)行，則效果往往會更加理想。當(dāng)然，物探雖然有諸多的優(yōu)勢，但它畢竟是一種間接的勘察手段，物探?jīng)Q不能脫離其它學(xué)科獨(dú)立存在，決不應(yīng)把物探工作與其它方法完全割裂開來，它必須與地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)以及鉆探等密切配合，互相補(bǔ)充，互相驗證，只有這樣，才能獲得更好的地質(zhì)效果。隨著物探理論的日趨成熟及相關(guān)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來國內(nèi)、外新型的物探儀器設(shè)備層出不窮，未來物探勘察的應(yīng)用領(lǐng)域會越來越廣，精度也一定會越來越高。

[1]黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院.松花江干流依蘭航電樞紐工程物探報告[R].哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，2016.

[2]長春地質(zhì)學(xué)院水文物探編寫組.水文地質(zhì)工程地質(zhì)物探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1981：16-18.

[3]鄧一謙，雷宛.工程與環(huán)境物探[D].成都：成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，2003.

Application of Various Physical Exploration in Yilan Navigation and Hydropower Key Project

JIANG Jun1;Sun Baoxi2and Kang Xuexin1

(1.Mishan Urban River Affairs Management Department, Mishan 158300, China；2.Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation, Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Three kinds of physical exploration methods composed of shallow refracting seismic exploration, transient electromagnetic exploration and prospecting by ground-penetrating radar were adopted for relative geological exploration of Yilan navigation and hydropower key project located on the main Songhua River. Based on the three methods used and subsequent information, it can be seen that the comprehensive usage effect of various physical exploration methods is ideal, it proves that the accuracy is dependable through comparison for drilling hole information about corresponding survey lines, meanwhile, not only mutually reinforcing but also may reduce the blindness in the exploration work quantities and exploration cost, even may solve the problems difficulty to be solved with some conventional geological methods. It can be seen that simultaneous application of various physical exploration methods in the field of hydraulic engineering exploration can completely meet the demands of technology and should be popularized energetically for future project exploration.

comprehensive exploration; shallow refracting seismic exploration；transient electromagnetic exploration；prospecting by ground-penetrating radar；longitudinal wave velocity；broken zone

1007-7596(2017)06-0113-04

2017-05-23

姜軍(1965-)，男，工程師，黑龍江密山人，從事小型農(nóng)田水利工程建設(shè)管理工作；孫寶喜(1977-)，男，山東萊陽人，高級工程師，從事工程物探工作；康學(xué)新(1966-)，女，助理工程師，黑龍江密山人，從事小型農(nóng)田水利工程建設(shè)管理工作。

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