綜合地球物理方法在重慶向陽水庫巖溶探測中的應(yīng)用

孫冠軍，覃瑞東，李煜霄

(長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北 武漢 430074)

1 研究背景

水庫具有調(diào)節(jié)水流、攔洪蓄水的作用，可用于防洪、蓄水灌溉、供水、發(fā)電等作用。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速高效增長，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的增加，水利水電工程建設(shè)發(fā)展迅速[1]。我國南方巖溶地區(qū)分布廣、面積大，巖溶發(fā)育程度高，由于地下水動力條件改變或工程施工振動等外因誘發(fā)情況下，極易造成巖溶塌陷等工程地質(zhì)問題，由其引發(fā)的突發(fā)性災(zāi)害，給工程建設(shè)帶來巨大的安全隱患和投資風(fēng)險(xiǎn)。在巖溶地區(qū)，常因巖溶地質(zhì)條件復(fù)雜引起水庫滲漏等問題，導(dǎo)致水庫蓄水能力或防滲能力不能滿足設(shè)計(jì)要求，甚至影響大壩等建筑物的穩(wěn)定性，危及下游人民生命和財(cái)產(chǎn)安全[2- 4]，因此，巖溶勘察是保證工程建設(shè)質(zhì)量和運(yùn)營安全的重要基礎(chǔ)工作[5]。

由于受到區(qū)域地質(zhì)條件、地下水環(huán)境及氣候等多種因素影響，巖溶在空間分布、發(fā)育規(guī)模上都表現(xiàn)出極大的差異性，僅依靠鉆探和地質(zhì)調(diào)查難以全面掌握巖溶發(fā)育情況[6- 8]。發(fā)育階段的巖溶與坍塌或充填后的巖溶表現(xiàn)出不同的地球物理特征，應(yīng)用地球物理方法探測巖溶正是基于這些物性差異[9]。隨著對巖溶地區(qū)水利水電工程勘察精度的要求越來越高，越來越多的地球物理方法被用于巖溶探測，巖溶探測常利用電阻率、電磁波衰減系數(shù)、波速及密度等物性參數(shù)[10]。主要使用的地球物理方法有高密度電法、電磁法、探地雷達(dá)、電磁波CT等基于介質(zhì)電性特征的方法，地震勘探法、彈性波CT等基于介質(zhì)彈性特征的方法，以及微重力法[11]。由于不同方法的適用性不一樣，為提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，常綜合使用地球物理方法進(jìn)行巖溶探測，從而為巖溶發(fā)育程度評價(jià)及巖溶處理提供地球物理依據(jù)[12]。

文章根據(jù)重慶市云陽縣向陽水庫的工程地質(zhì)情況及物性特征，選用高密度電法、電磁波CT、孔內(nèi)全景數(shù)字成像及孔內(nèi)縱波測試等對地下巖溶的發(fā)育情況進(jìn)行探測，從而詳細(xì)了解趾板線附近的巖溶發(fā)育埋深、規(guī)模、充填及延伸情況等。

2 研究區(qū)域

2.1 工程概況

向陽水庫工程是重慶市擬建重點(diǎn)水源工程之一，位于重慶市云陽縣北部團(tuán)灘河干流上，是一座以城鄉(xiāng)供水和農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電，并為鄉(xiāng)村振興創(chuàng)造條件的水利工程。向陽水庫正常蓄水位為456.00m，相應(yīng)庫容為1.038億m3；校核洪水位為458.27m，相應(yīng)總庫容為1.10億m3；死水位為390.00m，相應(yīng)死庫容為0.137億m3。工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型。

2.2 地質(zhì)概況

向陽水庫工程區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(I1)二級構(gòu)造單元重慶臺坳(II1)東北部，三級大地構(gòu)造單元重慶陷褶束(III1)之萬州凹褶束(IV1)四級構(gòu)造單元北東邊界部位。區(qū)域范圍內(nèi)的深大斷裂均為中更新世以前活動斷裂，不屬于工程活動斷裂，各斷裂地震活動頻度及強(qiáng)度均較低，對壩址影響小。庫壩區(qū)及引水線路近場區(qū)25km范圍內(nèi)僅分布有長壽—遵義斷裂帶北段分支正壩—溫泉逆沖斷裂(F1)及紅花逆沖斷裂(F2)，斷裂均發(fā)育于背斜核部地帶，斷裂活動時(shí)代為早—中更新世或第四系前，均不屬于工程活動斷裂；壩址5km范圍內(nèi)無斷裂穿過。

