綜合物探方法在尾礦庫截滲墻勘察中的應(yīng)用

摘 要：【目的】為了快速高效完成擬建壩前截滲墻場地勘察工作，需要對物探方法在勘察工作中的可行性進行研究。【方法】利用瞬變電磁法和天然電場選頻法相結(jié)合的綜合物探方法施測，充分發(fā)揮瞬變電磁法多匝小線圈探測分辨率高和天然電場選頻法設(shè)備輕便靈活、適應(yīng)性強等優(yōu)勢。【結(jié)果】兩種方法相互印證，解決了單一方法多解性問題，提高了勘察精度，圈定了易滲漏區(qū)段，為鉆探布置和截滲墻設(shè)計提供了支撐。【結(jié)論】綜合物探方法在場地勘察中具有效率高、成本低、精度好的優(yōu)勢，在同類地區(qū)場地勘察中值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：截滲墻；場地勘察；瞬變電磁法；天然電場選頻法；綜合物探

中圖分類號：P642.22；P631" "文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0058-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.011

Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method in the Investigation of Impervious Wall of Tailings Reservoir

HAO Haiqiang WANG Jianguo LIU Daquan HAN Lihui

（1.North China Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050021，China;

2. Technological Innovation Center for Groundwater Disaster Prevention and Control Engineering for Metal Mines，Ministry of Natural Resources， Shijiazhuang 050021，China）

Abstract： [Purposes] In order to quickly and efficiently complete the site investigation of the cut-off wall in front of the proposed dam， it is necessary to study the feasibility of geophysical prospecting methods in the investigation work.[Methods] The comprehensive geophysical prospecting method combining transient electromagnetic method and natural electric field frequency selection method was used to measure， giving full play to the advantages of high resolution of multi-turn small coil detection of transient electromagnetic method and light， flexible and adaptable equipment of natural electric field frequency selection method.[Findings] The two methods confirm each other， solve the problem of multiple solutions of a single method， improve the survey accuracy， delineate the easy leakage section， and provide support for drilling layout and cutoff wall design.[Conclusions] The comprehensive geophysical prospecting method has the advantages of high efficiency， low cost and good accuracy in site investigation， and should be popularized and applied in site investigation in similar areas.

Keywords： impervious wall; site investigation; transient electromagnetic method; natural electric field frequency selection method; comprehensive geophysical prospecting

0 引言

尾礦庫在國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著重要的地位。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2017年底，我國現(xiàn)有尾礦庫7 793座［1］，尾礦庫一旦滲漏勢必會對周邊環(huán)境造成嚴重污染，已引起高度重視。壩前截滲墻是解決尾礦庫滲漏問題的有效方法之一，已得到廣泛應(yīng)用，能否科學(xué)、合理、低成本解決問題的關(guān)鍵在于前期勘察工作的準(zhǔn)確性，工程鉆探及相關(guān)試驗是最直接有效的方法，但由于鉆探工作只能在某些點上開展，難以形成連續(xù)的勘察效果，而綜合物探方法［2-4］連續(xù)性優(yōu)勢能夠彌補其缺陷。本次工作在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市林西縣某礦山尾礦庫壩前截滲墻勘察中使用了瞬變電磁法和自然電場法相結(jié)合的綜合物探方法，圈定了可能發(fā)生滲漏的區(qū)段，為后期鉆探勘察孔的布置和截滲墻設(shè)計提供了依據(jù)，對同類工作具有一定的借鑒意義。

1 工作區(qū)地質(zhì)特征

以往工程勘察資料顯示，擬建截滲墻場地地層主要為第四系（Q₄）覆蓋層及第三系地層，地層及巖性自上而下為第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Q₄^dl+pl），巖性為粉土，揭露層厚0.30～13.7 m，揭露層底標(biāo)高750.31～810.26 m；第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q₄^al+pl），巖性為粉質(zhì)黏土，下部含有少量礫石，揭露層厚2.30～6.60 m，揭露層底標(biāo)高786.19～791.36 m；上第三系巖層（N），巖性為安山巖，黏性土充填，極破碎，揭露層厚0.40～3.90 m，揭露層底標(biāo)高753.78～809.66 m。

