高密度電法在江源水庫壩基右岸山體巖溶勘察中的應(yīng)用

王兆龍

（湖南省礦產(chǎn)資源調(diào)查所，湖南郴州 423000)

0.引言

江源水庫位于湖南省郴州市北湖區(qū)石蓋塘鎮(zhèn)光明村境內(nèi)，受當(dāng)時條件限制，工程地質(zhì)勘察工作較少且施工技術(shù)相對落后，建成后存在不同程度的滲漏問題。蓄水到328.0m～330.0m段位時，壩基右岸與山體的結(jié)合部位出現(xiàn)了明顯的漏水現(xiàn)象，在下游有明顯流出口。因此，對水庫滲漏區(qū)域及隱患位置開展檢測和識別刻不容緩。水庫滲漏的傳統(tǒng)探測方法是鉆探，該方法不僅費時、費力，還具有破壞性且結(jié)果只代表一處，很難廣泛使用[1]。為避免安全隱患和治理修復(fù)的盲目施工，在調(diào)研分析原設(shè)計、施工、驗收等資料，現(xiàn)場漏水點位置，以及滲漏區(qū)與圍巖電性差異的基礎(chǔ)上采用高密度電法等物探手段，并輔以鉆探驗證對水庫壩體和基礎(chǔ)滲漏情況進行分析。運用Geogiga Rimager、二維高密度電法分析、RES2DINV反演等軟件對采集數(shù)據(jù)進行處理后綜合分析正反演結(jié)果、鉆孔資料，可查明主要滲漏通道的位置、埋深及空間發(fā)育規(guī)律[2]。

1.工程地質(zhì)概況

1.1 水庫概況

江源水庫于2013年基本建成，是一座以城市供水為主，兼顧灌溉及防洪的中型水利工程。水庫控制流域面積49.3km2，總庫容1440×104m3，主要由大氣降水和河水補給。大壩為漿砌石重力壩，壩頂高程343m，壩高63m。庫區(qū)屬低山峽谷地貌，河谷呈“U”字型，兩岸山頂高程450m～500m，地形坡角25°～60°。

1.2 地層巖性

庫區(qū)基巖在河床被第四系松散堆積物全部覆蓋，兩岸山坡局部露頭較好，大多有第四系殘坡積層覆蓋。出露的地層為石炭系石蹬子組灰?guī)r和測水組砂頁巖，第四系為沖洪積層之砂卵石夾漂礫層和殘坡積層紅色粘土?，F(xiàn)由老至新分述如下：

（1）石炭系石蹬子組（C1s）：以灰色及青灰色至深灰色厚至中厚層粉晶、泥晶、細晶灰?guī)r為主，夾鈣質(zhì)頁巖及泥質(zhì)灰?guī)r，受巖體侵入的影響，局部大理巖化。厚度368m～594m，巖體相較穩(wěn)定，庫區(qū)兩岸均為此組巖石。與花崗巖呈侵入接觸，接觸面呈港灣狀、不規(guī)則狀。

（2）石炭系測水組（C1c）：為淺灰色至深灰色薄至中層細粒石英砂巖，局部含無煙煤。呈透鏡狀、扁豆?fàn)?、局部似層狀，層次和厚度都不穩(wěn)定。該段厚度40m左右，主要分布在庫區(qū)西北部、北部，庫區(qū)東南部也有少面積出露，與下伏巖層呈整合接觸。

（3）第四系（Q4）：沖、洪積層主要分布于河床及河漫灘中，為花崗巖滾石層，少量灰?guī)r、砂巖卵礫石；坡殘積層主要分布于兩岸表層，由砂巖及灰?guī)r塊石夾粘土組成。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

庫區(qū)構(gòu)造位于南嶺緯向構(gòu)造帶中段北緣，耒陽-臨武南北向構(gòu)造帶東緣與茶陵-永興新華夏系拗陷帶的復(fù)合部位，該區(qū)主要表現(xiàn)為南北向構(gòu)造即斗沖壓性斷裂和壓扭性斷裂。巖層傾向右岸稍偏下游，大致屬縱向河谷，巖層產(chǎn)狀對庫區(qū)防滲不利。

2.水庫滲漏分析

常見的水庫大壩的滲漏類型有很多，如壩基滲漏、壩身滲漏、繞壩滲漏以及放水涵管滲漏等。主要是由于大壩滲漏的位置不同而導(dǎo)致出現(xiàn)不同程度的滲漏問題。

