引調(diào)水工程隱伏殘丘的地球物理勘探

湯克軒 毛深秋 李國(guó)瑞 王杰

在低山丘陵和沖積平原區(qū)，引調(diào)水工程的輸水隧洞、箱涵、渠道等經(jīng)常會(huì)遇到掩埋在地下的孤山殘丘，殘丘的位置、規(guī)模及巖體質(zhì)量會(huì)直接影響輸水線路方案設(shè)計(jì)和工程建筑物選址、施工。

在油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，深層巖溶或風(fēng)化殘丘作為良好的油氣儲(chǔ)層被高度重視[1]，其成藏機(jī)理和地球物理特征類(lèi)似于地貌古潛山，以地震波法、重磁法、地球物理測(cè)井為代表的物探方法在殘丘油氣藏勘探領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[2]。在工程勘察領(lǐng)域，由于應(yīng)用范圍及其工程影響的局限性，隱伏殘丘尚未作為一種典型的地質(zhì)現(xiàn)象予以研究討論。然而隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的全面展開(kāi)，一些工程線路不可避免地通過(guò)規(guī)模較大的半隱伏孤山、延伸較長(zhǎng)的隱伏山脊或串珠狀的隱伏殘丘帶，明渠開(kāi)挖、管道埋設(shè)、淺埋隧洞需盡量避開(kāi)殘丘以減小施工難度；部分穿越江河的水下隧道、跨越大型建筑物和交通設(shè)施的倒虹洞室等，有時(shí)需要利用殘丘核部的堅(jiān)硬巖體。開(kāi)展隱伏殘丘的地球物理勘探，了解其空間位置及巖體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)方案、保障施工安全和運(yùn)行穩(wěn)定具有重要意義。

1 工程概況

擬建穿河輸水隧洞位于孤山殘丘地貌單元與沖積平原區(qū)的交匯地帶，沖積平原系河流多次泛濫形成。河流近東西向，兩岸地勢(shì)開(kāi)闊。前期勘察資料表明，兩岸河底間為一隱伏基巖山脊。3條并行的穿河倒虹隧洞擬從河底隱伏山脊穿過(guò)，隧洞埋深40～60 m。

第四系（Q4）松散土層下伏寒武系（∈）上統(tǒng)崮山組（∈3g）和中統(tǒng)張夏組（∈2z）地層。覆蓋層成分相對(duì)均勻，以沖積粉細(xì)砂為主，防浪堤和建筑物區(qū)域多為人工筑石土和碎石土。崮山組地層主要為強(qiáng)風(fēng)化狀薄層泥頁(yè)巖、頁(yè)巖和灰?guī)r；張夏組地層主要為中-厚層狀灰?guī)r，弱風(fēng)化-新鮮狀；巖層產(chǎn)狀平緩，傾向北西。隧洞跨河段位于張夏組地層。受北東向區(qū)域構(gòu)造形跡影響，工程區(qū)域多發(fā)育北東向陡傾角小斷層和深切割裂隙。巖溶發(fā)育受巖性和構(gòu)造控制明顯，多沿?cái)鄬雍土严洞瓜虬l(fā)育，蜂窩狀溶孔多見(jiàn)。

2 探測(cè)方法及工作布置

根據(jù)場(chǎng)地條件及方法有效性試驗(yàn)結(jié)果，選擇以高密度法電法、地震折射波層析成像、瑞雷波法為主的綜合物探方法，探測(cè)隧洞沿線基巖面起伏情況和地層結(jié)構(gòu)特征，初步查明巖體內(nèi)構(gòu)造和巖溶發(fā)育情況。

2.1 高密度電法

高密度電法是電測(cè)深與電剖面方法的組合，可以同時(shí)探測(cè)水平和垂直方向上的電性變化。通常情況下，高阻圍巖中細(xì)小的充填性巖孔、裂隙，都有可能極大改變巖體電性結(jié)構(gòu)；低阻巖土體中的孤石、殘丘、無(wú)充填孔洞，在電性剖面上可能會(huì)得到凸顯和放大。

