超高密度電法在共和水庫探查新舊壩體中的應(yīng)用

孫寶喜，胡景松，張 雷，高貴兵

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

0 前 言

地球物理勘探，簡稱“物探”，是用物理方法來勘探地殼上層巖石的構(gòu)造與尋找有用礦產(chǎn)的一門新的學(xué)科。按照所探測的物理參數(shù)的不同，常用物探方法主要分為重、磁、電、震四大類，其中的“電”即電法勘探，它主要探測的是地下介質(zhì)的電阻率值，通過電阻率差異來達(dá)到勘探地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的目的，電法勘探方法也分為很多種，主要有電剖面法、電測深法及其它電探方法三大類，以上不同的電法勘探方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，例如：電剖面法沿測線方向分辨率較高，而電測深法沿垂直方向分辨率較高，而超高密度電法勘探做為一種新興物探方法，它集合了電剖面法和電測深法的優(yōu)點(diǎn)，自動化程度高，每個斷面采集的數(shù)據(jù)量高達(dá)6萬多個，因此探測結(jié)果更加精準(zhǔn)，工作效率也更高，近年來在工程勘察領(lǐng)域已被廣為應(yīng)用[1]。

樺南縣共和水庫位于樺南縣城西北約20km處。水庫興建于1958年，續(xù)建于1976年，1980年全部完工交付使用至今，前后分2期，歷時(shí)22年。水庫樞紐工程由攔河壩、溢洪道、輸水洞三部分組成。水庫按50a一遇洪水設(shè)計(jì)，500a一遇洪水校核，興利水位146.88m，校核洪水位147.44m，相應(yīng)庫容3590萬m3,，死水位141.00m。

共和水庫承擔(dān)著共和灌區(qū)的灌溉任務(wù)，負(fù)責(zé)下游明義鄉(xiāng)、金沙鄉(xiāng)、土龍山鎮(zhèn)三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共計(jì)21個村屯的水田灌溉任務(wù)，灌溉面積4.2萬畝，其中輸水洞灌溉1.2萬畝，溢洪道灌溉3萬畝。共和水庫還有重要的防洪任務(wù)，保護(hù)著下游25個村屯，5.4萬人口，12萬畝農(nóng)田，保護(hù)鶴大公路10km和201國道15km。

目前共和水庫現(xiàn)狀如下：土壩原設(shè)計(jì)(1958)為黏土均質(zhì)壩，原壩頂高程為144.3m，1976年在原壩體上進(jìn)行加高培厚，這部分壩型為黏土心墻壩，壩殼為碎石料，總最大壩高10.9m，壩長1070m(含副壩)?，F(xiàn)壩頂高程148.42m，壩頂寬5.0m，壩頂上游無防浪墻。壩上游漿砌石護(hù)坡，坡比1∶3.5；壩下游碎石護(hù)坡，坡比1∶3.0。在144.0m高程壩后坡設(shè)一寬2.0m馬道。壩后坡腳處設(shè)有貼坡排水體。

勘察工作的重要任務(wù)為：查明新、老兩期壩體的分界線，并查明黏土芯墻的輪廓線。

1 原 理

超高密度電法基本原理是一種陣列式電阻率測量方法，是借鑒地震勘探技術(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的典型應(yīng)用，它集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面的測量，既能揭示地下某一深度水平巖性的變化，又能提供巖性沿縱向的變化情況。從主要調(diào)查對象和數(shù)據(jù)處理和成圖考察，它更具有電剖面的屬性。

2 工作方法及儀器使用

進(jìn)行超高密度電法野外作業(yè)時(shí)，我們首先將兩根專用電纜沿測線布置，再將一定數(shù)量的金屬電極按等間距接地(具體點(diǎn)距由勘探深度決定，勘探深度大致為點(diǎn)距的10倍)，并分別與電纜上的每一道連接，儀器主機(jī)位于兩根電纜中間，兩根電纜也分別接到主機(jī)上，外加電源為12伏蓄電池，蓄電池一方面通過逆變器給專用筆記本電腦供電，另一方面通過主機(jī)給電纜電極供電，正式測量前首先要查道，對于斷道要逐一檢視，盡量保持接地良好，對于極個別不通的道，測試前可剔除掉，正式測量時(shí)，主機(jī)內(nèi)置的程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)，就可以實(shí)現(xiàn)剖面中不同電極距的轉(zhuǎn)換，從而對不同電極排列方式下的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、自動的采集，這樣大大節(jié)省了測量時(shí)間，也實(shí)現(xiàn)了自動采集化的實(shí)現(xiàn)[2]。

超高密度電法每個完整的測量斷面(64道)每次測量一共可得到約6萬對的數(shù)據(jù)量。本次超高密度視電阻率值法勘探采用了0.5m、1.0m兩種不同點(diǎn)距，其中0.5m點(diǎn)距一次測量可覆蓋31.5m長度，勘探深度約5m，0.5m點(diǎn)距主要用來解決查清黏土芯墻輪廓的問題；1.0m點(diǎn)距一次測量可有效覆蓋63.0m長度，勘探深度約10.0m，1.0m點(diǎn)距主要用來解決查清新、老壩體分界線的問題。