江源水庫建壩時，清基開挖雖已把表面肉眼能夠看到的溶蝕層清除，但壩基及周邊淺深部仍然存在強溶蝕層。地表水和地下水對可溶性巖以溶蝕為主的長期地質(zhì)作用形成了巖溶，溶蝕裂隙嚴(yán)重發(fā)育形成滲漏通道導(dǎo)致滲漏。另外施工質(zhì)量若得不到很好的保障，填筑物料質(zhì)量不達標(biāo)或碾壓不夠密實導(dǎo)致孔隙率過大，以及防滲處理不到位，也會形成滲漏通道導(dǎo)致滲漏。江源水庫蓄水達到一定水位后，庫水會從壩基與右岸山體結(jié)合部滲漏出來，因此初步推斷屬于繞壩滲漏。

滲漏區(qū)域介質(zhì)含水量比圍巖大因而電阻率通常極低，介質(zhì)之間存在明顯的電性差異是進行高密度電法勘探的前提。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，下游出露較多漏水點且分布集中，說明滲漏區(qū)發(fā)育規(guī)模較大，滿足高密度電法勘探分辨率的要求。溶蝕裂隙內(nèi)填充物有水或土?xí)r視電阻率一般呈現(xiàn)出低阻異常，無填充或部分填充時一般呈現(xiàn)高阻異常，異常形態(tài)上通常表現(xiàn)為團塊狀、條帶狀等。從電場的角度來分析，由于滲漏通道被水充填，通常表現(xiàn)為相對高阻背景中的低阻異常，根據(jù)電阻率的異常特性可推斷滲漏的通道。

3.高密度電法適用性、工作原理及裝置選擇

3.1 適用性分析

高密度電法是根據(jù)視電阻率的高低分布情況來判斷場地的地下環(huán)境特征，因此合理且精確的視電阻率數(shù)據(jù)是極其重要的[3]。根據(jù)對江源水庫初步地質(zhì)勘查，區(qū)內(nèi)主要為中低山地貌，地層結(jié)構(gòu)較簡單，且無地表水系穿越，良好的地質(zhì)環(huán)境有利于數(shù)據(jù)的采集和正確解譯。根據(jù)高密度電法原理相關(guān)參數(shù)和地質(zhì)環(huán)境特征綜合分析得出高密度電法適用于該區(qū)域。

3.2 工作原理

高密度電法是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，研究在人工外加電場作用下地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律[4]，通過積分變換（如Radon變換、Fourier變換等）、迭代反演、重建地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，從而探明地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，實際上是一種陣列式電阻率勘探方法[5]。該方法能揭示地下二維空間的地電信息，反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)[6]。

3.3 裝置選擇

排列裝置的選擇是影響勘探效果的重要因素，不同的裝置對于不同的探測目標(biāo)具有不同的分辨率和探測深度。工作中常用的幾種裝置，單極-單極裝置的異常幅值最小，但信號的震蕩卻出現(xiàn)最早；偶極-偶極裝置的異常幅值較大，分辨能力雖強，但信號震蕩卻很激烈；溫施裝置異常幅值不大，但是信號震蕩較激烈；溫納裝置異常幅值不大，信號震蕩較小。因此，本次探測選擇了抗干擾能力強、對滲漏低阻異常分辨效果好的溫納裝置。

4.資料處理與解釋

根據(jù)滲漏區(qū)域發(fā)育位置、大壩走向、地球物理前提、工作目的及施工條件，圍繞壩基右岸與山體結(jié)合部位處共布設(shè)6條高密度電法測線。根據(jù)物探測試結(jié)果，對推測的巖溶發(fā)育區(qū)進行鉆探驗證，共布置驗證孔6個。高密度電法測線、鉆孔位置及推測滲漏通道如圖1所示。

圖1 高密度電法測線、鉆孔位置及推測滲漏通道圖

4.1 高密度電阻率法的測試成果與分析

根據(jù)滲漏區(qū)域發(fā)育位置，以水庫壩基右岸與山體的結(jié)合部位為中心，布置多條物探剖面，盡可能多地采集地電信息。物探線根據(jù)施工便利性方向為：自北向南，從低到高。根據(jù)以往工作經(jīng)驗可知，在層狀介質(zhì)下RES2DINV反演相對較好，在不均勻介質(zhì)下（特別是地下洞穴探測）RES2DINV反演光滑作用較強。因此數(shù)據(jù)解譯分析時以實測電阻率為主，反演電阻率為輔。通過物探測試溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)在電法剖面上顯示為低阻異常，根據(jù)裂隙發(fā)育區(qū)在電法剖面上的顯現(xiàn)特征，對其物探成果進行對比分析，壩基與右岸山體結(jié)合部的重點區(qū)域物探成果如圖2～圖7所示。

