綜合物探法在水利工程巖溶探測(cè)中的應(yīng)用分析

何燦高，王 杰

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222）

我國(guó)西南地區(qū)巖溶廣泛分布， 巖溶在水利工程建設(shè)中容易引起塌陷、 不均勻沉降、 突水等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生巨大的影響，工程前期階段巖溶勘察十分關(guān)鍵，物探勘察方法具備成本低、效率高、探測(cè)精度高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于巖溶勘察。

目前常用于巖溶勘察的物探方法主要有高密度電法、瞬變電磁法、淺層地震法、地質(zhì)雷達(dá)法［1］。 高密度電法、淺層地震法、地質(zhì)雷達(dá)法受方法和儀器設(shè)備的限制，主要解決地表淺部異常；瞬變電磁法可用于探測(cè)深部較小異常，淺部數(shù)據(jù)可信度差。

本文采用高密度電法進(jìn)行巖溶探測(cè)， 并采用瞬變電磁法對(duì)深部巖溶分布特征進(jìn)行復(fù)核， 選取異常測(cè)段進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，并進(jìn)行孔內(nèi)聲波測(cè)試、鉆孔電視觀察進(jìn)一步驗(yàn)證地面物探成果。

1 工程概況

廣西境內(nèi)某水利樞紐工程， 初定裝機(jī)容量19.6MW，水庫(kù)總庫(kù)容4.28×108m3，擬建壩型為混凝土重力壩，最大壩高90m，壩頂長(zhǎng)度321m左右，主要建筑物有攔河壩、泄水建筑物、電站、輸水隧洞等，是一座以供水、防洪、灌溉、景觀、及旅游通航為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大Ⅱ型水利樞紐工程。

輸水隧洞設(shè)計(jì)洞底高程為160m， 隧洞部分洞段經(jīng)過泥盆系灰?guī)r區(qū)， 前期勘察資料表明該洞段巖溶較為發(fā)育， 為詳細(xì)查明洞線高程附近巖溶及構(gòu)造分布特征，決定采用高密度電法、瞬變電磁法進(jìn)行綜合探測(cè)， 布置適量鉆孔并進(jìn)行孔內(nèi)物探測(cè)試以驗(yàn)證物探成果。

2 方法與技術(shù)

2.1 高密度電法

高密度電法是以地層內(nèi)隱伏目標(biāo)體與周邊介質(zhì)或不同物性層間存在的電阻率差異為前提的直流電法，采用密集的陣列式電極排列進(jìn)行縱橫向連續(xù)數(shù)據(jù)采集，可獲得豐富的地質(zhì)信息，兼有電剖面法、電測(cè)深法的屬性，形成一個(gè)倒梯形的二維電性剖面。探測(cè)深度隨供電極距的增大而增大，約為最大供電極距的1/6。

采用溫納裝置，單一排列采用100根電極，沿測(cè)線方向滾動(dòng)測(cè)量，隔離系數(shù)30，基本電極距10m，最大供電電壓420V。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)， 用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，以解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁法。

采用自發(fā)自收多匝小回線磁源，采集數(shù)據(jù)采用基于“煙圈效應(yīng)”的相關(guān)算法軟件進(jìn)行處理，測(cè)量點(diǎn)距5m，采樣率1.25MHz，發(fā)射頻率16Hz，發(fā)射電流60A。

2.3 鉆孔聲波法

單孔聲波測(cè)試通過測(cè)定孔內(nèi)巖體縱波速度值、進(jìn)行波速分層并評(píng)價(jià)其完整性和強(qiáng)度， 結(jié)合鉆孔電視觀察成果，確定巖溶、構(gòu)造破碎帶空間分布。

采用一發(fā)雙收換能器，在孔內(nèi)自下而上進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)發(fā)射器到兩個(gè)接收換能器的縱波初至?xí)r差及兩個(gè)接收換能器的距離，獲取孔壁巖體的縱波速度，為保證測(cè)試精度，測(cè)試點(diǎn)距一般等于接收換能器間距0.2m。

2.4 鉆孔電視觀察法

鉆孔電視觀察可直觀、 全面地觀察孔壁巖體特征，確定巖溶、構(gòu)造破碎帶的空間分布及節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面的分布、產(chǎn)狀、充填情況等。

