第四系地層孔隙潛水調查方法及實踐

趙 楠 王志豪 張美多 何燦高 邱 鍇 趙吉祥

第四系地層孔隙潛水調查方法及實踐

趙 楠 王志豪 張美多 何燦高 邱 鍇 趙吉祥

（中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222）

本文簡要介紹了探測地下水空間分布的主要物探方法，結合工程實踐重點對第四系松散堆積層內孔隙潛水的賦存條件及相應探測方法進行了歸納分析，并對應用效果做了簡要評價，同時指出了工作中應予注意的幾個問題，可供業內技術人員參考借鑒。

地下水探測 地層結構 探測方法 物性參數 方法有效性試驗 綜合物探

1 引言

水是人類賴以生存和發展的重要資源，科學合理地開發、利用和保護水資源尤為重要。我國北方特別是西北地區降水量小而蒸發量大，地表徑流多為小規模內陸河流.，電站多以低壩長距引水梯級開發形式建設，因冬季寒冷且延續時間長，可采用“抽水融冰”方案即在經濟合理、技術可行前提下開采溫度較高地下水匯入引水渠，消融冰層，確保電站正常運轉。因此，探測引水線路沿線地下水空間分布情況的重要性不言而喻。

2 方法簡介

按賦存條件，地下水一般可分為孔隙潛水和基巖裂隙水等，探測方法視賦存及場地、環境條件和工程要求不同也不盡相同。目前常用找水物探手段主要為電法、電磁法、地震法以及核磁共振法等。除核磁共振為通過測量地層中具有核子順磁性的氫原子核而直接找水外，其它皆為通過探測含水層實現找水的間接方法。

2.1電法

基于介質電性差異的常規電法主要包括電測深、激電測深及高密度電法等。

影響巖土體電阻率的因素主要為巖性、含水率、粒徑、密實度等。對于非飽和第四系地層，其含水率、密實度越高，粒徑越小，電阻率越低，反之則電阻率高。水位以下巖土層電阻率則多受巖性及粒徑等制約。一般含水層、相對隔水層或飽和地層相對于背景呈現高導電性，但隨著地層組成成分不同也有例外。

激電測深二次場的衰減特性對地層含水情況有較好的反映，即極化率、半衰時、激發比與地層含水情況密切相關，含水層的極化率、半衰時等均有相應高值反映。

2.2EH4電磁成像系統

EH4高頻電磁測深是重點解決淺、中深度范圍內工程及水文地質問題的雙源型電磁系統，通過觀測電性參數在二維空間的分布特征來確定地層結構、構造破碎帶發育情況等，進而預測地下水的空間分布。

2.3瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM) 是利用不接地回線或接地電極向地下發送脈沖式一次電磁場，通過觀測感生的二次電磁場空間和時間分布而解決地質問題的時間域電磁法。在確定水文地質構造類型、探測沖洪積層地下水位和基巖埋深等問題中均有較好應用效果。

2.4地震法

對于第四系松散堆積層而言，影響其縱波速度的主要因素為巖性、組分及含水量、密實度等。粗顆粒含量及含水率高的地層具有更高的波速，飽和地層的波阻抗高于低含水率地層，此即為地震波折射和反射法探測地下水的前提。

2.5核磁共振（NMR）法

核磁共振是指具核子順磁性、磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發生塞曼分裂，共振吸收某特定頻率射頻輻射的物理過程。

地下水中的氫原子核是第四系地層中氫核的主體，是地層中具有核子順磁性物質中豐度最高、磁旋比最大的核子。核磁共振法通過改變具氫核旋進頻率的外磁場激發電流脈沖的幅值和持續時間，由淺到深地探測地層水中氫原子核的共振信號來測定地下水。共振信號幅值與地層自由水含量成正比，衰減時間反映含水層的平均孔隙度。