壩址處河谷較寬闊、右岸地形較完整、左岸山梁略單薄，壩址基巖地層巖性主要為中生界三疊系中統(tǒng)巴東組第二段(T2b2)灰黃色、灰綠色、紫紅色薄層泥頁巖、粉砂巖和第三段(T2b3)灰、深灰色薄—中厚層泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，巖層傾向?yàn)镹NW或NNE，傾角為30°～40°，河谷結(jié)構(gòu)為中緩傾角斜橫向谷，河床覆蓋層較薄，兩岸基巖大部分直接出露。壩址處地層屬軟硬巖(泥質(zhì)灰?guī)r屬較堅(jiān)硬巖、泥灰?guī)r屬較軟巖)相間分布，巖體結(jié)構(gòu)不甚完整(薄—中厚層結(jié)構(gòu))，還存在巖溶等不利地質(zhì)條件。地質(zhì)構(gòu)造形跡主要以層間褶曲、小規(guī)模斷層、裂隙為主。研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)簡圖如圖1所示，地層及巖性見表1。

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)簡圖及綜合物探剖面布置圖

表1 研究區(qū)域地層巖性表

向陽水庫在上下游相距85m處設(shè)計(jì)趾板線比選1線和趾板線比選2線，分別在邊坡穩(wěn)定、巖溶、構(gòu)造等發(fā)育特征進(jìn)行研究。趾板沿線分布有河流沖洪積層和崩坡積層，厚度、結(jié)構(gòu)不均，承載力低；壩址下伏基巖為泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r等弱可溶巖，淺表巖體結(jié)構(gòu)不完整，巖石強(qiáng)度低。

2.3 地球物理特征

地下介質(zhì)(巖石或土)與不利地質(zhì)體(巖溶或破碎帶)的結(jié)構(gòu)、成分及其組合形式的不同，決定了不同地質(zhì)對象間存在物性差異，包括彈性波、電阻率、電磁波、密度等參數(shù)的差異，其中最主要的差異為彈性波及電阻率差異，地質(zhì)對象的這些物性差異為物探技術(shù)的應(yīng)用提供了地球物理前提。

本次探測區(qū)域主要為泥質(zhì)灰?guī)r，當(dāng)巖體受到裂隙、裂隙性小斷層、破碎帶、軟弱夾層、薄層、巖溶等破壞時(shí)，物性特征會因其影響程度不同而發(fā)生相應(yīng)變化，其主要的地球物理響應(yīng)則為電阻率降低、縱波速度降低、對電磁波高吸收。研究區(qū)域地下介質(zhì)的物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)值見表2。

表2 研究區(qū)域介質(zhì)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

3 綜合地球物理方法

為探查向陽水庫壩址區(qū)覆蓋層厚度及巖溶發(fā)育特征，查明兩條趾板線附近巖體破碎帶、巖溶洞穴等不良地質(zhì)體的分布情況，為推薦趾板線提供依據(jù)，綜合采用了高密度電法、電磁波CT、孔內(nèi)電視和孔內(nèi)聲波等多種地球物理方法，測線布置如圖1所示。

3.1 高密度電法

高密度電法基本原理與傳統(tǒng)普通直流電阻率法相同，它的裝置是一種組合式剖面裝置，是以地下介質(zhì)(巖層)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種物探方法。地下各種介質(zhì)在施加人工電場作用下，介質(zhì)的電性差異導(dǎo)致地下傳導(dǎo)的電流分布也存在差異，用視電阻率來反映出這種電性差異性分布。在一定的供電和測量電極排列方式下，通過供電電極供電，測量出電極之間的電位差，再通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算出視電阻率，然后通過對視電阻率的分布規(guī)律進(jìn)行分析來尋找地質(zhì)目標(biāo)體。

