綜合物探方法在內(nèi)蒙古某水庫壩址區(qū)地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 概況

1.1 工程概況

內(nèi)蒙古某水庫工程是內(nèi)蒙古錫伯河上唯一的重要控制性工程。以防洪和城市供水為主。 該工程的比選壩址有兩個，即下壩址(推薦壩址)和上壩址(比較壩址)。下壩址位于五家村南1.0 km處，正常蓄水位約950.0 m。壩址以上河長33.3 km，水庫控制面積409 km2，占流域總面積的19.3%，回水長度約8.0 km，壩長約900 m，擬建壩高約45 m。上壩址位于正常蓄水位973.0 m，壩長約800 m，擬建壩高約40.0 m。

1.2 物探工作任務(wù)

本次物探工作的目的是，利用綜合物探方法對壩址區(qū)的斷層及破碎構(gòu)造帶、巖體的波速及完整性系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行測量，為地質(zhì)工作提供基礎(chǔ)資料。

1)在上下壩址上壩線區(qū)域布置高密度電法斷面，完成壩線地質(zhì)構(gòu)造勘察，結(jié)合地質(zhì)工作，查明壩址區(qū)河床段順河斷層及破碎帶的位置、規(guī)模、延伸情況；

2)完成壩址區(qū)地質(zhì)勘查孔內(nèi)波速測試，提供巖體的波速、完整性系數(shù)。

1.3 物探工作量

本次物探工作共完6個高密度電法剖面和12個孔內(nèi)波速測試，其中地震波速測試為全孔測試，聲波測試從水位線以下至孔底。其中K8、K9和SK3三個孔只進(jìn)行了聲波測孔。外業(yè)工作量見表1。

2 工作方法與技術(shù)

本次工作分地面物探工作和測井物探工作。地面物探應(yīng)用高密度電阻率法，測井物探為地震測井和超聲波聲速測井相結(jié)合的綜合測井方法。

2.1 地面物探

2.1.1 高密度電法方法原理

高密度電阻率法的最顯著的特點是測量點距密度大，由于點距密，獲取的地層地質(zhì)信息豐富詳細(xì)，其信息量是以往的常規(guī)電法所無法比擬的。所以能較詳細(xì)地了解地層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，使探測精度大大提高。

AMN∞與∞MNB視電阻率斷面對于在高阻圍巖中的薄板低阻帶(即斷層或破碎帶)具有明顯的反映，斷面特征顯著，異常易于識別，是探測斷層的有效方法。如果測線范圍內(nèi)有薄板低阻帶，以薄板低阻帶與測線的交點為中心，AMN∞斷面呈現(xiàn)由高阻向低阻過渡的趨勢，∞MNB斷面呈現(xiàn)由低阻向高阻過渡去趨勢。

表1 外業(yè)工作量統(tǒng)計表

2.1.2 高密度電法測線布置原則

每個測區(qū)布置一條主測線，控制整個測區(qū)，另外為探測斷層的走向，再布置若干條輔測線。測線方向應(yīng)垂直于被探測地質(zhì)體走向布設(shè)，如有河流、道路、村莊等，受場地條件限制時，應(yīng)做到測線方向與被探測地質(zhì)體的走向盡量大角度相交；測線位置選擇在有效的控制范圍大、地形相對平坦、接地條件好、遠(yuǎn)離居民區(qū)、干擾小的最有利的地段。

2.1.3 主要測線布設(shè)

本次工作在上壩址布置一條高密度電法斷面，由于壩軸線左端有民宅分布，并且與省道206相交，故無法完全沿壩線布置，根據(jù)高密度電法測線布置原則，適當(dāng)偏移，以避開民宅，穿過公路橋下。上壩址主測線未發(fā)現(xiàn)異常，故不需布置輔測線追蹤異常。下壩址上壩線高密度電法斷面分為三條主測線與兩條輔測線，由于省道206與壩軸線相交，故在省道206東西沿壩軸線各布置一條主測線，在兩條測線斷開部分適當(dāng)偏移至可穿越公路的公路橋下布置第三條主測線，用以連接勘察區(qū)域。下壩址上壩線主測線共發(fā)現(xiàn)兩個異常區(qū)域，所以布置兩條輔助測線用以追蹤異常走向。