2.6綜合物探

物探方法探測地下水的前提是含水層與隔水層或圍巖間存在一定的物性差異，探測所得只是物性層的空間分布情況，其結果具多解性，即使在高阻背景中探測到低阻層或在松散地層中探測到高速層或波阻抗差異層，也要排除巖性變化等因素影響。此外，物探方法都有其適用性和局限性，因此勘察技術方案的策劃應遵循“經濟合理、技術可靠、方法適用、簡捷易行”原則，根據地形地貌特征、地質條件、沉積環境等，綜合分析地下水賦存條件，明確找水靶區，在方法有效性試驗基礎上選擇適宜的方法。在探測條件較差且缺少已知地質資料時，應優選兩種以上分別基于不同物性參數的綜合物探方法，以提高成果可靠性，指導布置驗證鉆孔，并將物探成果與驗證孔資料綜合分析，最終做出合理地質解釋。

3 工程實踐

3.1工程簡介

某山區河谷呈西高東低、西窄東寬的簸箕狀。流域內氣候干燥、降水稀少，冬季寒冷。根據流域總體規劃擬對該河干流進行梯級開發，M電站（一、二級）和其下游的N電站為相鄰兩級。

因工程建筑規模不大，對基礎承載力等要求不高且工程地質條件簡單，（1）設計廠房基礎開挖深度均約50m；（2）N電站擬采用抽水融冰技術，故勘察重點為水文地質調查，即查明地下水空間分布等。

3.2地質概況

河道兩側為中低山區，沿河坳陷為新生代山間谷地，坳陷區內為山前洪積傾斜平原和河流侵蝕堆積地貌。洪積平原分布在左岸，地勢開闊，沖溝發育，由新老洪積扇疊置而成。

攔河閘建于M電站，其右岸山體巖性為灰巖和石英質砂巖；河床為第四系全新統沖積砂卵礫石；左岸及引水渠和廠房所在洪積扇為第四系上更新統-全新統沖洪積砂卵礫石，地層厚度大于100m。

“兩山夾一谷”的地貌輪廓決定了兩岸山區是地下、地表水的補給區，河道及兩側山前地帶則為徑流與排泄區。

3.3M電站

方法有效性試驗結果表明：地層物性參數橫向變化較大，電測深曲線一般呈“H”、“Q”或“K”型。表層電阻率和波速為2000～6000Ω·m、1000～1200m/s和600～1600Ω·m、900～1100m/s，分別對應粒徑及粗顆粒含量不同的松散干燥砂卵礫石；下伏地層電阻率和波速為1000～2800Ω·m、1500～1700m/s和400～1000Ω·m、1500～2200m/s，分別對應密實和飽水砂卵礫石。電法與地震折射對地層結構的劃分一致并與已知地質資料基本吻合。

鑒于地下水埋深較淺（小于50m）且電法、地震折射法對其反應明顯，探測采用以高密度電法為主適量輔以地震波折射法的綜合物探方法。

圖1為攔河閘部位電阻率斷面圖，由圖可見：淺部電阻率橫向變化較大，表征了砂卵礫石層的不均質性，中間為低阻含水層，下伏高阻體基本反映了基巖面的起伏形態。

圖1 M電站攔河閘部位電阻率斷面圖

結合地質資料分析物探成果可得，測深范圍（60m）內，地層可分為2～3個物性層，表層為松散干燥砂卵礫石，各工程部位厚度不等，一般1.5～12.0m，二級廠房部位較厚，電阻率、波速分別為1600～6000Ω?m、900～1200m/s；下伏地層變化較大，河床部位為含水層（電阻率、波速分別為400～1000Ω?m、1500～2200m/s），廠房部位為相對密實砂卵礫石，電阻率、波速分別為1000～2800Ω?m、1500～1700m/s，一級廠房處未見底面，二級廠房部位底面埋深35.0～42.0m；第三層在河床處為基巖、二級廠房處為含水層，電阻率、波速分別為2000～6000Ω?m、3500～4000m/s和450～900 Ω?m、2000～2200m/s。施工后的開挖結果表明，物探結果與實際地下水位間誤差小于5%。

3.4N電站

因引水渠線逐漸遠離河道向洪積扇中部延伸，地下水位漸次變深。為準確測定地下水位，沿渠線正交或斜交布設測線，測線密度每公里1條并在水位變化較大部位加密。廠房部位測線交叉布設。

