綜合物探法尋找滲漏通道的應用分析

周蘭，王楚帆，趙學思

（1.武漢大熵工程發展有限公司，湖北 武漢 430000；2.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030；3.陜西延長石油（集團）有限公司研究院，陜西 西安 710000）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的迅速發展及人們物質生活水平的提高，垃圾的處理問題成為環保部門的工作重點。在我國，將地球物理方法應用于垃圾填埋場的研究起步較晚，目前常用的方法包括高密度電阻率法、瞬變電磁法、地質雷達法、地溫法等。在探測土壤與地下水污染方面，應用高密度電阻率法探測效果顯著，并經驗證與其他方法獲得的結果有良好的相關性（楊進等，1998）。閆永利等（2007）通過大地電磁法對北京某填埋場開展觀測研究，引入了模糊數學的隸屬函數的理論，對填埋場地下水污染情況進行了細化。黃寧（2009）和閆天龍（2014）通過電阻率測深法、瞬態面波法、高密度電阻率法和探地雷達法對珠江三角洲地區開展系統的物探調查，證明了在地下水污染調查中是一種有效的調查方法。近年來，在處理滲漏問題方面，許多學者在綜合物探法的應用上已取得了豐富的理論和實踐研究結果（高才坤等，2005；董延朋和許尚杰，2012；張建清等，2014；陸俊等，2015；李萌等，2016）。

湖南某生活垃圾填埋場，位于某地級市某鄉鎮某村，距離市區約為25 km，地理坐標為東經111°33′45.65″，北緯27°06′09.69″，在正常運營階段發現其下游的出水井已見污染，推測庫區發生滲漏，加之地處灰巖地區，可能發育巖溶，致使地下水流動變得更加復雜。單一物探法由于其本身具有局限性，揭露的物性特征常常受限，致使滲漏源、滲流通道位置等信息存在一定程度的偏差或誤差（姚紀華等，2020）。因此依據本項目場區的特點及適用條件，針對本工區采取高密度電法及充電法等進行綜合探測，利用多種方法及不同參數進行綜合分析及補充，結合鉆孔及抽水試驗，準確探測填埋場下游滲漏體的徑流方向，為滲漏論證及防滲處理提供了依據。

1 工作區域概況

1.1 場地地質概況

根據現場勘察及相關地質資料，工作區域及其附近的巖性較簡單，出露地層從上至下主要有第四系（Q）、二疊系棲霞組（P1q）和石炭系中上統壺天群（C2+3ht）。圖1為項目航拍圖，其中測區主要地層為壺天群（C2+3ht），壺天群中統巖性主要為深灰色厚-巨厚隱晶質白云巖、細粒白云巖、角礫狀灰質白云巖，夾灰黑色燧石條帶，其中局部地區見夾有灰巖、白云質灰巖；壺天群上統主要為淺灰、灰白色、厚至巨厚層隱晶質灰巖、生物碎屑灰巖，夾白云巖、白云質灰巖、灰質白云巖及一至數層角礫狀、假角礫狀厚至巨厚層灰巖，局部含燧石結核。

根據區域地質資料，該垃圾填埋場大致穿過一斷裂帶（圖1），且該斷裂性質不明，大體呈南北走向，該斷裂多被第四系覆蓋。踏勘未見地表構造痕跡，亦未發現其活動跡象。場地總體為單斜巖層。場區地處地殼深部構造比較穩定的“馬蹄形”上地幔隆起區，區域性作整體性緩慢抬升，屬新構造運動微弱區。

圖1 研究區平面航拍圖

作業區位于向斜中部的核部偏北西翼，地層為石炭系中上統，兩翼為石炭系下統、泥盆系。區內地層普遍傾向東、南東，傾角10°～35°，垃圾填埋場、工作區北部分別發育了北東向次級向斜，地層為二疊系當沖組、棲霞組。該向斜在工作區內被魏家橋—曹家沖斷層錯開，斷層區域長度34 km，在工作區內分為兩支，區外復合。中部分支從垃圾填埋場中間穿過，北西西盤地層為石炭系中上統，巖溶發育，有多個大泉，含水豐富；滲濾液可能通過裂隙/斷層/巖溶向內部滲透，加上場區下游地勢相對較低，可大致推測最易受滲濾液污染的區域，進而可以縮小勘探范圍，提高勘探效率。