本次工程物探勘察中，高密度電法儀器是由重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制生產(chǎn)的WDJD- 4型多功能數(shù)字直流激電儀以及配套的多路轉(zhuǎn)換器。為了減小接地電阻對觀測精度的影響，觀測前均對各個(gè)電極的接地情況進(jìn)行檢測。對接地電阻偏大的電極，通過相應(yīng)的處理改善接地條件，直至達(dá)到要求后再進(jìn)行觀測。

3.2 電磁波CT

地下不同介質(zhì)對電磁波能量的吸收系數(shù)不同，基于此物性差異，利用在兩個(gè)鉆孔內(nèi)分別發(fā)射和接收電磁波，根據(jù)觀測系統(tǒng)內(nèi)不同的位置接收到的場強(qiáng)，然后利用層析成像反演算法，得到二維的吸收系數(shù)等值線圖，從而確定地下不同介質(zhì)的分布。當(dāng)電磁波穿過巖溶或破碎帶時(shí)，其吸收系數(shù)要比完整巖石的吸收系數(shù)大得多，因而在探測結(jié)果中形成高吸收異常。

本次電磁波CT探測使用中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所生產(chǎn)的JW- 6型地下電磁波CT系統(tǒng)，主要由發(fā)射探頭、接收探頭、地面控制和數(shù)據(jù)采集儀，及其輔助設(shè)備等組成。

3.3 孔內(nèi)電視和孔內(nèi)聲波

本次孔內(nèi)電視采用超高清全智能GD3Q-GA數(shù)字電視系統(tǒng)，此儀器性能穩(wěn)定、圖像清晰真實(shí)，配合高效圖像處理算法，可保證全景圖像實(shí)時(shí)自動采集，快速無縫拼接，同時(shí)系統(tǒng)可自動進(jìn)行深度和角度校正，全景視頻圖像和平面圖像實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，圖像清晰逼真。其采用一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配備高清攝像頭，能非常清楚地分辨圖像的細(xì)節(jié)。

鉆孔縱波測試是以彈性波在固體介質(zhì)中的傳播理論為基礎(chǔ)，以人工激振的方法向介質(zhì)(巖石、巖體、混凝土構(gòu)筑物)發(fā)射縱波，通過觀測和分析縱波在不同介質(zhì)中的傳播速度、振幅等參數(shù)，解決一系列巖土工程中的有關(guān)問題。

本次孔內(nèi)聲波采用武漢巖海工程技術(shù)有限公司的非金屬超聲波檢測儀，其型號為RS-STO1C，為國內(nèi)縱波波速測試的代表機(jī)型之一；井下部分采用主頻為20kHz的壓電陶瓷增壓式換能器，一發(fā)雙收裝置，單孔點(diǎn)測方式，測點(diǎn)間距為0.20m，水或稀泥漿耦合，從孔底向上逐點(diǎn)進(jìn)行測試，獲取縱波速度值。

4 巖溶探測結(jié)果分析

4.1 高密度電法成果

向陽水庫在設(shè)計(jì)的兩條比選趾板線部位垂直河道共布置高密度電法剖面5條，根據(jù)剖面成果圖，結(jié)合地質(zhì)資料，覆蓋層成分主要為河流沖洪積層飄石、砂卵石、崩坡積層碎石土，電阻率為20.0～500.0Ω·m，局部可達(dá)700.0Ω·m；基巖主要為中生界三疊系中統(tǒng)巴東組第三段(T2b3)灰、深灰色薄—中厚層泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r。

