地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的運用研究

趙 強

（華北地質(zhì)勘查局五一九大隊 河北 保定 071051）

1 引言

巖土工程的主要工作是采用鉆探和原位貫入的方法，取得地層的樣本，然后進行工程力學(xué)的分類。采用地層性質(zhì)分配試驗的方法，例如圓錐貫入和標(biāo)準(zhǔn)貫入實驗，對鉆探和貫入實驗的空間分辨率加以提高，得到了空間和量的測量范圍。由于取樣的范圍較廣，而且量測的空間較大，因此在地球物理的原位的測試上，往往采用傳統(tǒng)的鉆探和原位測量物理勘探的技術(shù)加以互補，對于鉆探前的場址進行調(diào)研，得到了原位鉆探和傳統(tǒng)測試點的調(diào)查的結(jié)果。對于鉆探和原位測試點的調(diào)查，已經(jīng)延伸到了三維立體的信息階段[1]。

2 地球物理勘查技術(shù)概述

地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的應(yīng)用采用的方法包括：自然電場法、激發(fā)極化法、高密度電法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達法和地球物理測井法。每種方法都是較為有效的物探法，能夠很好地達到水文地質(zhì)的勘探精度要求。早期的巖土工程的地球物理勘查，利用跨孔震測、折射和下孔震測的方法，采用了雙道面波頻譜分析對于波速剖面進行了彈性的測量，土壤的動態(tài)承載變形得到了性質(zhì)和模數(shù)的計算結(jié)果，采用不擾動的方式探測出了剖面深度的一維速度，對于邊坡的厚度勘察的分布情況加以分析，一般是采用了三到四層不同的速度進行了勘察。土壤和地下水的污染以及地下水的資源等，被偵測到了巖土的彈性模量，使用直流電法以及電磁法等，獲得了巖土的彈性模數(shù)，除了對于孔隙率和飽和度的差異進行了電阻率的獲得，也獲得了能夠直接獲得巖土的彈性模數(shù)的震測方法，由于物探的工程經(jīng)過判斷，是受到水質(zhì)和溫度等因素的影響因此在進行下孔和跨孔方法的實驗的時候，工程師往往期盼要有很好的成效，但是在一般的工程應(yīng)用中往往不夠普遍[2]。

國內(nèi)常使用的地球物理勘查方法已經(jīng)擁有了許多新的應(yīng)用方向，特別是在走時速度層析成像等新技術(shù)的應(yīng)用上，利用電阻率層析成像的方法進行壩體的安全檢測、工程師在計算機科技的幫助下進行地層內(nèi)部的透視，土壤與地下水水文勘查采用多道瞬態(tài)面波等方法提供更詳細的圖像化結(jié)果，地基改良的質(zhì)量管控等技術(shù)快速進展，主要包括地層土壤液化潛能評估等，顯現(xiàn)出地表資源與環(huán)境的重要性，在多成功案例中，顯示出對于淺地表地球物理勘查技術(shù)在地質(zhì)工程應(yīng)用的推廣極其重要的作用，使得探測數(shù)據(jù)的客觀性得到了進一步的提升，工程師認(rèn)知上的差距得到了大幅度的降低，對地物性質(zhì)與工程性質(zhì)鏈接的不確定性問題、物探在工程中遇到的挑戰(zhàn)與瓶頸，數(shù)據(jù)反演非唯一性問題、勘探深度與分辨率的限制、探測標(biāo)準(zhǔn)化與客觀化的矛盾、實際條件違背反演基本假設(shè)等情況得到了進一步的解決，并擁有了很多實務(wù)對策.在提升地球物理勘探在工程的應(yīng)用的合理性與普及性上取得了很大的進展[3]。

3 地表地球物理技術(shù)應(yīng)用

3.1 采用走時層析成像法對某水利工程中水文情況進行檢測。

該工程為一老舊混凝土拱形重力壩，為檢視整體內(nèi)部混凝土強度的狀態(tài)，沿壩軸方向之垂直剖面進行彈性波層析成像勘探，得到了剖面測線剖面編號，共計規(guī)劃五處。依據(jù)現(xiàn)場條件及需求，采用彈性波層析成像技術(shù)進行了探測，剖面則為水平走向進行檢測，混凝土壩體利用走時層析成像法檢測強度，橫切壩體分布且向下游方向下傾之剖面，H1與H2震源設(shè)置于下游壩面，鉆芯之成果均顯，表明壩體表面強度不足，接收器則水平設(shè)置于上游壩面。案例水庫為近期水庫安全評估沿壩軸方向水平施測；H1剖面斜切垂直剖面L1與L2，水下之淤積庫床上，而H2則斜切L3剖，下傾角度約為21.67°，震源設(shè)置于下游壩面，下傾角度約23.56°。