高密度電法跨河床作業(yè)可利用索道懸掛電纜施測(cè)，順河向采用水上漂浮式方式。

2.2 地震折射波層析成像

地震折射波層析成像技術(shù)是一種基于反演理論的地震折射解釋方法，方法的關(guān)鍵是對(duì)初至波進(jìn)行射線追蹤，對(duì)地層速度逐層剖析并繪制層析成像圖[3]。彌補(bǔ)了常規(guī)折射波解釋方法只適用于緩慢變化的層狀地層而無(wú)法探測(cè)地下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不足，對(duì)橫向速度不均勻、基巖面起伏較大、存在透射的地層有更好的適用性[4-5]。

彈性波法適用于地層界面和巖體結(jié)構(gòu)劃分。一般情況下，微裂隙和小溶孔等規(guī)模和延伸范圍有限的巖體缺陷對(duì)彈性波速影響程度明顯小于電性參數(shù)，所以彈性波速不容易反應(yīng)巖體的細(xì)微差異，但可以規(guī)避對(duì)巖體內(nèi)部缺陷的放大作用，并緩解物性不均勻?qū)Τ晒庾g造成的迷惑[6]。

2.3 瑞雷波法

瑞雷波法是利用面波的頻散效應(yīng)來(lái)研究地層結(jié)構(gòu)的一種地震勘探方法。本次采用錘擊振源激發(fā)在水平方向傳播的瞬態(tài)復(fù)頻面波，通過(guò)求取地震道記錄上瑞雷波頻散曲線來(lái)分析地層垂向結(jié)構(gòu)特征。瑞雷波相速度頻散曲線與介質(zhì)層厚、密度、縱橫波速度有關(guān)，且對(duì)橫波速度最為敏感，通過(guò)反演算法或一定的經(jīng)驗(yàn)換算關(guān)系可以求取橫波于排列內(nèi)測(cè)線方向上的等效速度[7-8]。通過(guò)多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量，可以觀測(cè)地層彈性參數(shù)橫向變化特征[9]。

2.4 工作布置

綜合考慮隱伏山脊及區(qū)域構(gòu)造走向、水上物探作業(yè)難度、場(chǎng)地大小和測(cè)試條件，共布置平行的順河近EW向測(cè)線18條（南岸隧洞進(jìn)口R1～R6、河床隧洞段S1～S8、北岸隧洞出口L1～L4），測(cè)線間距25～45 m，3條隧洞軸向跨河床測(cè)線H1～H3（NW342°）和一條斜向驗(yàn)證測(cè)線L5（左岸SE104°）。測(cè)試以高密度電法為主，兩岸隧洞進(jìn)出口輔以地震折射波法（加大炮點(diǎn)密度，數(shù)據(jù)處理采用地震折射波層析成像技術(shù)）和瑞雷波法。

3 探測(cè)成果

通過(guò)密集的網(wǎng)狀測(cè)量，從高密度電法、地震折射波和瑞雷波法測(cè)試成果中，分別提取地層的電阻率、地震波縱波速度和視橫波速度。工程區(qū)域典型線的物性剖面如圖1所示。

圖1 南岸隧洞進(jìn)口R6線物探成果圖

從圖1可知，工程區(qū)域地層主要表現(xiàn)為3層物性結(jié)構(gòu)：

表層低阻低波速層，電阻率為5～65Ω·m，地震波縱波速度為200～1 000 m/s，視橫波速度為100～300 m/s，厚度0.5～56.7 m，大致以隧洞軸線為中心，兩側(cè)厚、中間薄，主要為壤土和沖積粉細(xì)砂的反映。在高程32 m以上分布著一層厚度不一，電阻率差異大（25～1 800Ω·m）的高阻薄層，主要為水位以上及附近各種成因、成分、密實(shí)度和含水量不同的地表土體的綜合反映。