勘察場地所在區(qū)域位于大興安嶺新華夏系構(gòu)造帶之南端及燕山弧形構(gòu)造帶之北的過渡地帶。主要構(gòu)造形跡有華夏系構(gòu)造、新華夏系構(gòu)造和東西向構(gòu)造等。華夏系和新華夏系主要表現(xiàn)為多字形構(gòu)造。組成巖性大多為二長花崗巖、玄武巖、粉砂質(zhì)板巖、凝灰?guī)r等，剝蝕地貌；根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，斷層均為非全新活動斷裂，已處于穩(wěn)定狀態(tài)。現(xiàn)場踏勘調(diào)查及鉆探資料顯示，場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)影響場地穩(wěn)定性的活動斷裂。

勘察場地周邊僅尾礦庫內(nèi)鉆孔見有地下水，類型為潛水，穩(wěn)定水位在792.57～794.18 m，含水層為粉土，受大氣降水及生產(chǎn)用水年差異性補給，水位變化幅度為 1.0～3.0 m。勘察區(qū)具有從丘陵到河谷洼地的地下水補給、徑流、排泄的全過程，但地下水運動緩慢，交替弱。尾礦庫庫底表層為粉土，植被發(fā)育一般，富含植物根系，利于降水入滲，但因沒有較好的賦水空間，降水滲入之后，一部分蒸發(fā)排泄，一部分向下游運移，補給第四系地層。蒸發(fā)是該區(qū)的主要排泄方式，該區(qū)地下水的水化學(xué)類型一般為HC0₃^-Ca?Na或HC0₃^-Na?Ca型，礦化度小于1 g/L。

2 地球物理特征

電阻率與地層的巖性、巖石孔隙度及巖石孔隙中液體的性質(zhì)有著十分密切的關(guān)系。電阻率與介質(zhì)孔隙度和含鹽飽和度的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示，從圖1的實測結(jié)果可以看出，電阻率對孔隙度和含鹽飽和度的變化量具有明顯的作用，當(dāng)?shù)貙映霈F(xiàn)破碎、密集微裂隙時，便會出現(xiàn)更加靈敏的反應(yīng)。因此電阻率法探測對識別地層滲漏、溶洞、斷層、破碎帶及其污染源等方面非常有效。

本次勘察工作是為了查明截滲墻底部巖層的水文地質(zhì)條件及尾礦庫壩前截滲墻底部巖層裂隙發(fā)育程度與分布規(guī)律。主要的探測目標(biāo)為地下含水層及裂隙帶，利用裂隙與圍巖間明顯的電阻率差異，瞬變電磁法與天然電場選頻法對其具有較好的分辨能力，因此在勘察場地采用這兩種物探方法是可行的，具備地球物理勘探的前提條件。

3 野外工作方法與技術(shù)

3.1 物探技術(shù)方法的選擇

目前，國內(nèi)外水工環(huán)勘察主要方法手段以鉆探、水文地質(zhì)試驗和地球物理勘探為主，作為基本技術(shù)手段的地球物理勘探技術(shù)具有顯著優(yōu)勢和重要作用。由于單一物探方法只能測定一種主要的地球物理參數(shù)，解譯過程中具有多解性，在勘探中往往具有一定的局限性，不能滿足獲取更多地質(zhì)信息的需求，兩種及兩種以上的綜合物探方法能夠相互印證，可降低解譯的多解性，已成為勘探中常用的方法。

根據(jù)本次工作目的與任務(wù)，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌及當(dāng)下工作區(qū)夜間溫度已低于-10 ℃的情況，地下凍土層早已存在，由氣象資料可知土壤凍結(jié)深度在1.80 m左右，電阻率法等接觸類方法在該區(qū)無法開展工作，為此選擇了瞬變電磁法［5］和天然電場選頻法［6］兩種物探方法開展勘察工作。其中，天然電場選頻法儀器設(shè)備輕便，數(shù)據(jù)接收探頭小巧靈便，數(shù)據(jù)采集過程不受地形地貌及地表植被影響，可沿防滲墻中軸線開展工作，但由于選取天然場中部分頻點數(shù)據(jù)作為信號源，對地層精細劃分方面稍顯不足；瞬變電磁法由于采集數(shù)據(jù)信息屬二次場信息，受地形影響小，探測精度高，微小地質(zhì)體可在探測結(jié)果中顯示出來，但發(fā)射和接收線圈受地表植被影響大，若有樹木和高大灌木叢則無法開展工作。兩種方法相結(jié)合，既克服了選頻法探測精度不高的缺點，又克服了瞬變電磁法難以以直線為測線的不足，在解釋過程中兩種方法互為印證，可達到本次勘察目的，取得良好探測效果。