本次高密度電法工作最大供電電壓為360伏，MN間距等于5 m，測量點距5 m，主要最大供電極距AO、BO為107.5 m。

2.2 測井物探

地震波速測井采用檢層法，點距一般為3 m。地震儀觀測記錄時，采樣時間50 μs，全通濾波，放大器最大增益80 db，多次疊加。

斜距時間校正公式：

(1)

式中 t＇為垂距時間值；t為斜距時間值；h為檢波器放置深度(m)；H為電火花震源激發(fā)深度(m)；x為鉆孔與震源副孔距離(m)。

聲速測井采用點測法，孔內(nèi)一發(fā)雙收測井聲波探頭，測點距0.2～0.5 m。

2.3 主要儀器設(shè)備

1)WDJD—2多功能數(shù)字直流激電儀、WDZJ—1多路電極轉(zhuǎn)換器，重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所制造。該儀器是目前國內(nèi)較先進(jìn)的電法儀器，存儲量大、測量準(zhǔn)確。具有接地檢查功能，對接地不好的電極，可及時檢查并報警，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

2)“WZG—24工程地震儀” 重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所制造。其主要性能如下：24道接收通道；最大采樣點數(shù)可達(dá)16 384點；采樣率10 μs～20 ms；A/D轉(zhuǎn)換器為24位；信號迭加增強(qiáng)到32位；動態(tài)范圍140 dB；通頻帶0.1～4 000 Hz； 全頻狀態(tài)下噪音電壓為1 μV。

3)“WSD—1多道數(shù)字聲波儀”：重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所制造。發(fā)射電壓100～1 000 V，采樣間隔0.1～3 276.7 μs，采樣長度1～4 K，最大增益80 db，聲時測量精度±0.1 μs。

4)“FSS測井聲波探頭”：江蘇揚(yáng)州廣陵區(qū)萬象電子器件廠制造。

5) “CDJ—JG38型38赫井中高靈敏度三分量檢波器”：重慶地質(zhì)儀器廠制造。自然頻率38±5%(Hz)，靈敏度1±5%(V/cm·s-1)。

3 資料分析解釋

3.1 高密度電法資料解釋

3.1.1 上壩址

本次物探工作上壩址布置了一條高密度電法斷面，MN間距5 m，測量點距5 m，斷面大極距裝置最大供電極距AO、BO為107.5 m，由于采取大極距裝置會在斷面頭尾產(chǎn)生較大的盲區(qū)，為了縮小盲區(qū)范圍，故在斷面頭尾各補(bǔ)充一個小極距裝置，最大供電極距AO、BO為37.5 m。上壩址斷面大極距裝置等視電阻率斷面圖見圖1。

從等視電阻率斷面圖來看，斷面左部區(qū)域視電阻率明顯高于右部區(qū)域，由于整條斷面視電阻率差異過大，需要提取幾條某一深度的視電阻率，組成特定深度的視電阻率剖面，用以分析該深度的視電阻率趨勢。綜合分析上壩址等視電阻率斷面圖與視電阻率剖面圖，具有如下特征：AMN∞剖面與∞MNB剖面由右至左、由上至下視電阻率逐漸增大，同一深度視電阻率在記錄點360 m之前為AMN∞視電阻率大于∞MNB視電阻率的分離狀態(tài)，之后相交趨于合并，其后無分離趨勢，故可分析為此斷面無異常。

圖1 上壩址斷面大極距裝置等視電阻率斷面圖

3.1.2 下壩址

下壩址布置了三條主測線與兩條輔測線共5條斷面。

(1)下壩址Ⅰ斷面由于采取大極距裝置，會在斷面頭尾產(chǎn)生較大的盲區(qū)，為了縮小盲區(qū)范圍，故在部分?jǐn)嗝骖^部補(bǔ)充一個小極距裝置，MN間距5 m，測量點距5 m，最大供電極距AO、BO為37.5 m。下壩址Ⅰ斷面尾部坡洪積較厚，無法應(yīng)用小極距裝置。