中間物性不均勻?qū)樱娮杪?～5 400Ω·m，地震縱波速度為1 000～3 000 m/s，視橫波速度為300～750 m/s，底界面埋深為35～45 m，局部缺失，電阻率色譜分布多呈團(tuán)塊狀，或表現(xiàn)為相對(duì)高阻地層被陡傾角不規(guī)則低阻條帶切割，主要為崮山組地層和部分溶蝕風(fēng)化的張夏組地層的綜合反映。

底部高阻高波速層，電阻率為65～6 200Ω·m，地震縱波速度為800～6 000 m/s，視橫波速度為700～2 200 m/s，主要為張夏組弱～微風(fēng)化灰?guī)r的反映。物性分布相對(duì)均勻，局部有低阻或低波速深切割條帶。

依據(jù)各測(cè)線剖面成果圖上物性參數(shù)大小和分布特征，結(jié)合前期地質(zhì)和鉆孔資料，可以劃分工程區(qū)域地層結(jié)構(gòu)，如圖2、3所示。

圖2 工程區(qū)域地層界面展示圖

圖3 基巖面展示圖

從圖2、3可知，兩岸覆蓋層下分別有一凸起殘丘，河流從兩殘丘中間穿過(guò)。若以張夏組為底界，殘丘高度35～38 m，坡度總體為10°～25°，主要為崮山組地層，巖體風(fēng)化和完整性差異大。張夏組頂?shù)捉缑嫦鄬?duì)平緩，迎水面和河邊坡附近略有起伏。

從電阻率剖面圖上看，隧洞沿線密集發(fā)育多條斷層或裂隙帶。斷層走向以北東向?yàn)橹?，少?shù)近南北向或北西向，傾角多為陡傾角。從圖1物性參數(shù)剖面圖上看，多數(shù)斷層和破碎帶影響寬度有限，殘丘兩翼局部發(fā)育深切割裂隙或影響深度較大的斷層。斷層影響帶附近或伴生巖溶發(fā)育。

4 成果分析

4.1 覆蓋層厚度與物性參數(shù)的關(guān)系

工程區(qū)域物性層與地質(zhì)層對(duì)應(yīng)關(guān)系并不是絕對(duì)的，受隱伏山脊形態(tài)和埋深影響，覆蓋層膠結(jié)和密實(shí)程度在縱向上變化較大，物性層與地質(zhì)層的對(duì)應(yīng)關(guān)系較復(fù)雜。

對(duì)于高密度電法，大致可用30Ω·m電阻率等值線作為基巖面劃分標(biāo)準(zhǔn)，由于覆蓋層厚度及下伏基巖完整性不同，劃分標(biāo)準(zhǔn)整體在20～65Ω·m間波動(dòng)。在崮山組地層較薄或缺失段，劃分標(biāo)準(zhǔn)差異很大，當(dāng)張夏組完整、覆蓋層較厚時(shí)，界面附近電阻率可達(dá)630Ω·m，當(dāng)覆蓋層較薄、基巖巖體破碎或巖溶發(fā)育時(shí)，界面附近電阻率約15Ω·m。

覆蓋層電阻率隨埋深的變化規(guī)律如圖4所示。工程區(qū)域覆蓋層主要表現(xiàn)ρ1＞ρ2<ρ3的“H”型電性結(jié)構(gòu)，地表以下3～4 m主要為地下水位以上比較松散的砂壤土或沖積粉細(xì)砂，表現(xiàn)為高阻；水位以下，隨著埋深增加，覆蓋層電阻率先減小后增大，在埋深15 m附近達(dá)到最小值；隨著埋深進(jìn)一步加大，覆蓋層密實(shí)度和膠結(jié)程度變大，孔隙率及含水率降低，電阻率在埋深大于28 m后急劇增大。部分淺灘或地表潮濕區(qū)域，表層較薄的高阻層缺失，表現(xiàn)為ρ1<ρ2<ρ3的“A”型電性結(jié)構(gòu)，如圖4中L4線樁號(hào)150 m位置的電性曲線?；鶐r面附近巖土體電阻率隨埋深變化規(guī)律如圖5所示，隨著埋深增大，基巖面附近巖土體電阻率先減小后增大，埋深10～30 m內(nèi)變化幅度有限，部分測(cè)段受風(fēng)化槽和溶蝕坑影響，埋深很大電阻率卻很小。