圖2為YW02剖面的反演電阻率剖面，根據(jù)電阻率反演斷面與已有地質(zhì)資料推斷，本條測線覆蓋層厚度一般為4～6m，共發(fā)育2處低阻異常區(qū)，推測為強(qiáng)巖溶區(qū)或巖體較破碎。 其中，1號異常區(qū)位于平距133～164m、埋深13～25m區(qū)域；2號異常區(qū)位于平距207～231m、埋深11～26m區(qū)域。圖3為YW09剖面的反演電阻率剖面，根據(jù)電阻率反演斷面與已有地質(zhì)資料推斷，本條測線覆蓋層厚度一般為7～9m，發(fā)育1處低阻異常區(qū)，推測為強(qiáng)溶蝕區(qū)或巖體較破碎，位于平距104～134m、埋深8～20m區(qū)域。圖4為YW12剖面的反演電阻率剖面，根據(jù)電阻率反演斷面與已有地質(zhì)資料推斷，本條測線覆蓋層厚度一般為3～7m，共發(fā)育2處低阻異常區(qū)，推測為強(qiáng)巖溶區(qū)或巖體較破碎，其中1號異常區(qū)位于平距31～45m、埋為8～14m區(qū)域；2號異常區(qū)位于平距93～125m、埋深6～24m區(qū)域。圖5為YW17剖面的反演電阻率剖面，根據(jù)電阻率反演斷面與已有地質(zhì)資料推斷，本條測線覆蓋層厚度一般為2～4m；發(fā)育2處低阻異常區(qū)，推測為強(qiáng)溶蝕區(qū)或巖體較破碎。其中，1號異常區(qū)位于平距23～32m、埋深7～12m區(qū)域；2號異常區(qū)位于平距92～104m、埋深5～17m區(qū)域。圖6為YW18剖面的反演電阻率剖面，根據(jù)電阻率反演斷面與已有地質(zhì)資料推斷，本條測線覆蓋層厚度一般為3～6m；發(fā)育1處低阻異常區(qū)，推測為強(qiáng)溶蝕區(qū)或巖體較破碎。異常區(qū)位于平距57～95m，埋深5～16m區(qū)域。

圖2 YW02剖面反演電阻率剖面

圖3 YW09剖面反演電阻率剖面

圖4 YW12剖面反演電阻率剖面

圖5 YW17剖面反演電阻率剖面

綜合圖2～圖6共5條高密度電法剖面的探測結(jié)果，每條剖面都存在明顯的低阻異常區(qū)域，且范圍較大；如圖7所示，5條高密度剖面的低阻異常區(qū)域在空間位置上可能相互連通；如圖8所示，灰色部分為電阻率小于等于80Ω·m的部位，推斷為巖溶發(fā)育區(qū)或巖體破碎帶，推斷比選1線地下巖溶較發(fā)育。此外YW09-YW18-YW12-YW17剖面中的低阻異常區(qū)域面積沿水流方向有減小的趨勢，推斷比選1線部位向下游方向巖溶發(fā)育逐漸減弱。

圖6 YW18剖面反演電阻率剖面

圖7 趾板線比選1線部位地層3維電阻率分布圖

圖8 趾板線比選1線部位地層電阻率小于80Ω·m分布范圍

4.2 電磁波CT成果

本次電磁波CT探測共布置2條剖面，電磁波CT的吸收系數(shù)愈小，巖體完整性愈好，反之愈差，對反演成果圖進(jìn)行分析解釋，確定電磁波CT剖面中的異常。比選1線處CZK4-CZK70-CZK69-CZK27-CZK68-CZK67-CZK66-CZK5剖面推測存在40處巖溶發(fā)育區(qū)或巖體破碎區(qū)，沿剖面方向地下巖體整體較破碎，巖溶發(fā)育，溶洞規(guī)模大小不一，且具有順層發(fā)育特點(diǎn)，溶洞之間可能存在連通關(guān)系，最大埋深大于70m，具體如圖9中異常圈定區(qū)域所示；推測弱風(fēng)化基巖界線如圖9中黑色線圈定區(qū)域所示。

圖9 趾板線比選1線部位電磁波CT探測成果

比選2線處CZK79-CZK78-CZK77剖面沿剖面方向地下巖體相對完整，共存在11處異常區(qū)，根據(jù)鉆孔資料，推測異常區(qū)主要因巖體局部破碎所致，受巖溶發(fā)育影響的可能性較小，具體如圖10中異常圈定區(qū)域所示；推測弱風(fēng)化基巖界線見圖10中黑色線圈定區(qū)域所示。

圖10 趾板線比選2線部位電磁波CT探測成果

4.3 孔內(nèi)全景數(shù)字成像成果

此次鉆孔全景數(shù)字成像測試，對趾板線部位地下的裂隙發(fā)育情況、溶蝕現(xiàn)象、斷層發(fā)育情況以及軟弱破碎帶巖體分布情況有做了較詳細(xì)的了解。趾板線1線部位巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，構(gòu)造較發(fā)育，巖體較破碎，沿巖體結(jié)構(gòu)面見較多溶孔(洞)、溶槽，局部呈蜂窩狀，且發(fā)現(xiàn)多個(gè)溶洞(圖11)。