3.2 工作原理及參數(shù)

瞬變電磁法是利用不接地回線向地下發(fā)送一次磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，通過在地面觀測和研究測量線圈觀測到的二次渦流磁場感應(yīng)電動勢隨時間變化規(guī)律，獲取地電分布信息，達到勘察目的的物探方法。良好的勘察效果取決于合適的工作參數(shù)，本次數(shù)據(jù)采集所用的儀器為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WTEM-1Q型淺部瞬變電磁勘探系統(tǒng)，裝置類型為中心回線裝置：發(fā)射線圈正方形回線，邊長5 m，發(fā)射線圈8匝，接受線圈正方形回線，邊長5 m，接收線圈匝數(shù)9匝。數(shù)據(jù)采集儀器參數(shù)為發(fā)射頻率4 Hz，供電電壓19 V，關(guān)斷時間86 μs，發(fā)射電流4.888～6.935 A，前放增益8，主放增益32。

天然電場選頻法是以地下巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，利用大地電磁場為場源的一種物探方法，通過沿剖面逐點測量不同頻率的大地電磁場在地面產(chǎn)生的電分量（磁分量）變化情況，得出反映地電信息的電性剖面，以達到解決工程地質(zhì)等問題的目的。本次工作使用的是上海艾都能源科技有限公司生產(chǎn)的ADMT-100S型選頻儀，數(shù)據(jù)采集使用平行移動法觀測方法，測得的M、N之間的電位差記作△U‖s，以MN的中點O為記錄點，曲線為△U‖s異常曲線，使用磁場探頭代替電場方法進行探測。

3.3 測線布置

本次截滲墻勘察布置了瞬變電磁法勘探線2條，測線點距5 m。其中，測線1#：測點編號為jk1～jk23，測線方向為北東—南西向；測線2#：測點編號為Pt1～Pt99，測線方向為北東—南西向，瞬變電磁法測線布設(shè)示意如圖2所示。布置選頻法勘探線1條，測線點距5 m測線編號為1#，測點編號為jk1～jk100，測線方向為北東—南西向，天然電場選頻法測線布設(shè)示意如圖3所示。測點布設(shè)以1∶1 000地形地質(zhì)圖為基礎(chǔ)，由測量人員根據(jù)理論坐標(biāo)采用科力達k9型RTK確定各物探點的實地位置，將寫有點號的紅布條系在使用過的一次性筷子上定在勘察場地作為標(biāo)記，方便測量過程中準(zhǔn)確定位。

4 物探資料處理與推斷解釋

4.1 資料處理

瞬變電磁法資料處理使用吉林大學(xué)的GeoElectro電法數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，全部過程由計算機計算、處理完成，主要包括以下幾個步驟：原始資料驗收，數(shù)據(jù)導(dǎo)入與格式轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)截斷與光滑，瞬變電磁響應(yīng)多測道電壓剖面圖繪制，視電阻率的計算，反演計算及成圖。

選頻法資料處理首先將數(shù)據(jù)傳入計算機，使用suffer制圖軟件對原始數(shù)據(jù)進行初步處理，再使用艾都智能處理軟件調(diào)入初步處理的剖面數(shù)據(jù)，進行場源處理、深度計算等，最后使用suffer制圖軟件對深度文件繪制視電阻率剖面圖。

4.2 推斷解釋

4.2.1 瞬變電磁法2#剖面解釋推斷。瞬變電磁法2#剖面經(jīng)處理后生成了電阻率對數(shù)值斷面如圖4所示。由圖4可知，表層電阻率呈現(xiàn)相對高阻特征，說明第四系覆蓋層與巖體強風(fēng)化帶內(nèi)含水性較差，在剖面深度20～70 m范圍內(nèi)電阻率基本連續(xù)且呈現(xiàn)低阻特征，但低阻有高有低，說明此段地層巖體裂隙帶內(nèi)相對含水，地層具有一定滲透性，且連通性不均勻。沿剖面延伸方向，視電阻率存在垂向低阻特征，且垂向貫通，說明有垂向裂隙帶存在。垂向裂隙帶分別位于剖面0～50 m、100～150 m、310～370 m和410～490 m位置，對應(yīng)測點點號為Pt1～Pt11點、Pt21～Pt31點、Pt63～Pt75點、Pt83～Pt99點。