采用全孔壁掃描連續(xù)錄像方式， 自上而下勻速下放探頭觀測(cè)，下降速度不大于2m/min。

3 工作布置

3.1 高密度電法

沿隧洞位置布設(shè)高密度電法測(cè)線， 測(cè)線沿地表長(zhǎng)2090m。

3.2 瞬變電磁法

布置于高密度電法測(cè)線樁號(hào)23～887m。

3.3 孔內(nèi)測(cè)試

在驗(yàn)證孔BZK2、BZK3、BZK5內(nèi)基巖段進(jìn)行單孔聲波測(cè)試及鉆孔電視觀察，部分孔段因套管護(hù)壁、塌孔等原因未能全部施測(cè)。

4 成果分析

4.1 高密度電法

高密度電法測(cè)線的樁號(hào)0～1966m均位于輸水洞線上，測(cè)試成果如圖1，分析成果如下：

圖1 測(cè)線電阻率剖面圖

沿測(cè)線地層總體為“H型”三層地電結(jié)構(gòu)，電阻率特征為高-低-高。

第一層電阻率約10～4000Ω·m，對(duì)應(yīng)含碎石粉質(zhì)黏土，視碎石和黏性土含量不一電阻率差異較大，黏性土含量較高的分布段電阻率為10～350Ω·m， 碎石含量較高的分布段電阻率為350～4000Ω·m，層厚5～25m。

第二層電阻率約50～500Ω·m， 對(duì)應(yīng)溶蝕發(fā)育的基巖，包含含水空洞、黏性土充填的溶洞、溶槽或溶蝕裂隙發(fā)育，層厚約15～40m，近水平展布在高程130～210m。

第三層電阻率約500～8000Ω·m， 對(duì)應(yīng)溶蝕不發(fā)育的較完整～完整的基巖。

在樁號(hào)800，1070，1350m分別發(fā)育斷層破碎帶，F(xiàn)1視傾向小樁號(hào)方向，視傾角82°，影響范圍約100m；F2傾向大樁號(hào)方向，視傾角76°，影響范圍約50m；F3傾向小樁號(hào)方向，視傾角80°，影響范圍約50m。

除樁號(hào)300～450m、860～920m外， 洞線基本全線穿越溶蝕發(fā)育或完整性差巖體，局部有充填型溶洞發(fā)育。

4.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法測(cè)線位置與高密度電法測(cè)線樁號(hào)23～887m重合，測(cè)試成果如圖2，分析成果如下：

瞬變電磁測(cè)深曲線為“A”型三層結(jié)構(gòu)，第一層視電阻率約250～500Ω·m，層厚約5～20m，對(duì)應(yīng)覆蓋層；第二層視電阻率約500～1100Ω·m， 層厚約20～40m，對(duì)應(yīng)巖溶發(fā)育的基巖，巖溶分布在高程130m以上；第三層視電阻率約1100～1500Ω·m，對(duì)應(yīng)巖溶不發(fā)育的較完整～完整基巖。 在樁號(hào)810m發(fā)育斷層破碎帶F1，視傾向小樁號(hào)方向，視傾角82°，影響范圍約100m。

圖2 測(cè)線視電阻率剖面圖

瞬變電磁法與高密度電法探測(cè)成果基本一致，測(cè)線地層為三層結(jié)構(gòu)，第一層為覆蓋層，第二層為溶蝕發(fā)育的基巖，第三層為溶蝕不發(fā)育的較完整～完整的基巖。高密度電法淺部探測(cè)精度較高，瞬變電磁法淺部分辨率低，巖溶探測(cè)以高密度電法成果為準(zhǔn)，瞬變電磁法復(fù)核了高密度電法深部探測(cè)成果， 巖溶分布在高程130m以上，高程130m以下未見巖溶分布。

4.3 孔內(nèi)測(cè)試成果

驗(yàn)證孔BZK2，BZK3，BZK5地質(zhì)編錄及孔內(nèi)鉆孔測(cè)試成果如表1：

表1 鉆孔測(cè)試綜合成果表

鉆孔揭露、 孔內(nèi)鉆孔測(cè)試與地面物探成果基本一致，BZK2鉆孔位于強(qiáng)溶蝕區(qū)，除表層約10m覆蓋層外， 下伏巖溶延伸至孔深51m， 電阻率多數(shù)低于150Ω·m，巖體波速多低于3000m/s，多形成黏性土充填的溶洞；BZK3鉆孔位于巖溶未發(fā)育區(qū)， 覆蓋層以下的灰?guī)r完整， 未見巖溶發(fā)育；BZK5鉆孔孔深14.5～17m發(fā)育含水空洞，為地下水流經(jīng)通道，形成巖溶溶蝕通道。