下壩址Ⅰ斷面頭部小極距裝置等視電阻率斷面圖見圖2。

圖2 下壩址Ⅰ斷面頭部小極距裝置等視電阻率斷面圖

為了便于分析AMN∞剖面與∞MNB剖面變化規(guī)律及相互關(guān)系，提取一個深度的視電阻率剖面。 綜合分析下壩址Ⅰ斷面頭部小極距裝置等視電阻率斷面圖與視電阻率剖面圖，具有如下特征：AMN∞剖面與∞MNB剖面由左至右、由上至下視電阻率逐漸增大，同一深度視電阻率在記錄點50 m之前為AMN∞視電阻率大于∞MNB視電阻率的分離狀態(tài)，50～70 m之間相交，70 m之后為∞MNB視電阻率大于AMN∞視電阻率的分離狀態(tài)，故可分析該斷面在50 m處存在一低阻異常帶。為了確定該低阻異常帶是否為構(gòu)造破碎帶或斷層，需要布置一平行測線在異常帶的縱向空間進(jìn)行檢驗，故在下壩址Ⅰ斷面頭部上游方向約200 m處布置一條輔助測線，即下壩址Ⅴ斷面。斷面MN間距5 m，測量點距5 m，最大供電極距AO、BO為32.5 m。

下壩址Ⅴ斷面等視電阻率斷面圖見圖3。

圖3 下壩址Ⅴ斷面等視電阻率斷面圖

為了便于分析AMN∞剖面與∞MNB剖面變化規(guī)律及相互關(guān)系，提取一個深度的視電阻率剖面。 綜合分析下壩址Ⅴ斷面等視電阻率斷面圖與視電阻率剖面圖，具有如下特征：AMN∞剖面與∞MNB剖面由左至右視電阻率高低交替，由上至下視電阻率逐漸增大，同一深度視電阻率在記錄點80～130 m之間為AMN∞視電阻率大于∞MNB視電阻率的分離狀態(tài)，130 m處相交，130～160 m之間為∞MNB視電阻率大于AMN∞視電阻率的分離狀態(tài)，故可分析該斷面在130 m處存在一低阻異常帶，結(jié)合下壩址Ⅰ斷面頭部小極距裝置的分析結(jié)果，可確定該異常為小規(guī)模構(gòu)造破碎帶。

下壩址Ⅴ斷面與下壩址Ⅰ斷面頭部小極距裝置斷面平面位置綜合分析，可推斷出此破碎帶走向。下壩址Ⅰ斷面大極距裝置，由于省道206的限制，最長可布置800 m。斷面MN間距5 m，測量點距5 m，最大供電極距AO、BO為107.5 m。

下壩址Ⅰ斷面等視電阻率斷面圖見圖4。

圖4 下壩址Ⅰ斷面大極距裝置等視電阻率斷面圖

為了便于分析AMN∞剖面與∞MNB剖面變化規(guī)律及相互關(guān)系，提取兩個深度的視電阻率剖面，綜合分析下壩址Ⅰ斷面等大極距裝置視電阻率斷面圖與視電阻率剖面圖，具有如下特征：AMN∞剖面與∞MNB剖面由左至右視電阻率先增大后減小，由上至下視電阻率逐漸增大，同一深度視電阻率在記錄點350 m之后為AMN∞視電阻率大于∞MNB視電阻率的分離狀態(tài)，且有趨于相交的趨勢，但限于剖面長度的制約，無法判定800 m之后的趨勢，故有待后續(xù)斷面補(bǔ)充。

(2)下壩址Ⅱ斷面與下壩址Ⅰ斷面之間相隔省道206，其MN間距5 m，測量點距5 m，最大供電極距AO、BO為107.5 m。由于該區(qū)域坡洪積較厚，故無法應(yīng)用小極距裝置以縮小盲區(qū)。下壩址Ⅱ斷面等視電阻率斷面圖見圖5。

圖5 下壩址Ⅱ斷面等視電阻率斷面圖

提取兩個深度的視電阻率剖面，綜合分析下壩址Ⅱ斷面等視電阻率斷面圖與視電阻率剖面圖，具有如下特征：AMN∞剖面由左至右視電阻率逐漸減小，∞MNB剖面左至右視電阻率逐漸增大，同一深度視電阻率在110 m之后為∞MNB視電阻率大于AMN∞視電阻率的分離狀態(tài)，但限于剖面長度的制約，無法判定110 m之前的趨勢，但結(jié)合下壩址Ⅰ斷面的數(shù)據(jù)，可以推測在Ⅰ、Ⅱ斷面之間可能存在AMN∞剖面與∞MNB剖面的相交點。

(3)在Ⅰ、Ⅱ斷面之間上游方向100 m處的省道206公路橋下布置鏈接兩斷面的Ⅲ斷面。下壩址Ⅲ斷面大極距裝置， MN間距5 m，測量點距5 m，最大供電極距AO、BO為107.5 m。下壩址Ⅲ斷面大極距裝置等視電阻率斷面圖見圖6。

