水庫巖溶滲漏通道探測技術與應用

鄒曉磊，楊宏智，郭 聰

(1.長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010； 2.山東省物化探勘查院，山東 濟南 250000)

0 引言

黔南地處云貴高原碳酸鹽巖區，特殊的地形、地貌、地質和水文條件導致黔南區巖溶發育。巖溶滲漏對區域水資源開發利用工程危害極大，如庫區滲漏、巖溶壩基、地下洞室和邊坡穩定、巖溶塌陷等，因此巖溶滲漏系統是工程設計、處理需要解決好的重要對象。巖溶滲漏系統類型多樣、規模多變，空間分布不均，時間上變化強烈，紊流運動與層流運動錯綜出現，復雜巖溶滲漏系統仍是地質勘察、地球物理探測面臨的世界性難題。本文描述貴州某水庫小壩段巖溶滲漏通道探測的技術思路、探測成果等，以期對類似工作有一定的啟示[1-3]。

地球物理探測技術在巖溶勘察中應用廣泛，傳統的物探手段主要包括地面電(磁)法、地震勘探法、地質雷達法、微重力勘探法、地球物理綜合測井法和鉆孔CT法等。傳統的地球物理巖溶勘察，多在分析工程地質、水文地質資料基礎上，運用綜合地球物理方法進行巖溶探測，應用效果零星；多數巖溶探測針對溶洞、管道或強烈破碎區，對巖溶水流動系統分析較少。常規的探測手段對查明淺層巖溶尚且適用，但面對黔南地區巖溶水流動系統“復雜、深埋”的技術難點，存在對巖溶水流動系統地球物理響應特征認識不清，探測深度有限、探測精度低等問題，也沒有形成系統化、操作性強的技術體系。

近年來，國外磁電阻率法技術有了較大發展，在滲漏探測方面取得一定的應用成果，但在國內研究應用較少，儀器設備也不成熟。震電法在石油找水方面開展了少量工作，但在工程方面的應用較少，特別是巖溶水系統勘察方面未開展過相關應用。聲波遠探測技術及裝備近年來發展較快，但應用于工程實踐還不多。這些方法給復雜巖溶水流動系統探測提供了新的思路[4-8]。

綜合現狀分析，亟需針對存在的問題，結合近年來發展起來的先進理論方法和技術應用成果，開展巖溶地球物理勘察關鍵技術及裝備研究，構建適用于復雜巖溶水流動系統勘察體系，進一步提升巖溶勘探技術水平。

1 研究工區概況

水庫位于貴定北部新巴鎮西南部的新民村，距離新巴鎮約2 km。水庫所在河流為獨木河支流大沖河，屬長江流域烏江水系清水河一級支流。工程于新民井上游河道上擬建水庫一座，最高27 m，壩頂長約149 m，壩頂高程1 145 m，正常水位高程1 143.0 m。工程灌溉總面積380 hm2，解決新巴鎮8 863人飲水問題，工程以供水灌溉為主。水庫建成后的效果如圖1所示。

圖1 水庫建成效果Fig.1 Simulation diagram of reservoir completion

小壩庫區位于大沖河主河道左側，為一洼地地形，洼地出露地層為三疊系大冶群第二段(T1d2)薄層夾中厚層灰巖，底部夾少量黑色鈣質頁巖。如圖2所示，洼地內有落水洞1，落水洞1最低高程1 138.1 m；營地下方落水洞2底部高程1 130.4 m。K21巖溶通道出水口1(龍井)高程1 123.8 m，出水口2高程1 130.9 m，據民眾反映，原小沖水庫以渠道引水落水洞1后從龍井流出地表，經連通試驗也證明該洼地落水洞與龍井連通。2015年9月5日，實測龍井出口流量為50 L/s。

圖2 進水口、出水口平面位置Fig.2 Layout plan of water inlet and outlet

2 技術方法

2.1 高密度電法

高密度電法勘探屬固定式陣列勘探，是通過建立人工電場，研究地下傳導電流分布規律的物探方法。其最大特點是電極可以沿測線同時布設幾十到幾百根，儀器按選定的供電、測量排列方式自動采集所有電極的電位及電流值，如圖3所示。電極距可以視探測深度和探測目標體的尺度設置到很小的距離，充分體現了高密度的特點。采集到的大量數據為反演成像打下了良好的基礎，為高精度、小目標的淺層勘探提供了可靠的保證。該方法主要用于剖面測量及二維斷面測量電性分布的細結構成像[9-10]。