鉆孔聲波測(cè)試表明，溶蝕、構(gòu)造不發(fā)育孔段巖體波速范圍值、平均值為4800～6380m/s、6000m/s（新鮮灰?guī)r巖塊波速取值6400m/s）， 完整性系數(shù)平均值0.88，為完整巖體；溶蝕較為發(fā)育孔段巖體波速范圍值1520～3320m/s，平均值2280m/s，完整性系數(shù)平均值0.13，為破碎巖體。

典型聲波曲線如圖3，（a） 為鉆孔BZK2孔深41～51m泥質(zhì)充填型溶洞聲波曲線，（b）為鉆孔BZK3孔深90～100m完整巖體聲波曲線，（c） 為鉆孔BZK5孔深10～20m含水空洞及周邊完整巖體聲波曲線。

圖3 聲波測(cè)試典型曲線

鉆孔電視觀察表明， 輸水洞線地層為中厚層塊狀灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙多被方解石脈充填，裂隙張開寬度多為1～3mm， 溶蝕發(fā)育嚴(yán)重的區(qū)域多形成泥質(zhì)充填型溶洞或含水空洞。

典型電視觀察圖像如圖4，（a）為鉆孔BZK5孔深12.0～13.5m完整灰?guī)r，（b） 為鉆孔BZK5孔深13.9～15.2m含水空洞，（c） 為鉆孔BZK2孔深45.0～46.5m完全泥質(zhì)充填溶洞，（d）為鉆孔BZK2孔深48.5～50.0m溶蝕發(fā)育、部分泥質(zhì)充填的溶洞。

圖4 電視觀察典型圖像

4.4 綜合分析及結(jié)論

經(jīng)鉆孔及孔內(nèi)聲波、 電視觀察驗(yàn)證， 高密度電法、瞬變電磁法成果較為可信，輸水洞線巖體可分為三層結(jié)構(gòu)， 第一層為含碎石的粉質(zhì)黏土， 層厚約5～25m；第二層為溶蝕發(fā)育的灰?guī)r，層厚約15～40m，分布高程約130～210m；第三層為較完整～完整巖體；在樁號(hào)約800，1070，1350m分別發(fā)育斷層破碎帶， 除局部測(cè)段外， 洞線基本全線穿越溶蝕發(fā)育或完整性差巖體，局部有充填型溶洞發(fā)育。

溶蝕發(fā)育程度較高巖體 （泥質(zhì)充填型溶洞或含水空洞、溶蝕裂隙發(fā)育）電阻率約10～150Ω·m，視電阻率約500～1100Ω·m，聲波速度約1520～1800m/s，為破碎巖體； 溶蝕發(fā)育程度一般的巖體電阻率約150～500Ω·m， 視電阻率約500～1100Ω·m， 聲波速度約1950～3320m/s，為較破碎～完整性差巖體；溶蝕不發(fā)育或較少發(fā)育的巖體電阻率約500～8000Ω·m， 視電阻率約1100～1500Ω·m， 聲波速度約4800～6300m/s，為較完整～完整巖體。

輸水洞線綜合探測(cè)成果如圖5。

圖5 測(cè)線綜合探測(cè)成果

5 結(jié)語(yǔ)

巖溶區(qū)洞線為該水利工程隧洞的關(guān)鍵性標(biāo)段，事關(guān)工程成敗，經(jīng)綜合物探方法探測(cè)及鉆孔驗(yàn)證，基本查明巖溶及構(gòu)造空間分布特征，目前正在修改設(shè)計(jì)方案，考慮下調(diào)洞線高程到130m以下以避開巖溶發(fā)育區(qū)。

巖溶區(qū)地質(zhì)條件的的多樣性、 復(fù)雜性及物探成果的多解性，單一方法往往較難解決問題，采用綜合物探方法從多個(gè)物性參數(shù)角度多方位解譯工程地質(zhì)問題，提高探測(cè)精度。