3.4.1 方法有效性試驗

重點對地震波折射和反射法、電測深及激電測深、EH4等進行了有效性試驗，結果表明：除砂卵礫石外，凍土層對電極布設及供電均有很大影響。EH4測試磁分量信號較弱，縱波速度呈漸變狀且層間差異較小，檢波器布置較困難。

雖然引水渠與M電站尾水相連，但地層物性參數迥異，電測深曲線多呈“H”、“A”、“HA”或“AA”型（ABmax為1000m）。上部視電阻率70～200Ω?m，深部大于450Ω?m。按波速可分為4～5層，從表層800m/s漸變至深部的2400～2900m/s，中間層波速1200～2400m/s，表明隨深度加大地層組分粒徑、密實度逐漸變大，含水量漸增。除水位上、下地層波阻抗差異較大外，其它層間反射系數較小。

激電測深ABmax為1000m，電極埋置于凍土層下，實測極化率、激發比及衰減度等在推斷的水位附近均有顯著變化，含水層極化率、激發比大于0.15，衰減度大于60%。

EH4采用測點距、電偶極距均為40m的完整覆蓋觀測系統，測試結果與電法基本一致，100m深度范圍內淺部地層電阻率60～160Ω?m，下部地層大于400Ω?m。

綜合考慮確定以地震波折射法、高密度電法為主并輔以EH4（地下水埋深較大區域）的綜合物探法探測地層結構及地下水，適當布置激電測深法校核地下水位。

3.4.2 解釋分析

（1）地震波折射法。選擇多重追逐—相遇時距曲線觀測系統，資料解釋使用“t0”法，表層和深部地層采用截距時間法。

結果表明：測深范圍內可分為5層；第1層為細顆粒成分含量較高的干燥松散地層，波速600～900m/s，底面埋深5.0～9.0m；第2～4層為隨粗顆粒成分含量及密實度漸增而波速遞增的漸變層，波速分別為1600～1900、1900～2200、2200～2400m/s，底面埋深為9.0～14.0、36.0～43.0、42.0～94.0m；第5層波速2400～2900m/s，為粗顆粒含量高、滲透性較強的含水層。

（2）高密度電法。采用垂向分辨率較高的溫納裝置，120根電極，基本電極距5.0m。使用RES2DINV高密度電阻率二維反演軟件處理。

圖2為廠房區電阻率斷面圖，由圖可見：橫向電阻率差異不大，局部有低阻凹槽，隨深度增大電阻率遞增，可分為三個電性層。表層為細顆粒含量較高砂卵礫石，電阻率60～180Ω?m，厚20.0～25.0m；第2層以電阻率梯度較大的720 Ω?m等值線為界底面埋深約57.0m，為粒徑漸大、密實度漸增、滲透性漸強的砂卵礫石；下伏為粒徑較大、細粒充填物較少、滲透性較強的含水砂卵礫石層。

圖2 N電站廠房區電阻率斷面圖

（3）其它方法。圖3為廠房區激電測深成果圖。綜合分析電阻率、極化率、衰減度及激發比等參數可見：埋深約60m以下地層電阻率大于350Ω·m，極化率及激發比大于0.15，衰減度大于60%，對應含水層。

根據EH4探測電阻率斷面圖，結合各層電性特征，由電阻率的高低及分布形態對地電剖面予以解釋。圖4為典型EH4探測電阻率斷面圖（埋深100m以下地層未顯示）。

由圖4可見：電阻率單調遞增、橫向分布穩定。埋深約40m以上電阻率60～160Ω·m；60～80m間電阻率變化梯度較大；約70m以下地層電阻率大于450Ω·m，為粗顆粒含量高的含水層。