4.2.2" 瞬變電磁法1#剖面解釋推斷。瞬變電磁法1#號剖面通過對原始資料進行處理，獲得了二維視電阻率剖面圖，并作出了對數(shù)值剖面圖，如圖5所示。由圖5可知，表層視電阻率呈現(xiàn)相對高阻特征，說明第四系覆蓋層與巖體強風(fēng)化帶內(nèi)富水性較差，在剖面深度15～60 m范圍內(nèi)視電阻呈現(xiàn)基本連續(xù)低阻特征，但低阻有高有低，說明此段地層巖體裂隙帶內(nèi)相對含水，地層具有一定滲透性，有些部位連通較好，有些部位連通較弱。沿剖面延伸方向，0～40 m處電阻率存在垂向低阻特征，且垂向貫通，垂向深度在40 m以下，說明有垂向裂隙帶存在，對應(yīng)測點點號為jk1～jk8點。剖面視電阻率低阻帶呈現(xiàn)從該剖面終點向剖面起點傾斜的特征，傾斜角度45°左右，該特征與瞬變2#剖面一致，說明此段賦存向剖面起點傾斜富水裂隙層面。

4.2.3 天然電場選頻法剖面解釋推斷。天然電場選頻法1#號剖面通過對原始資料進行處理，獲得了二維視電阻率剖面，并作出對數(shù)值剖面圖，如圖6所示。通過對視電阻率剖面圖分析，位于測線100～180 m處，視電阻率具明顯的高阻異常特征，垂向為直立傾向的高阻，推斷為貫穿地表的裂隙帶反應(yīng)，結(jié)合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，推測上部因疏干作用不含水，但下部應(yīng)含水，具有較好的滲透性。在剖面300～495 m處，底部視電阻率較低，說明底部裂隙富水，且具有一定滲透性。在沿剖面0～45 m處，呈現(xiàn)垂向貫穿的相對低阻特征，說明存在垂向低阻裂隙帶，具有一定滲透性。剖面上各滲透段對應(yīng)的點位為jk1～jk10號點、jk21～jk37號點、jk61～jk100號點。

4.2.4 物探資料綜合解釋。通過對瞬變電磁法和選頻法測量資料的綜合分析，結(jié)合地質(zhì)資料，在勘察范圍內(nèi)第四系和基巖強風(fēng)化帶的富水性相對較弱。對比不同剖面的視電阻率低阻特性，視電阻率低阻特征具有一定的對應(yīng)性，說明剖面之間具有一定的連通性。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查得知，測區(qū)內(nèi)曾有兩口水井，有一定水量，但水量很小，水位在20～25 m，推測滲透能力較弱。沿剖面方向，在深度15～75 m范圍內(nèi)存在富水裂隙，剖面之間有連通的富水裂隙，具有一定的滲透性，其裂隙發(fā)育深度大于100 m。

根據(jù)2條物探剖面垂直富水裂隙的物探異常特征及空間關(guān)系，在勘察范圍內(nèi)推測出3段滲漏區(qū)域，物探綜合解釋推斷成果如圖7所示。此外，在勘探過程中，盡管加長了勘探線的長度，勘探線的首尾端點仍存在低阻垂向含水裂隙帶特征，不能排除壩前截滲墻兩端部位滲透的可能性。

5 結(jié)語

在冰凍期無法利用接地類物探方法進行場地勘察時，通過瞬變電磁法和天然電場選頻法測量，獲取了勘察范圍內(nèi)尾礦庫壩前截滲墻底部地層的水文地質(zhì)條件以及地層裂隙發(fā)育程度與分布規(guī)律，圈定了可能發(fā)生滲漏的區(qū)段，為后期鉆探孔位布置和截滲墻設(shè)計提供了基礎(chǔ)性資料。物探方法成本低、效率高，在水工環(huán)勘察工作中具有一定優(yōu)勢，應(yīng)廣泛推廣應(yīng)用。

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