綜合分析下壩址Ⅲ斷面大極距裝置等視電阻率斷面圖與視電阻率剖面圖，具有如下特征：AMN∞剖面與∞MNB剖面由左至右視電阻率高低交替，由上至下視電阻率逐漸增大，同一深度視電阻率在190 m之前為AMN∞視電阻率大于∞MNB視電阻率的分離狀態(tài)，但限于斷面盲區(qū)的制約，無法判定190 m之后的趨勢，所以為了縮小盲區(qū)，在本斷面上應(yīng)用小極距裝置加以補(bǔ)充。下壩址Ⅲ斷面小極距裝置，MN間距5 m，測量點距5 m，最大供電極距AO、BO為52.5 m。下壩址Ⅲ斷面小極距裝置等視電阻率斷面圖見圖7。

圖6 下壩址Ⅲ斷面大極距裝置等視電阻率斷面圖

圖7 下壩址Ⅲ斷面小極距裝置等視電阻率斷面圖

提取一個深度的視電阻率剖面，綜合分析下壩址Ⅲ斷面小極距裝置等視電阻率斷面圖與視電阻率剖面圖，具有如下特征：AMN∞剖面與∞MNB剖面由左至右視電阻率高低交替，同一深度視電阻率在240 m之前為AMN∞視電阻率大于∞MNB視電阻率的分離狀態(tài)，240 m之后AMN∞視電阻率呈現(xiàn)下降趨勢∞MNB視電阻率呈現(xiàn)上升趨勢成分離狀態(tài)，故可分析該斷面在240 m處存在一低阻異常帶。

為了確定該低阻異常帶是否為構(gòu)造破碎帶或斷層，需要布置一平行測線在異常帶的縱向空間進(jìn)行檢驗，故在下壩址Ⅲ斷面下游方向約450 m處布置一條輔助測線，即下壩址Ⅳ斷面。斷面大極距裝置MN間距5 m，測量點距5 m，最大供電極距AO、BO為107.5 m。由于采取大極距裝置會在斷面頭尾產(chǎn)生較大的盲區(qū)，為了縮小盲區(qū)范圍，故該在斷面上應(yīng)用小極距裝置，最大供電極距AO、BO為52.5 m。

下壩址Ⅳ斷面大極距裝置等視電阻率斷面圖見圖8，下壩址Ⅳ斷面小極距裝置等視電阻率斷面圖見圖9。

綜合分析下壩址Ⅳ斷面大極距裝置及小極距裝置等視電阻率斷面圖與視電阻率剖面圖，具有如下特征：AMN∞剖面與∞MNB剖面由左至右先視電阻率先減小后增大,由上至下視電阻率逐漸增大，同一深度視電阻率在記錄點130 m之前為AMN∞視電阻率大于∞MNB視電阻率的分離狀態(tài)，130 m處間相交，130 m之后為∞MNB視電阻率大于AMN∞視電阻率的分離狀態(tài)，故可分析該斷面在130 m處存在一低阻異常帶，結(jié)合下壩址Ⅲ斷面的分析結(jié)果，該異常應(yīng)為斷層及破碎帶。下壩址Ⅲ斷面與下壩址Ⅳ斷面斷面平面位置綜合分析，可推斷出此斷層及破碎帶走向。

圖8 下壩址Ⅳ斷面大極距裝置等視電阻率斷面圖

圖9 下壩址Ⅳ斷面小極距裝置等視電阻率斷面圖

3.2 鉆孔波速測試

本次物探鉆孔波速測試采用聲波測試與地震波測試兩種方法，相互矯正，綜合對比分析。聲波測試得出的波速值及波速曲線圖能很直觀的反映鉆孔巖體的變化，對斷層及破碎帶反映較敏感，而且其深部波速值可近似等于完整巖塊的縱波速度。

地震波測試具有能量大，測程長等特點，能反映一段巖體的波速值，并計算巖體的完整系數(shù)，評價巖體的完整程度。

本次測試共完成12個鉆孔的測試工作，其中12個鉆孔進(jìn)行了聲波測試，9個鉆孔進(jìn)行了地震波測試。根據(jù)9個做了兩種方法的鉆孔的聲波測試與地震波測試綜合對比分析，給出3個沒有進(jìn)行地震波測試鉆孔(K8、K9、SK3)的縱波建議值。