本次超高密度視電阻率值法勘探使用儀器是由澳大利亞ZZ Resistivity Imaging研發(fā)中心研制的FlashRES 64多通道超高密度直流電法儀。

3 資料解釋

后期資料處理時(shí)，利用為Flash RES 64多通道超高密度直流電法勘探系統(tǒng)專門配置的處理軟件FlashRES64S.EXE可對野外采集的數(shù)斷面據(jù)進(jìn)行處理，對于單個斷面的短測線，處理后得到單獨(dú)的*.grd格式的文件，而對于由多個斷面組成的長測線，在處理時(shí)還可以通過專用軟件把多個斷面接成一個長德數(shù)據(jù)文件，最終每條測線也得到一個*.grd格式的文件，該文件可進(jìn)一步被等值線繪圖軟件Surfer直接調(diào)用，再利用Surfer繪制該剖面的視視電阻率值剖面圖，最后利用該視視電阻率值剖面圖結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋工作。

依據(jù)每條測線的超高密度反演色譜圖中低阻異常體或高阻異常體的形態(tài)，可進(jìn)一步確定地下地質(zhì)體的形態(tài)特征，以此達(dá)到解決相關(guān)地質(zhì)或工程類問題。

4 工程實(shí)例分析

4.1 新、老壩體分界線勘察

共和水庫興建于1958年，當(dāng)時(shí)是按均質(zhì)土壩建的，續(xù)建于1976年，續(xù)建時(shí)在原壩體上部按黏土心墻壩修建，直至1980年全部完工交付使用。

4.1.1 新老壩體分界線(1958年-1976年)

原有土壩壩體填筑土為黃褐色及深褐色高液限黏土，粉粒含量51%-53%，黏粒含量29%-34%，平均含水率25.5%。

物探工作的一個重要目的是查清新老壩體的分界線，為此，采用1m點(diǎn)距超高密度電阻率勘探，本次在基本垂直壩軸線方向布置11條超高密度電法勘測線，各條測線對應(yīng)的壩軸線樁號為： B—B’線為0+000、C—C’線為0+142、D—D’線為0+220、E—E’線為0+340、F—F’線為0+392、G—G’線為0+520、H—H’線為0+610、I—I’線為0+710、J—J’線為0+812、K—K’線為0+916、L—L’線為1+030。

縱觀11條測線，在超高密度電法斷面色譜圖基本上較清晰地反映出新老壩體交接處的界面形態(tài)，其中，上部新壩體視電阻率在20Ω·m -150Ω·m；老壩體視電阻率在50Ω·m -460Ω·m。由于篇幅所限，本篇附上B—B’線、G—G’線、J—J’線超高密度電法解釋成果。對應(yīng)的反演色譜圖詳見圖1-圖3。

4.2 黏土心墻輪廓線勘察

物探工作的另一個重要目的是查清1976年至今續(xù)建時(shí)的黏土心墻輪廓，為此，我們采用0.5m點(diǎn)距超高密度電阻率勘探，本次在基本垂直壩軸線方向布置11條超高密度電法勘測線其中各條測線對應(yīng)的壩軸線樁號為： B—B’線為0+000、C—C’線為0+142、D—D’線為0+220、E—E’線為0+340、F—F’線為0+392、G—G’線為0+520、H—H’線為0+610、I—I’線為0+710、J—J’線為0+812、K—K’線為0+916、L—L’線為1+030。

縱觀11條測線，可依稀分辨出黏土心墻的輪廓線。其中，心墻部分黏土的視電阻率在20Ω·m -200Ω·m；心墻兩側(cè)反濾料的視電阻率在20Ω·m -480Ω·m，心墻頂高程在147m -147.6m，心墻在壩軸線方向連續(xù)性好，垂直壩軸線方向上寬窄不一，局部相對較窄，心墻頂寬在2m -3.8m，平均寬度2.9m。由于篇幅所限，本篇附上B—B’線、G—G’線超高密度電法解釋成果及黏土心墻上頂寬度變化示意圖。詳見圖4、圖5及圖6。

圖1 B—B’線67.5-98.5m段(1m點(diǎn)距)超高密度電法斷面色譜圖

圖2 G—G’線0-31m段(1m點(diǎn)距)超高密度電法斷面色譜圖

圖3 J—J’線0-31m段(1m點(diǎn)距)超高密度電法斷面色譜圖

圖4 B—B’線71.5-87m段(0.5m點(diǎn)距)超高密度電法斷面色譜圖

圖5 G—G’線4-19.5米段(0.5m點(diǎn)距)超高密度電法斷面色譜圖

圖6 樺南縣共和水庫工程黏土心墻上頂寬度變化示意圖

5 結(jié) 語

事實(shí)證明，在處理此類水利工程領(lǐng)域問題時(shí)，超高密度電法不失為一種行之有效的勘察方法，該方法具有精準(zhǔn)、高效、點(diǎn)距依勘探深度靈活多變等特點(diǎn)，且彩色反演色譜圖更加形象直觀，在今后解決類似工程勘察問題時(shí)必將大放異彩。