圖11 孔內(nèi)全景數(shù)字成像揭示巖溶發(fā)育情況

比選1線部位溶洞揭露情況如下：

(1)小溶洞揭露情況：鉆孔CZK66，孔深71.3～71.7m段見1處溶洞，由于孔段過于破碎，未能觀測到下界限。鉆孔CZK67，孔深18.3～19.2m段見1處裂隙性溶洞，無充填。鉆孔CZK68，孔深29.0～30.0m段見1處溶洞，充填土夾碎石；孔深63.0～63.7m段見1處溶洞，充填卵礫石，土。鉆孔CZK69，孔深43.7～44.5m段見1處溶洞，充填土夾碎石。

(2)較大溶洞揭露情況：鉆孔CZK10，孔深36.5～40.0m段見1處溶洞，溶洞深度為3.5m，無充填。鉆孔CZK68，孔深43.0～47.0m段見1處溶洞，溶洞深度為4.0m，充填土夾碎石，局部為順層充填；孔深58.5～60.2m段見1處溶洞，溶洞深度為1.7m，充填土夾碎石。

比選2線部位鉆孔CZK78和鉆孔CZK80巖體相對完整，局部有裂隙發(fā)育；CZK79孔孔深45.2～46.4m段見1處裂隙性溶洞。

綜合已有孔內(nèi)數(shù)字成像資料，比選1線揭示多處規(guī)模不一的巖溶發(fā)育，巖石整體較破碎，比選2線揭露1處巖溶發(fā)育，巖體整體較完整。

4.4 孔內(nèi)縱波測試成果

趾板線比選1線部位選擇CZK66～CZK70共5個(gè)鉆孔的巖體縱波速度(Vp)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，趾板線比選2線部位選擇CZK77～CZK79共3個(gè)鉆孔的巖體縱波速度(Vp)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 趾板部位巖體縱波速度統(tǒng)計(jì)特征

比選1線部位，弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r巖體Vp值一般為2.91～4.94km/s，平均值為4.00km/s；微風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r巖體Vp值一般為3.22～5.28km/s，平均值為4.78km/s。層間剪切帶巖體Vp值一般為1.81～2.75km/s，平均值為2.45km/s；斷層巖體Vp值一般為2.51～3.19km/s，平均值為2.89km/s；溶洞巖體Vp值一般為1.61～2.24km/s，平均值為2.17km/s。

比選2線部位，弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r巖體Vp值一般為3.23～5.06km/s，平均值為4.39km/s；微風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r巖體Vp值一般為3.91～5.37km/s，平均值為4.92km/s。

對比可知，比選1線部位弱風(fēng)化和微風(fēng)化巖體的縱波波速都比比選2部位低，波速變化范圍也更大，且?guī)r溶、斷層等發(fā)育；比選2部位巖溶發(fā)育輕微，巖體整體較完整。

5 結(jié)論

本次探測結(jié)果表明，綜合利用高密度電法、電磁波CT等多種地球物理方法可以很好地定位地下巖溶發(fā)育位置和發(fā)育程度。高密度電法探測結(jié)果顯示，趾板線比選1線部位地下巖溶主要表現(xiàn)為低阻異常；電磁波CT探測結(jié)果亦顯示沿趾板線方向地下巖層整體較破碎，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，巖溶規(guī)模大小不等，與鉆孔全景數(shù)字成像和鉆孔波速測試所揭示的巖溶相對應(yīng)，且部分巖溶洞穴之間可能存在連通關(guān)系，因此該部位可能存在建筑物穩(wěn)定性、水庫滲漏等工程問題。

結(jié)合趾板線比選2線部位的電磁波CT探測成果及已有鉆孔資料，該部位地下局部存在輕微巖溶發(fā)育，巖體相對完整，擬將此部位作為推薦趾板線，建議進(jìn)一步補(bǔ)充勘查，增加地質(zhì)鉆探及物探工作，獲取該部位更多的地質(zhì)信息和地球物理探測數(shù)據(jù)，為后續(xù)的工程建設(shè)提供完整可靠的資料。