巖體完整性系數(shù)計算公式：

(2)

式中：KV為巖體完整性系數(shù)；Vpm為巖體縱波速度(m/s)；Vpr為完整巖塊的縱波速度(m/s)。

完整巖塊的縱波速度的取值是參考物探規(guī)范附錄B中的物性參數(shù)表給出的波速值并結(jié)合本次工作測試孔內(nèi)聲波的較大值確定，完整巖塊的縱波速度花崗巖、閃長巖取6 000 m/s。

巖體完整性劃分按照《水利水電工程物探規(guī)程》(SL5010—92)中表3.5.8‘巖體完整性系數(shù)分類表’劃分，詳見表1。

表1 巖體完整程度劃分表

4 勘探結(jié)果評價

4.1 上壩址區(qū)

通過孔內(nèi)波速測試得到上壩址區(qū)地質(zhì)勘查鉆孔的巖體完整性分析與波速值，對SK1、SK3、SK4和SK5進(jìn)行完整性統(tǒng)計分析，其統(tǒng)計方法主要按不同的風(fēng)化程度分別統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果見表2。由表2可知，上壩址強(qiáng)風(fēng)化巖體綜合完整性系數(shù)為0.14，屬破碎；弱風(fēng)化巖體綜合完整性系數(shù)為0.43，巖體完整性差；微風(fēng)化～新鮮巖巖體完整性系數(shù)0.67，屬較完整。

4.2 下壩址區(qū)

通過下壩址Ⅰ斷面與Ⅴ斷面高密度電法勘察，確定該區(qū)域有一低阻異常帶F1，即破碎帶，由于受勘測區(qū)域地形條件限制，無法布置足夠長的電法斷面，故無法確切勘測斷層傾向。

由物探勘測低阻帶范圍較窄推測該破碎帶規(guī)模較小，建議施工時適當(dāng)加以灌漿防滲處理。

通過下壩址Ⅰ斷面、Ⅱ斷面、Ⅲ斷面與Ⅳ斷面高密度電法勘察，綜合分析各斷面數(shù)據(jù)，確定該區(qū)域有一低阻異常帶F2，即斷層或破碎帶，由于受勘測區(qū)域坡洪積物較厚，電法斷面勘察深度有限，故無法確切勘測斷層傾向。

表2 上壩址鉆孔波速測試統(tǒng)計表

巖體的完整性一般與巖體的風(fēng)化程度、構(gòu)造發(fā)育程度有關(guān)。通過孔內(nèi)波速測試得到下壩址區(qū)地質(zhì)勘查鉆孔的巖體完整性分析與波速值，按不同的風(fēng)化程度分別統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果見表3。由表3可知，下壩址上壩線強(qiáng)風(fēng)化巖體綜合完整性系數(shù)為0.11，屬破碎；弱風(fēng)化巖體綜合完整性系數(shù)為0.41，巖體完整性差；微風(fēng)化～新鮮巖巖體完整性系數(shù)0.59，屬較完整。

表3 下壩址上壩線鉆孔波速測試統(tǒng)計表

5 結(jié)語

(1)通過上壩址斷面高密度電法勘察，在上壩址區(qū)斷面勘察范圍內(nèi)未見明顯的破碎構(gòu)造帶或斷層。巖體的完整性一般與巖體的風(fēng)化程度、構(gòu)造發(fā)育程度有關(guān)。

(2)通過下壩址Ⅰ斷面與Ⅴ斷面高密度電法勘察，確定該區(qū)域有一低阻異常帶F1，即破碎帶，由于受勘測區(qū)域地形條件限制，無法布置足夠長的電法斷面，故無法確切勘測斷層傾向。由物探勘測低阻帶范圍較窄推測該破碎帶規(guī)模較小，建議施工時適當(dāng)加以灌漿防滲處理。

(3)此次物探工作達(dá)到物探勘查的目的，較好的完成了勘查任務(wù)，測試成果與地質(zhì)勘查資料基本吻合。存在的問題主要是下壩址和上壩線區(qū)域坡洪積物較厚，電法斷面勘察深度有限，且該區(qū)域有省道206穿過，測線無法連續(xù)布置，勘測到的低阻異常帶傾向無法確定。建議在物探推測斷層F2處布置勘察鉆孔打鉆驗證，確定處理防滲方案。