1.2 異常電阻率特征

測區巖性以灰巖為主，除灰巖的電阻率較高外，其余介質的電阻率均很小，隨著地層的巖性、巖石的風化程度發生變化，介質的電性特征也會發生改變，并能通過電阻率等值線斷面圖表現的低阻異常圈閉反映出來（鄔健強等，2020）。經檢測，污染水含鐵離子、鋁、硼、錳、銻、鉻、鎳等及氨氮離子，使得污染水體的電阻率遠小于圍巖的電阻率，具備地球物理勘探的前提條件，且測區具有一處良好的污染滲漏點，符合充電法的應用條件。

2 工作方法

2.1 充電法

充電法是依據充電體與圍巖電性的差異，向充電體充電，使充電體變為一等位體或似等位體，進而解決充電體的地質問題。將充電點A布置在污水滲漏點處，另一供電電極B置于遠離充電體且潮濕的地方，布置AB極距的直線距離大于600 m，測量電極MN極距10 m，梯度測量每次移動5 m。選用繼善高科的SQ-3C型雙頻道輕便型激電儀發送機及其附屬設備，待發送信號穩定后逐點記錄電位值（mV）與極化率ηs值（%）。

2.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法可以了解地下介質視電阻率的分布，推斷解釋地下地質體的情況（李波等，2018；賀桂有和王永剛，2019；韓鵬，2020）。常用的裝置類型有溫納、偶極和微分裝置等，溫納裝置更適用于電性界面變化較小的地質情況（李富等，2019）。選用重慶奔騰數控技術研究所WGMD-9型超級高密度電法儀及其附屬設備。

2.3 激發極化法

激發極化法是以巖、礦石的激電效應差異為基礎而達到找礦或解決某些水文地質問題的一種電探方法（張紹棟等，2020）。采用激電測深四極裝置測量大地電阻率ρ（Ω·m）和極化率ηs（%），根據測深曲線繪制斷面等值線圖，結合單支曲線對等值線圖進行定量及半定量解釋推斷地層及巖體的地質情況等（畢炳坤等，2019）。采用湖南繼善高科SQ-3C型雙頻道輕便型激電儀發送機及其附屬設備。

3 工程應用實例推斷解釋

為控制滲漏通道，在近填埋區滲漏一側布置了3條充電法測線；為查清滲漏點下游含水層位置及驗證通道連通性，布置了一條東西方向高密度測線，并在異常點實施激電測深。共完成充電法測線3條，高密度測線1條，激電測深點5個（圖2）。

圖2 測線布置圖

3.1 充電法推斷解釋

測區巖性主要為灰巖，滲漏點富水，與圍巖具有較大的電性差異，符合充電法的應用條件。布置3條充電法測線C1—C3，均為200 m，MN為10 m，測量過程中實時記錄每一測點的電位值（mV）與極化率ηs（%）的值，同時為了消除電流變化對觀測結果的影響，觀測結果以MN的電位梯度ΔUMN/I·MN（mV/（mA·m））表示，一并繪制變化曲線（圖3）。

圖3 充電法測線成果圖

由于充電法只做了3條測線，不能據此給出測區面積性的資料，故僅對這3條測線的測量結果做定量的解釋，由于測區地形起伏不大，因為沒有必要做地形校正，也無需對數據進行濾波處理（楊華和李金銘，2001）。根據電位/極化率曲線圖：C1測線里程95～110 m；C2測線里程92～98 m、127～137 m、187～192 m；C3 測 線 里 程85～90 m、115～120 m、160～170 m、192～198 m處，均具有較高視極化率及較低電位，推斷為徑流/滲流通道。此外，C1測線里程145 m；C2測線里程20 m、50 m及155 m；C3測線里程40 m、60 m及130 m處，雖出現低電位異常點，但視極化率值未有明顯變化，推斷該處無異常，詳見表1。