圖4 典型測(cè)點(diǎn)覆蓋層電性結(jié)構(gòu)圖

圖5 典型測(cè)線基巖面電阻率隨埋深變化曲線

對(duì)于彈性波法，從圖1中可以看出不考慮地表較薄的物性不均勻?qū)?，覆蓋層表現(xiàn)為較均勻的層狀彈性結(jié)構(gòu)，淺部地震波縱波速度約160 m/s，視橫波速度約125 m/s，隨著深度增加，不考慮水位影響（水位附近縱波速度波速有一個(gè)階變），覆蓋層彈性波速度近似呈線性增長(zhǎng)（如圖6所示），埋深50 m時(shí)覆蓋層地震波縱波速度可達(dá)2 800 m/s，視橫波速度700 m/s，此時(shí)覆蓋層密實(shí)度和膠結(jié)度很高，與風(fēng)化基巖波速相近，當(dāng)覆蓋層物性與全強(qiáng)風(fēng)化或溶蝕發(fā)育的基巖接近時(shí)，將很難通過(guò)物性參數(shù)大小加以區(qū)分，需考慮物性分布特征。

圖6 彈性波速度與基巖面埋深關(guān)系圖

4.2 水流侵蝕對(duì)古地形和物性參數(shù)的影響

水流的沖刷和側(cè)向侵蝕作用會(huì)改造古地形。圖7為順河向測(cè)線基巖面的輪廓線，大體表現(xiàn)出上游陡下游緩的趨勢(shì)，且上游明顯向山脊核部凹陷，下游相對(duì)平滑，山脊頂部多有侵蝕平臺(tái)，越靠近河床的測(cè)線，平臺(tái)越緩。

受水流沖刷和下蝕作用影響，迎水面更容易發(fā)育低阻低波速侵蝕槽，如圖3所示，隱伏山脊上游段（圖3中左半部分）在河床和南岸均有一侵蝕坑發(fā)育，侵蝕坑開(kāi)口大深度小，微向下游端凹陷。下游北岸的深槽推測(cè)與水流側(cè)向侵蝕和巖溶塌陷有關(guān)。其他部位物性界面和基巖面的起伏，主要受構(gòu)造和巖溶發(fā)育影響。

古山脊迎水面受水流沖刷作用更強(qiáng)，表層風(fēng)化層或薄弱層被剝蝕，覆蓋層與完整基巖間缺乏物性過(guò)渡層，在無(wú)構(gòu)造裂隙或巖溶發(fā)育影響情況下，覆蓋層到基巖直接由低阻低波速變?yōu)楦咦韪卟ㄋ?，物性差異明顯。但另一方面，迎水面的孔縫空間更容易被水流擴(kuò)大而后充填，形成傾向下游的低阻或低波速條帶。