圖2 物探W2線視電阻率等值線圖

圖3 物探W2線視電阻率反演圖

圖4 物探W3線視電阻率等值線圖

圖5 物探W3線視電阻率反演圖

圖6 物探W5線視電阻率等值線圖

圖7 物探W5線視電阻率反演圖

物探W2線0m～30m主要為測水組地層，30m～450m主要為石磴子組地層，第四系風(fēng)化殘坡積物較薄，部分區(qū)域有灰?guī)r出露地表且灰?guī)r含炭較高，淺部強風(fēng)化區(qū)溶蝕裂隙比較發(fā)育。

24m～144m，160m～200m位置發(fā)現(xiàn)低阻異常體存在，結(jié)合反演結(jié)果和地層情況推測為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)，部分區(qū)域存在溶洞且存在滲漏通道。其中96m～130m位置為重點探測區(qū)域，推斷該區(qū)域下方5m～15m處溶蝕裂隙發(fā)育，200m～450m位于重點探測區(qū)之外，部分區(qū)域電阻相對較低，推斷為含炭灰?guī)r區(qū)所致。

物探W3線0m～150m主要為主要為測水組地層，150m～600m主要為石磴子組地層，第四系風(fēng)化殘坡積物較薄，其中0m～72m處為水田，電法剖面上顯示為低阻，72m～180m處有碎石堆，電法剖面上顯示為高阻區(qū)，測線中后段有灰?guī)r出露，淺部強風(fēng)化區(qū)溶蝕裂隙比較發(fā)育。

180m～340m位置發(fā)現(xiàn)低阻異常體存在，結(jié)合反演結(jié)果和地層情況推測為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)，部分區(qū)域存在溶洞且存在滲漏通道。其中230m～250m位置為重點探測區(qū)域，推斷該區(qū)域下方5m～16m處溶蝕裂隙發(fā)育，340m～600m位于重點探測區(qū)之外，部分區(qū)域電阻相對較低，推斷為含炭灰?guī)r區(qū)所致。

物探W5線主要為石磴子組地層，第四系風(fēng)化殘坡積物較薄，0m～48m處靠近水庫排水渠，140m～240m處有大面積的灰?guī)r出露，電法剖面上顯示為低阻，淺部強風(fēng)化區(qū)溶蝕裂隙比較發(fā)育。

120m～240m位置發(fā)現(xiàn)低阻異常體存在，結(jié)合反演結(jié)果和地層情況推測為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)，部分區(qū)域存在溶洞且存在滲漏通道。其中140m～160m位置為重點探測區(qū)域，推測該區(qū)域240m～450m位于重點探測區(qū)之外，部分區(qū)域電阻相對較低，推斷為含炭灰?guī)r區(qū)所致。

4.2 鉆探驗證

根據(jù)物探推測的溶蝕裂隙范圍，共布置6個鉆孔進行驗證。鉆孔驗證情況如下：

物探W1線24m～60m異常段約35m位置經(jīng)鉆孔ZK5驗證節(jié)理裂隙發(fā)育且有方解石脈呈網(wǎng)狀分布，巖芯較完整，該位置鉆探時無漏水現(xiàn)象，鉆探驗證結(jié)果與高密度電法探測結(jié)果一致。

物探W2線24m～144m異常段約123m位置經(jīng)鉆孔ZK2驗證節(jié)理裂隙發(fā)育且有方解石脈呈網(wǎng)狀分布，巖芯破碎且含炭較高。鉆孔5m～7m處灰?guī)r含炭高，7.3m～7.5m溶蝕裂隙嚴(yán)重發(fā)育，該位置鉆探時有漏水現(xiàn)象，鉆探驗證結(jié)果與高密度電法探測結(jié)果一致。

物探W3線180m～340m異常段約237m位置經(jīng)鉆孔ZK1驗證節(jié)理裂隙發(fā)育且有方解石脈呈網(wǎng)狀分布，巖芯破碎且含炭較高。7.4m～15.8m處鉆探進尺較快，局部區(qū)域有小晶洞，該位置鉆探時有明顯漏水現(xiàn)象，鉆探驗證結(jié)果與高密度電法探測結(jié)果一致。