表1 勘探成果表

將上述異常投影，得到異常投影平面圖4a，依據異常相似相連原則有：①C3測線A—C2測線E—C1測線H，AEH三處異常具有相似形態，推測為主徑流/滲漏通道，投影在實際衛星圖4b；②C3測線B—C2測線F—C1測線H，BF兩處異常具有相似形態，推測為分支徑流/滲漏通道之一，由于異常H較寬，按相近相連原則，推測BF分支流向H；③C3測線C—C2測線G，CG兩處異常具有相似性，按相近相連原則連接，推測為分支之一；④C3測線D—C2測線G，DG兩處異常具有相似性，推測為徑流/滲漏分支之一。

圖4 異常投影圖平面圖（a）和實際遙感影像圖（b）

3.2 高密度電法推斷解釋

選擇溫納裝置進行測量，綜合踏勘及主滲流通道，在其下游選擇了一塊疑似有利含水區，布置了390 m的高密度測線，極距10 m。高密度電法在整個勘探過程中起到了“承上啟下”的重要作用，“承上”可以驗證充電法推斷的主徑流通道；“啟下”是為了在高密度測線上找到有利的含水層/點，在同一套電性層中可依據電阻率曲線的變化，反映巖性及富水性等特征（葛歡等，2018），為下一步激電測深法的選點提供了前提。

根據物探成果圖，該段的巖性變化較均勻且較連續，表層上部視電阻率值較低，小于170 Ω·m；下部視電阻率值較高，大于400～1000 Ω·m。根據圈閉狀低值異常區，推斷5處為疑似含水層/點（圖5），作為詳細勘察點進行激電測深法加測（表2）。

表2 推斷異常成果表

圖5 高密度測線物探成果圖

3.3 激電法異常推斷解釋

通過研究區的試驗斷面反映出來的激電異常強度，參考區內采集到的平均電參數測定結果（謝升浪等，2020），預選取5%作為背景值。而含水層/點具有較高的極化特征，故根據背景值與異常值的差值作為判定條件，在高密度測線內圈定的5處疑似異常點進行激電測深法加測（圖6）。在異常點2處，深度65 m附近，視極化率曲線和視電阻率對數曲線出現明顯異常，該處視電阻率值發生了急劇下降、視極化率出現了急劇上升，極化率高達11.8%，推斷異常成果表如表3。

表3 推斷異常成果表

圖6 激電測深法物探成果圖

4 鉆孔驗證

在充電法1測線里程100 m處，布置鉆孔ZK5，在孔深8 m處揭露含水層，經水質分析，氨氮嚴重超標，為滲濾液污染所致。根據通道反向延伸的方向，在其南東端布置鉆孔ZK1，在38 m處揭露灰巖含水層，水質分析顯示，所取水樣污染嚴重。除位于滲濾液滲漏通道上的ZK1、ZK5孔被污染外，其余鉆孔均未發現與滲濾液有關的指標超標，因此ZK1、ZK5一線為主要徑流通道。

在JD2點處，經鉆孔ZK6驗證，涌水量100 m3/d時，降深13.4 m，含水層位置符合好，驗證了本次工作所推測的主滲流通道。基于此，在壩體處填埋區注入大量石灰進行處理，在下游ZK6處進行抽水沖洗，該孔可見大量白色的沉淀附著，為析出碳酸鈣，是滲漏的直接證據。本次共完成鉆孔8個，其中ZK1、ZK5、ZK5-1位于垃圾填埋場內，ZK2、ZK3、ZK4、ZK7分布在填埋場邊界附近，ZK6孔位于填埋場北東側600 m，其中3個鉆孔為污染孔，鉆孔成果見表4。

表4 鉆孔成果表

5 結論

通過綜合物探法尋找滲漏通道的實例，得出以下結論。

（1）在選定探測方法之前，應對場地地球物理條件進行評估及試驗，傳統的勘探儀器及方法運用恰當仍具有良好的勘探效果。

（2）綜合利用充電法、高密度電阻率法及激電測深法，工作效率高且操作簡便，可以在宏觀上揭露滲漏發育的特征和路徑；在重點部位鉆孔、水質探測可以進行針對性探查，效果顯著。

（3）場地的水文地質條件處于復雜動態變化中，如地下水流動和水位升降，因此在物探及水文地質調查的基礎上，應加強滲漏缺陷、動態監測及最終成果處理等方面的研究與應用。