綜合物探方法在新建水庫勘察中的應(yīng)用

張以文, 張 衛(wèi), 邱占林, 肖玉林

(1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，濟南 250014；2.龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，龍巖 364012；3.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，淮南 232001)

0 引言

水庫是一種保障基本民生供水、涵養(yǎng)水源、防汛抗旱等的水利工程，在保障民生、社會穩(wěn)定、經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著巨大作用。對于新建水庫的地質(zhì)勘察，是建設(shè)初期首要了解的基本情況[1-2]。快速有效的地質(zhì)勘察，摸清擬建位置的情況，有的放矢的建設(shè)初期除險加固處理，一直是水庫從擬建到運行中安全管理的關(guān)鍵。必須開展水庫勘查隱患勘查，查明相關(guān)地層情況。具體探查的手段分為破壞法和無傷法，為使現(xiàn)狀地層探查中破損程度降至最小，物探手段以快速、無損、成本低等優(yōu)勢被廣泛使用。可以用于水庫探查的物探方法有基于電磁性差異的高密度電法、瞬變電磁法、探地雷達等，基于彈性差異的瑞雷面波、折射波探測技術(shù)和同位素監(jiān)測、多傳感器數(shù)據(jù)融合識別等其他探測手段[3-5]。鑒于地層地質(zhì)情況的復(fù)雜性及單一物探方法分析判斷的多解性，采用多種方法從不同角度對地質(zhì)體進行分析，可大大提升對地層隱患探查的判斷能力。結(jié)合工程實際，筆者對安徽某擬建水庫的壩址進行了并行電法、淺層折射法的綜合物探，通過分析探查的成果數(shù)據(jù)，效果良好。

1 綜合物探方法

1.1 網(wǎng)絡(luò)并行電法

并行電法是由安徽理工大學(xué)[6]提出的，在高密度電法基礎(chǔ)上集電測深、電剖面優(yōu)點于一身的多極距、多裝置、高覆蓋疊加的電法采集處理裝置，并能夠?qū)崿F(xiàn)自然電位、視電阻率和激發(fā)極化參數(shù)等方面的瞬時性解編，使得視電阻率反演影像直觀真實，解釋、解譯分辨率高。

并行電法系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和智能電極的結(jié)合[7-8]，采用類似擬地震道記錄的數(shù)據(jù)采集手段，通過電極對地面提供供電信號完成采集，降低了普通電法手段采集時的各種損耗、成本。根據(jù)電極采集裝置的不同分為兩種：①AM法;②ABM法。供電采集電位數(shù)據(jù)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)并行電法在工程勘察、堤壩監(jiān)測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，解決不少實際問題。

圖1 并行電法采集電位圖Fig.1 Potentiogram collected by parallel electrical method(a)AM法;(b)ABM法

1.2 淺層折射波法

折射波法分為①單邊折射;②相遇折射波法。其工作原理是震源激發(fā)的地震波在傳播中，當遇到地層波速界面會發(fā)生波的反射和折射，通過地面各個位置擺放的檢波器接收最先達到的折射波，計算處理折射波到達地面的時間t0，同時結(jié)合波速參數(shù)來實現(xiàn)對基巖風(fēng)化帶劃分并測出低速破碎帶等情況。其中相遇折射波法可直接對探測界面進行分析與成圖(圖2)，解釋結(jié)果較為直觀。處理解釋有①哈爾斯法;②T0法;③時間場法;④共軛點法。其中哈爾斯法對于基巖面落差較大，基巖內(nèi)有速度異動的情況，能獲取較好的波譜和較高的解釋準確性，故比較適合進行山區(qū)覆蓋層厚度探測[9-12]。

圖2 折射波觀測系統(tǒng)布置圖Fig.2 Arrangement of refraction wave observation system

圖3 測線4電法探測結(jié)果圖Fig.3 Detection results of line 4 electrical method

2 探測實例及分析

2.1 地質(zhì)概況

擬建安徽某水庫是一座中型水利工程，具有供水、防洪功能。總庫容為2.9×107m3，庫區(qū)所在流域?qū)贌o量溪河流域的中上游。建設(shè)區(qū)以低山為主，山前為峽谷，山地的地層巖性變化大。區(qū)內(nèi)植被茂密，左右岸河坡陡峻，河坡局部巖石裸露，覆蓋層不厚，河床段灘地多為耕地。

建設(shè)區(qū)主要為深厚沉積巖，地層主要有志留系下統(tǒng)的安吉組(S1a)和大白地組(S1d)、志留系上中統(tǒng)太平群(S2-3tp)等。擬建壩址主要巖性為細砂巖、細粒巖屑石英砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層；庫中心區(qū)內(nèi)主要是花崗閃長巖、閃長斑巖。河床以砂卵石為主，地層比較復(fù)雜。采用震電綜合手段探查擬建區(qū)域的第四系覆蓋層厚度和基巖(砂巖)風(fēng)化分帶。