混凝土強度不足可采用橡膠錘作為人工敲擊式震源，最低速區(qū)仍可達質(zhì)量分類“可”之下界，勘探結(jié)果可合理說明水庫額安全等級，壩軸方向如果發(fā)橫波速降低，且呈現(xiàn)沿均勻帶狀分布，同時P波出現(xiàn)于下游壩面表層附近，則可以判斷壩體內(nèi)部弱化多僅限于1～2m范圍，如果依測線相對位置及傾斜角度，則壩體P波速度層析成像結(jié)果一般為3.0～4.2范圍之間，接收器為德國生產(chǎn)的28Hz速度型水中受波器，對P波速度與混凝土強度之經(jīng)關(guān)系進行數(shù)據(jù)反演分析，如果安全評估中所獲得之混凝土強度成果偏低，則勘探結(jié)果僅顯示在壩體下游面表面施作壩體下游表面的整體波速，對于受到長時間風(fēng)化的影響的嚴(yán)重程度，以及因破裂劣化造成之明顯向內(nèi)部延伸出現(xiàn)的弱帶則無明顯顯示。

3.2 采用電阻率層析成像法對土石壩異常滲漏及土壤以及地下水污染情況進行勘查。

該方法的驗證通過某一水庫土石壩滲漏的案例進行分析，案例水庫管理單位為解決異常滲水問題，加高前于左右壩座分別進行隔幕灌漿，但滲漏問題仍無法獲得改善，經(jīng)過檢測，發(fā)現(xiàn)異常滲漏出現(xiàn)的地方多位于壩的左右山脊，該位置地質(zhì)條件較為惡劣，針對壩面異常滲水之位置較接近左壩座的問題，采用再施作一道隔幕灌漿的方法，在左壩體加高蓄水超過原舊壩頂高程后，又在左壩座、壩頂和下游面通達道路三處布設(shè)實測布點，包括兩處異常低電阻區(qū)，兩處低電阻區(qū)上下鏈接的疑似滲漏路徑，從地電阻影像的結(jié)果，斷定兩處對應(yīng)的異常滲流路徑，其數(shù)值的高低正好對應(yīng)壩面主要滲漏位置，亦取決于地層材料的成分與粒徑分布，低電阻區(qū)域仍遠高于地下水位，經(jīng)過低電阻位置信息與壩體水壓計觀測結(jié)果的對比，對兩處低電阻區(qū)域進行了肯定，確定鄰近同一斷面經(jīng)過整合，為異常滲流區(qū)域，工程人員推測為庫水經(jīng)左山脊?jié)B漏至下游殼層，疑似受到地下含水飽和度的影響，壩體庫容量加高，使得壩頂及下游壩面異常滲漏[4]。

3.3 采用音頻大地電磁測深（EH4）方法在河谷地區(qū)確定第四系含水介質(zhì)的巖性、厚度、埋藏深度及富水地段。

EH4是采用人工場和天然場結(jié)合的一種頻率測深方法，俗稱雙源頻率測深，其低頻部分采用天然場，高頻部分（500Hz以上）采用人工場，該方法勘探深度一般數(shù)十米～-1000米。本次工程采用EH4張量測量的工作方式。儀器首先以時間系列采集電磁脈沖。60ms一次，分14次。每60ms又分為三段，20ms-幀作一次付氏變換。左為20ms的時間域記錄，分Hy,Ex,Ey,Hx四道，右為其付氏變換結(jié)果，一半為振幅，一半為相位，共八道。左邊部分時間域數(shù)據(jù)存入X文件，每20ms、4096樣點，2進制碼。右邊部分頻率域數(shù)據(jù)存入Y文件，ASCⅡ碼。根據(jù)電性特征整體剖面分析進而推測出測區(qū)第四系巖性淺部以砂礫石為主，中深部以砂礫石、中粗砂、粉砂夾粘土亞粘土互層為主，基底巖性以第三系，侏羅系為主。

經(jīng)鉆探驗證實際情況與推測結(jié)果相符。事實證明EH4方法在該地區(qū)抗干擾能力強、信噪比大，曲線完整圓滑，分層能力較強，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量高，適宜于本測區(qū)水文地質(zhì)勘探。

4 結(jié)語

地球物理勘查方法能夠得到完善、準(zhǔn)確的勘查資料，并合理分析和判斷地下巖層水資源分布，為工程的規(guī)劃建設(shè)提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此應(yīng)該得到足夠的重視。

[1]王曉強.地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的運用[J].環(huán)球人文地理,2015,(14):62-62.

[2]胡冕.芻議地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的應(yīng)用[J].新材料新裝飾,2014,(11):67-67,69.

[3]常錚.地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的應(yīng)用研究[J].廣東科技,2014,(8):137-137,133.

[4]廖方興.沙爾湖煤礦區(qū)勘查技術(shù)融合研究[D].西安科技大學(xué),2015.