物探W4線0m～120m異常段約15m位置經(jīng)鉆孔ZK2驗證溶蝕裂隙嚴(yán)重發(fā)育，該位置鉆探時有漏水現(xiàn)象。由于鉆孔位置位于測線起點附近，收集到的數(shù)據(jù)較少，但該位置下方明顯呈低阻趨勢，因此鉆探驗證結(jié)果與高密度電法探測結(jié)果基本一致。

物探W5線120m～240m異常段約147m位置經(jīng)鉆孔ZK4驗證節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎且溶蝕面小晶洞發(fā)育，深約14m處存在溶洞，深約24m溶蝕小晶洞發(fā)育，鉆探時有漏水現(xiàn)象；約155m位置經(jīng)鉆孔ZK6驗證溶蝕裂隙發(fā)育且有方解石脈呈網(wǎng)狀分布。鉆探驗證結(jié)果與高密度電法探測結(jié)果一致。

物探W6線120m～230m異常段約167m位置經(jīng)鉆孔ZK3驗證節(jié)理裂隙發(fā)育且有方解石脈呈網(wǎng)狀分布，巖芯局部呈破塊狀出現(xiàn)且含炭質(zhì)，3m～3.5m、5m～5.2m處溶蝕裂隙嚴(yán)重發(fā)育，鉆探時有明顯漏水現(xiàn)象，鉆探驗證結(jié)果與高密度電法探測結(jié)果一致。

4.3 三維成果圖解譯

通過制圖軟件可以將數(shù)據(jù)成果集成于一個交互的三維立體空間，得到可視化的三維成果數(shù)據(jù)。不同深度、不同方向上的地層電阻率變化規(guī)律及特征可在三維立體空間上直觀地展示出來。從三維柵欄圖（見圖8）可看出：大壩與山體結(jié)合部存在1條貫通性滲漏通道，滲漏通道規(guī)模較大，且隨著滲徑的延長，規(guī)模進一步擴大符合滲漏通道的空間發(fā)育規(guī)律。把此滲漏通道展示在工區(qū)平面圖中發(fā)現(xiàn)，滲漏通道沿大壩與山體結(jié)合部向下投影區(qū)域內(nèi)有漏水點，與物探、鉆探結(jié)果相互印證。水庫高水位時壩基右岸與山體結(jié)合部下游區(qū)域有漏水現(xiàn)象但大壩主體部位未見漏水，水庫低水位時未發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象，因此該區(qū)域性低阻異?；究膳卸樗畮炖@壩滲漏通道。

圖8 三維柵欄圖

5.結(jié)語

（1）高密度電法廣泛應(yīng)用于水庫滲漏檢測，是一種經(jīng)濟、快捷、高效的檢測方式。把江源水庫采集的電法數(shù)據(jù)進行正反演模擬并與地質(zhì)、鉆探資料綜合分析，發(fā)現(xiàn)滲漏區(qū)域在正反演剖面上均有異常響應(yīng)且與地質(zhì)、鉆探資料相互印證，驗證了高密度電法探測滲漏通道的有效性。

（2）高密度視電阻率的高低與巖溶發(fā)育程度及巖性息息相關(guān)。對于不同的巖溶發(fā)育帶或巖性，視電阻率范圍背景值是有差異的，不能一概而論。視電阻率異常的判斷取決于視電阻率是否存在顯著差異，而非視電阻率絕對值的高低。

（3）高密度電法的測量結(jié)果是地質(zhì)體的綜合反應(yīng)，與地質(zhì)體的實際大小及形狀存在一定的誤差?？紤]到物探成果的多解性，利用這些成果時需將物探成果與地質(zhì)、鉆探等資料進行綜合解譯分析，才能得到更為精確的結(jié)果。

（4）工區(qū)布設(shè)6條高密度電法測線及6個驗證鉆孔，本次探測發(fā)現(xiàn)壩基右岸與山體結(jié)合部位存在1條繞壩滲漏通道，且在空間上發(fā)育廣泛，為徹底解決滲漏問題，建議在滲漏通道關(guān)鍵位置有針對性地進行帷幕灌漿或采取更有效的處理方式。

（5）高密度電法結(jié)合地質(zhì)、鉆探資料驗證在本次水庫滲漏通道勘察中取得了良好的效果，說明了該方法具有推廣和應(yīng)用的價值。