圖3 激電測深成果圖

圖4 EH4探測電阻率斷面圖

3.4.3 成果概述

探測成果表明：沿渠線除S0+000～S2+500段地層為4層結構外均可分為5個物性層。第5層為含水層，隨渠線與河道空間展布位置變化，沿渠線地層結構及物性參數差異不大但各層層厚有所變化，尖滅或透鏡體發育，局部近地表有不均質體分布，各層波速、電阻率均隨深度單調遞增，地下水埋深及高程變化較大，自M電站尾水到N電站引水渠S2+500間水位較穩定（高程約1675m），隨渠線漸離河道而深入洪積扇，地下水埋深漸增，S5+000以后超過60m，S9+000處增大至約90m（高程約1630m），S9+000～S14+620段維持在約92m（高程約1615m）左右，廠房區地下水埋深約65.5m（高程約1675m）。

3.5綜合分析及質量評價

為消除方法的局限性和多解性，探測使用基于彈性和電性差異的綜合物探方法，地層結構劃分以地震法為主，綜合電法資料對地層含水情況定性。

探測結果表明：EH4和高密度電法探測結果一致，但地層電阻率略有差異。高密度電法、EH4與地震波折射法對地下水位探測結果基本吻合。

對比物探與鉆探成果可見：廠房區物探推斷地下水位與鉆孔揭示水位（62.0m）的相對誤差小于8.1%；物探測定抽水試驗井部位地下水埋深分別為42.8、91.5m，而鉆孔揭示地下水埋深為40.0、87.8m，相對誤差分別為7.0%和4.8%。

3.6對比分析

M與N電站相距十余公里，地形、地質條件基本一致，但地下水埋深和含水層電性特征差異較大，相對于背景含水層電阻率分別表現為“低阻”和“高阻”。此現象由地質條件、沉積環境及與河流關系、地下水賦存條件等所致。孔隙潛水賦存于滲透性較強地層中，與補給源的分布位置關系密切。上游M電站砂卵礫石粗顆粒含量大于75%，而N電站則為50%左右，且細顆粒成分以砂質粉土或粉細砂為主；M電站距河道較近，地層滲透性較好，地下水位相對較淺，而N電站遠離河流靠近洪積扇腹地且地層滲透性相對較差，故地下水埋深較大。

粗顆粒含量較高砂卵礫石電阻率取決于含水量。含水與干燥砂卵礫石間電阻率變化梯度大、界面清晰，故在M電站只憑借高密度電法即可較圓滿查明地下水位。而N電站細顆粒含量較高的淺部砂卵礫石電阻率小于深部粗粒徑成分含量高的含水砂卵礫石，且電性差異較小，欲查明地下水位須結合彈性差異而采用綜合物探。

4 幾點認識

（1）間接找水的方法有效性取決于地質條件及地下水賦存環境，探測前應從宏觀到微觀對地形地貌特征和地質、沉積環境及補給源等進行綜合分析，確定地下水賦存空間。

（2）地下水存在于滲透性較強地層中，但具備賦水條件地層受其空間分布限制未必含水，即使含水，視其沉積環境差異物性參數也不盡相同，須綜合地質、場地條件具體分析，根據方法有效性試驗結果確定探測方案。

（3）有效性試驗場地選擇、測線（點）布置應具代表性，工作參數應在綜合考慮影響因素基礎上設置，結合已知地質資料對試驗結果進行綜合分析，優選工作方法、工作參數等。

（4）在地震勘探施工及解釋時應正確區分折射與反射波組，尤其是在埋深較大時。

表2 各測段洞壁地質測繪成果表

表3 模型計算波速與實測波速比對分析表

5 結語

本文通過研究玄武巖巖體的彈性波頻散特性，采用多尺度分析方法，提出以巖體密度、泊松比、節理發育密度、節理張開度等地質參數為基礎的單節理等效介質模型，探討巖體頻散效應對不同頻率彈性波傳播速度影響程度的計算方法，為工程中利用不同頻率彈性波速度對巖體進行一致性評價提供了可能。

1 劉永貴等. 節理玄武巖彈性波頻散效應研究[J]. 巖石力學與工程學報，2010，29（增1）：3314-3320.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.005

TV221.2

B

1672-2469（2014）02-0011-05

趙楠（1965年— ），男，高級工程師。