4.3 巖性、構(gòu)造和巖溶對(duì)物性參數(shù)的影響

圖7 順河向隱伏殘丘基巖面輪廓線

崮山組地層主要表現(xiàn)為相對(duì)低阻低波速泥頁(yè)巖、頁(yè)巖和高阻高波速灰?guī)r的互層發(fā)育，巖性分布和厚度不同，都會(huì)造成物性的差異。泥頁(yè)巖、頁(yè)巖、灰?guī)r抗風(fēng)化能力差異顯著，巖體差異分化很大程度上造成物性分布的不均勻性，且電性參數(shù)比彈性參數(shù)表現(xiàn)更為明顯。泥頁(yè)巖和頁(yè)巖屬相對(duì)隔水層，其完整性會(huì)影響崮山組內(nèi)和張夏組表層灰?guī)r巖溶發(fā)育程度。同時(shí)，受邊坡卸荷和構(gòu)造應(yīng)力影響，工程區(qū)域內(nèi)陡傾角小斷層和裂隙密集帶發(fā)育，在破碎帶附近伴生巖溶發(fā)育。種種因素，造成了崮山組地層和張夏組表層地層物性分布的復(fù)雜性，增加了依據(jù)物性參數(shù)對(duì)巖體定性和結(jié)構(gòu)劃分的難度。

從整體上看，崮山組為電性不均勻電性層，中淺部團(tuán)塊狀高阻異常下界的連接線大致可作為其底界面；當(dāng)崮山組較薄或缺失時(shí)，張夏組上界面灰?guī)r往往會(huì)伴隨巖溶發(fā)育，高阻和高波速基底起伏的上界面的趨勢(shì)線，大體可作為張夏組的頂界面。

4.4 古地形對(duì)反演結(jié)果影響

很多時(shí)候物探數(shù)據(jù)處理都是基于均勻近層狀介質(zhì)模型。當(dāng)?shù)叵麓嬖陔[伏凸起地貌時(shí)，不再是層狀地層結(jié)構(gòu)，覆蓋層在垂向上的差異壓實(shí)也加大了物性分布的不均勻性，仍沿用傳統(tǒng)算法，必然會(huì)帶來(lái)計(jì)算偏差，可靠性和分辨率會(huì)大打折扣。

如采用高密度電法測(cè)試時(shí)，隱伏凸起地貌會(huì)造成電流密度線的分散，數(shù)據(jù)在反演迭代時(shí)，容易造成高阻或低阻向一處聚集，形成團(tuán)塊狀或不規(guī)則的假異常；地震折射波遇凸起地層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生繞射和透射，用相遇互換時(shí)法解釋時(shí)，不再滿(mǎn)足地層傾角近水平的假設(shè)前提，計(jì)算出來(lái)的折射界面傾角較實(shí)際偏低，且會(huì)造成多個(gè)連續(xù)剖面成果的不連續(xù)性，地震折射波層析成像解釋技術(shù)，雖在一定程度上解決了物性橫向不均性帶來(lái)的影響，但從本次處理結(jié)果上看并不能完全消除。探地雷達(dá)法、水聲勘探（淺剖面法）等采用回波原理在作業(yè)時(shí)，如果將覆蓋層設(shè)層成單層的速度模型，而不考慮波場(chǎng)速度隨地層的漸變性，探測(cè)出的殘丘埋深和坡角會(huì)偏離實(shí)際值。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本次測(cè)量中，電性剖面對(duì)巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫(huà)更加清晰，但對(duì)巖體缺陷范圍和程度有所放大；彈性剖面圖上能夠描繪出基巖面的整體形態(tài)，但對(duì)巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分辨率欠佳。

（2）覆蓋層的厚度差異使得基巖面附近巖土體物性參數(shù)表現(xiàn)出漸變規(guī)律，不能將覆蓋層看成均一層，劃分隱伏殘丘基巖面上時(shí)應(yīng)充分考慮物性參數(shù)的漸變性。

（3）隱伏殘丘區(qū)域古地形和物性分布與水流作用相關(guān)，物探資料解譯應(yīng)予以重視。

（4）巖體差異風(fēng)化、構(gòu)造和巖溶發(fā)育會(huì)增加物性分布的復(fù)雜性，要想對(duì)物性剖面進(jìn)行定性和解譯，應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)和鉆孔資料，分析巖體物性參數(shù)大小和分布規(guī)律。

（5）針對(duì)隱伏凸起地貌探測(cè)，應(yīng)選擇合適的地球物理方法和能夠補(bǔ)償校正的解釋手段。