地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的運(yùn)用研究

趙 強(qiáng)

（華北地質(zhì)勘查局五一九大隊(duì) 河北 保定 071051）

1 引言

巖土工程的主要工作是采用鉆探和原位貫入的方法，取得地層的樣本，然后進(jìn)行工程力學(xué)的分類。采用地層性質(zhì)分配試驗(yàn)的方法，例如圓錐貫入和標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)，對(duì)鉆探和貫入實(shí)驗(yàn)的空間分辨率加以提高，得到了空間和量的測(cè)量范圍。由于取樣的范圍較廣，而且量測(cè)的空間較大，因此在地球物理的原位的測(cè)試上，往往采用傳統(tǒng)的鉆探和原位測(cè)量物理勘探的技術(shù)加以互補(bǔ)，對(duì)于鉆探前的場(chǎng)址進(jìn)行調(diào)研，得到了原位鉆探和傳統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)的調(diào)查的結(jié)果。對(duì)于鉆探和原位測(cè)試點(diǎn)的調(diào)查，已經(jīng)延伸到了三維立體的信息階段[1]。

2 地球物理勘查技術(shù)概述

地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的應(yīng)用采用的方法包括：自然電場(chǎng)法、激發(fā)極化法、高密度電法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法和地球物理測(cè)井法。每種方法都是較為有效的物探法，能夠很好地達(dá)到水文地質(zhì)的勘探精度要求。早期的巖土工程的地球物理勘查，利用跨孔震測(cè)、折射和下孔震測(cè)的方法，采用了雙道面波頻譜分析對(duì)于波速剖面進(jìn)行了彈性的測(cè)量，土壤的動(dòng)態(tài)承載變形得到了性質(zhì)和模數(shù)的計(jì)算結(jié)果，采用不擾動(dòng)的方式探測(cè)出了剖面深度的一維速度，對(duì)于邊坡的厚度勘察的分布情況加以分析，一般是采用了三到四層不同的速度進(jìn)行了勘察。土壤和地下水的污染以及地下水的資源等，被偵測(cè)到了巖土的彈性模量，使用直流電法以及電磁法等，獲得了巖土的彈性模數(shù)，除了對(duì)于孔隙率和飽和度的差異進(jìn)行了電阻率的獲得，也獲得了能夠直接獲得巖土的彈性模數(shù)的震測(cè)方法，由于物探的工程經(jīng)過判斷，是受到水質(zhì)和溫度等因素的影響因此在進(jìn)行下孔和跨孔方法的實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，工程師往往期盼要有很好的成效，但是在一般的工程應(yīng)用中往往不夠普遍[2]。

國(guó)內(nèi)常使用的地球物理勘查方法已經(jīng)擁有了許多新的應(yīng)用方向，特別是在走時(shí)速度層析成像等新技術(shù)的應(yīng)用上，利用電阻率層析成像的方法進(jìn)行壩體的安全檢測(cè)、工程師在計(jì)算機(jī)科技的幫助下進(jìn)行地層內(nèi)部的透視，土壤與地下水水文勘查采用多道瞬態(tài)面波等方法提供更詳細(xì)的圖像化結(jié)果，地基改良的質(zhì)量管控等技術(shù)快速進(jìn)展，主要包括地層土壤液化潛能評(píng)估等，顯現(xiàn)出地表資源與環(huán)境的重要性，在多成功案例中，顯示出對(duì)于淺地表地球物理勘查技術(shù)在地質(zhì)工程應(yīng)用的推廣極其重要的作用，使得探測(cè)數(shù)據(jù)的客觀性得到了進(jìn)一步的提升，工程師認(rèn)知上的差距得到了大幅度的降低，對(duì)地物性質(zhì)與工程性質(zhì)鏈接的不確定性問題、物探在工程中遇到的挑戰(zhàn)與瓶頸，數(shù)據(jù)反演非唯一性問題、勘探深度與分辨率的限制、探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化與客觀化的矛盾、實(shí)際條件違背反演基本假設(shè)等情況得到了進(jìn)一步的解決，并擁有了很多實(shí)務(wù)對(duì)策.在提升地球物理勘探在工程的應(yīng)用的合理性與普及性上取得了很大的進(jìn)展[3]。

3 地表地球物理技術(shù)應(yīng)用

3.1 采用走時(shí)層析成像法對(duì)某水利工程中水文情況進(jìn)行檢測(cè)。

該工程為一老舊混凝土拱形重力壩，為檢視整體內(nèi)部混凝土強(qiáng)度的狀態(tài)，沿壩軸方向之垂直剖面進(jìn)行彈性波層析成像勘探，得到了剖面測(cè)線剖面編號(hào)，共計(jì)規(guī)劃五處。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及需求，采用彈性波層析成像技術(shù)進(jìn)行了探測(cè)，剖面則為水平走向進(jìn)行檢測(cè)，混凝土壩體利用走時(shí)層析成像法檢測(cè)強(qiáng)度，橫切壩體分布且向下游方向下傾之剖面，H1與H2震源設(shè)置于下游壩面，鉆芯之成果均顯，表明壩體表面強(qiáng)度不足，接收器則水平設(shè)置于上游壩面。案例水庫(kù)為近期水庫(kù)安全評(píng)估沿壩軸方向水平施測(cè)；H1剖面斜切垂直剖面L1與L2，水下之淤積庫(kù)床上，而H2則斜切L3剖，下傾角度約為21.67°，震源設(shè)置于下游壩面，下傾角度約23.56°。