2.2 物探綜合剖面布設(shè)

根據(jù)已收集地質(zhì)資料，覆蓋層厚度不大。由于第四系覆蓋土層與下覆基巖之間存在明顯的電性差別，且基巖埋深有限，為了提高探測結(jié)果的精度，現(xiàn)場分不同測線進行并行電法、淺層折射兩種探測方法的數(shù)據(jù)采集。并行電法使用WBD-1型儀器2臺以及專用電纜2根160 m、銅電極等,根據(jù)實際地形布設(shè)測線10條，測點間距為1.5 m～2.5 m，每條剖面最大長度為98 m。折射波法選用KDZ地震探測儀1臺、TZBS高頻檢波14只，18磅重錘等，錘擊法采集測線2條，測點間距為0.5 m～1.5 m，測線最大長度為70 m。

圖4 測線4折射波探測結(jié)果圖Fig.4 Refraction wave detection results of survey line 4(a)折射波記錄;(b)結(jié)果剖面圖

圖5 河床區(qū)三維電阻率切片F(xiàn)ig.5 3D resistivity slice of river bed area

2.3 物探特征解釋

測線較多，以典型測線4為例，進行電法、折射波法解析。

2.3.1 并行電法解釋

通過對擬建區(qū)視電阻率倒三角剖面整體判斷：松散層和其下伏基巖段巖層電阻率值存在很大差別，一般松散層電阻率在190 Ω·m以下、基巖段電阻率在190 Ω·m以上，分界值在190 Ω·m左右；而弱風(fēng)化與微風(fēng)化巖層電阻率分界值基本在400 Ω·m上下。河床左右岸岸坡測線巖體電阻率與河床內(nèi)的也有一定不同，其覆蓋層較薄，大部分電阻率值高于360 Ω·m，且局部也出現(xiàn)電阻率較低的區(qū)域。測線4位于下壩線上，測線起點1號至終點64號測線長度為66 m，探測結(jié)果二維反演如圖3所示，圖3中巖層電阻率分界明顯，可看出其覆蓋層厚度為0 m～5.5 m，而弱風(fēng)化帶界限在4 m～15 m左右。

2.3.2 淺層折射波解釋

圖4為測線4所完成的淺層折射波地震波記錄及其結(jié)果剖面，該剖面對應(yīng)近于測線4中10 m～25 m段，覆蓋層縱波波速為700 m/s～750 m/s，基巖弱風(fēng)化帶縱波波速為2 400 m/s。可判斷覆蓋層厚度在2.0 m～4.0 m左右，與并行電法探測結(jié)果趨于接近。

2.4 物探綜合解釋

綜合并行電阻率法、淺層折射波法探查成果，分析認為：

1)擬建庫區(qū)壩址中河床內(nèi)覆蓋層厚度在0 m～6 m，厚度勻稱。局部較深應(yīng)是古河床原址。兩岸山坡覆蓋層不厚，約在0.5 m上下。覆蓋層松散介質(zhì)電阻率約190 Ω·m以下。圖5為河床底部下方三維電阻率立體圖，直觀展示河床底部地層電阻率沿垂直方向上的變化趨勢[13-14]。

基巖巖層有弱風(fēng)化特性，電阻率值特性明顯，結(jié)合附近鉆孔ZK6(圖6)可判定電阻率值在190 Ω·m～400 Ω·m區(qū)間的巖層為弱風(fēng)化。其中河床下方巖層弱風(fēng)化約在5 m～18.0 m深度，而兩岸河坡基巖段風(fēng)化特性不顯著，局部在6 m以上。

圖6 ZK6地質(zhì)剖面與測線4電阻率剖面對比圖Fig.6 Comparison of ZK6 geological profile and survey line 4 resistivity profile

3 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)有勘察探測手段的不足，通過并行電阻率法、淺層折射法結(jié)合的數(shù)據(jù)采集技術(shù)實現(xiàn)了針對復(fù)雜地質(zhì)條件的精準剖析。通過鉆探試驗，驗證該系統(tǒng)的可靠性。

1)并行電法技術(shù)采用擬地震類的采集模式，同步快速獲取異常地質(zhì)體的電阻率數(shù)據(jù)，為有效快速開展電法探查提供了較好的技術(shù)手段。

2)在新建水庫、除險加固等探查中，綜合物探方法發(fā)揮積極作用。根據(jù)地質(zhì)情況選擇合適的綜合物探手段可以互相補充、佐證，加上必要的實地鉆探驗證，既能保證較準確的探測精度，又能節(jié)約不必要的耗資成本[15-17]。