混凝土強(qiáng)度不足可采用橡膠錘作為人工敲擊式震源，最低速區(qū)仍可達(dá)質(zhì)量分類“可”之下界，勘探結(jié)果可合理說明水庫(kù)額安全等級(jí)，壩軸方向如果發(fā)橫波速降低，且呈現(xiàn)沿均勻帶狀分布，同時(shí)P波出現(xiàn)于下游壩面表層附近，則可以判斷壩體內(nèi)部弱化多僅限于1～2m范圍，如果依測(cè)線相對(duì)位置及傾斜角度，則壩體P波速度層析成像結(jié)果一般為3.0～4.2范圍之間，接收器為德國(guó)生產(chǎn)的28Hz速度型水中受波器，對(duì)P波速度與混凝土強(qiáng)度之經(jīng)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)反演分析，如果安全評(píng)估中所獲得之混凝土強(qiáng)度成果偏低，則勘探結(jié)果僅顯示在壩體下游面表面施作壩體下游表面的整體波速，對(duì)于受到長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化的影響的嚴(yán)重程度，以及因破裂劣化造成之明顯向內(nèi)部延伸出現(xiàn)的弱帶則無明顯顯示。

3.2 采用電阻率層析成像法對(duì)土石壩異常滲漏及土壤以及地下水污染情況進(jìn)行勘查。

該方法的驗(yàn)證通過某一水庫(kù)土石壩滲漏的案例進(jìn)行分析，案例水庫(kù)管理單位為解決異常滲水問題，加高前于左右壩座分別進(jìn)行隔幕灌漿，但滲漏問題仍無法獲得改善，經(jīng)過檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常滲漏出現(xiàn)的地方多位于壩的左右山脊，該位置地質(zhì)條件較為惡劣，針對(duì)壩面異常滲水之位置較接近左壩座的問題，采用再施作一道隔幕灌漿的方法，在左壩體加高蓄水超過原舊壩頂高程后，又在左壩座、壩頂和下游面通達(dá)道路三處布設(shè)實(shí)測(cè)布點(diǎn)，包括兩處異常低電阻區(qū)，兩處低電阻區(qū)上下鏈接的疑似滲漏路徑，從地電阻影像的結(jié)果，斷定兩處對(duì)應(yīng)的異常滲流路徑，其數(shù)值的高低正好對(duì)應(yīng)壩面主要滲漏位置，亦取決于地層材料的成分與粒徑分布，低電阻區(qū)域仍遠(yuǎn)高于地下水位，經(jīng)過低電阻位置信息與壩體水壓計(jì)觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比，對(duì)兩處低電阻區(qū)域進(jìn)行了肯定，確定鄰近同一斷面經(jīng)過整合，為異常滲流區(qū)域，工程人員推測(cè)為庫(kù)水經(jīng)左山脊?jié)B漏至下游殼層，疑似受到地下含水飽和度的影響，壩體庫(kù)容量加高，使得壩頂及下游壩面異常滲漏[4]。

3.3 采用音頻大地電磁測(cè)深（EH4）方法在河谷地區(qū)確定第四系含水介質(zhì)的巖性、厚度、埋藏深度及富水地段。

EH4是采用人工場(chǎng)和天然場(chǎng)結(jié)合的一種頻率測(cè)深方法，俗稱雙源頻率測(cè)深，其低頻部分采用天然場(chǎng)，高頻部分（500Hz以上）采用人工場(chǎng)，該方法勘探深度一般數(shù)十米～-1000米。本次工程采用EH4張量測(cè)量的工作方式。儀器首先以時(shí)間系列采集電磁脈沖。60ms一次，分14次。每60ms又分為三段，20ms-幀作一次付氏變換。左為20ms的時(shí)間域記錄，分Hy,Ex,Ey,Hx四道，右為其付氏變換結(jié)果，一半為振幅，一半為相位，共八道。左邊部分時(shí)間域數(shù)據(jù)存入X文件，每20ms、4096樣點(diǎn)，2進(jìn)制碼。右邊部分頻率域數(shù)據(jù)存入Y文件，ASCⅡ碼。根據(jù)電性特征整體剖面分析進(jìn)而推測(cè)出測(cè)區(qū)第四系巖性淺部以砂礫石為主，中深部以砂礫石、中粗砂、粉砂夾粘土亞粘土互層為主，基底巖性以第三系，侏羅系為主。

經(jīng)鉆探驗(yàn)證實(shí)際情況與推測(cè)結(jié)果相符。事實(shí)證明EH4方法在該地區(qū)抗干擾能力強(qiáng)、信噪比大，曲線完整圓滑，分層能力較強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量高，適宜于本測(cè)區(qū)水文地質(zhì)勘探。

4 結(jié)語(yǔ)

地球物理勘查方法能夠得到完善、準(zhǔn)確的勘查資料，并合理分析和判斷地下巖層水資源分布，為工程的規(guī)劃建設(shè)提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此應(yīng)該得到足夠的重視。

[1]王曉強(qiáng).地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的運(yùn)用[J].環(huán)球人文地理,2015,(14):62-62.

[2]胡冕.芻議地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的應(yīng)用[J].新材料新裝飾,2014,(11):67-67,69.

[3]常錚.地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的應(yīng)用研究[J].廣東科技,2014,(8):137-137,133.

[4]廖方興.沙爾湖煤礦區(qū)勘查技術(shù)融合研究[D].西安科技大學(xué),2015.