圖3 高密度電法工作原理Fig.3 Working principle of high density electrical method

按照每個排列布設60根電極來進行一個斷面測量，電極間距5 m。為了充分利用每個排列的觀測數據和保證測量數據的橫向和垂向反演精度，選用α1、α2、β排列裝置固定斷面掃描測量方式，斷面上的測點呈倒梯形分布。當實接電極數為60根時，剖面數為19。

野外工作中，為確保觀測質量，取得詳實、可靠的數據，每次開工前，對儀器的工作狀態進行嚴格檢查，保證儀器工作正常，并在每次測量前，對60根電極進行自動接地電阻檢查，確保電極接地良好、各電極接地電阻均一。

2.2 電磁波CT

電磁波CT使用地下電磁波儀，采用對稱偶極天線發射電磁波，在其輻射場中采用鞭狀天線接收電磁波的幅值場強，這種天線在射線光學近似下，電磁波在有耗介質中的衰減幅值傳輸方程可表示為[11]

(1)

式中E0——波源初始輻射值

R——發射點到接收點間的路徑

f——方向因子

β——探測區域介質的吸收系數

E——測得的場強幅值

r——電磁波傳播距離

將式(1)變換，可得到Radon變換式

(2)

3 結果與分析

單一的物探方法很難對巖溶滲漏通道進行有效地探測，需采用地面、孔中結合的多物探方法進行綜合探測研究分析。根據巖溶滲漏通道的電阻率差異特點，采用以電法為主，其他物探方法為輔的探測方法，技術路線如圖4所示，目的是探測水庫小壩段帷幕重點區域的優勢滲漏通道及巖溶的發育情況，為優化防滲帷幕的封堵方案提供依據。

圖4 技術路線Fig.4 Technology roadmap

3.1 工作布置

水庫小壩段巖溶滲漏通道探測沿帷幕線布置，高密度電法測線在埡口部位與帷幕線重合布置，點距5 m。電磁波CT鉆孔首批布置ZKCT-1、ZKCT-2、ZKCT-3、ZKCT-4、ZKCT-5、ZKCT-6、ZKCT-7、ZKCT-8、ZKCT-9、ZKCT-10共10個鉆孔，孔間距20 m左右，后根據探測結果進行加密，加密鉆孔為ZKCT-J1、ZKCT-J2、ZKCT-J3、ZKCT-J4、ZKCT-J5、ZKCT-J6、ZKCT-J7、ZKCT-J8、ZKCT-J9，工作布置如圖5所示。

圖5 工作布置Fig.5 Layout of geophysical prospecting

3.2 高密度電法結果

高密度電法G3剖面方向155°。

起點坐標：X=2 957 572.613，Y=419 372.193；終點坐標：X=2 957 075.002，Y=419 608.746；電極距5 m，排列長595 m，剖面平距550.98 m。反演結果如圖6所示。

圖6 G3剖面高密度電法視電阻率反演結果Fig.6 Inversion results of apparent resistivity of G3 profile by high density resistivity method

由圖6可知：總體上地表以下由淺至深電阻率值呈現由低到高逐漸增大的特性，局部巖溶發育。

樁號0～300 m段，電阻率值呈現由淺至深逐漸增大特性，底部巖性均勻性好；其中樁號240～260 m、高程1 135～1 145 m存在低阻異常區(視電阻率阻值<200 Ω·m)，推測為溶蝕區、溶洞。

3.3 電磁波CT結果

電磁波CT探測遵循“視吸收系數愈小、巖體性狀愈好，反之愈差”的規律，并結合具體的地質、鉆孔錄像資料，電磁波CT剖面視吸收系數異常分類為溶洞、溶蝕和裂隙等類別。

首先，對帷幕重點區域采用大孔距(20 m)電磁波CT進行初步探測，探測結果如圖7所示。淺部異常為鉆孔鐵套管影響，底部異常為鉆孔中的淤泥沉淀影響。初步探測主要發現了兩層異常：第1層異常位于高程1 105 m附近；第2層異常位于高程1 120 m附近。為進一步研究此兩層異常是否與庫區巖溶滲漏系統有關，在該區域進行了鉆孔驗證，通過鉆孔驗證發現兩層異常區域巖性較好，推測為局部巖性變化導致異常，與庫區巖溶滲漏系統無較大關聯。

圖7 電磁波CT初步探測結果Fig.7 Preliminary detection results of electromagnetic wave CT

其次，對該區域進行了電磁波CT加密探測，探測結果如圖8所示，發現了4處異常區域，編號為異常1、2、3、4，其中異常3與高密度電法發現的低阻異常一致，推測為溶洞、溶蝕發育。

圖8 電磁波CT加密探測結果Fig.8 Electromagnetic wave CT encryption detection results

3.4 示蹤劑連通試驗

針對鉆孔CT發現的異常1，進行鉆孔示蹤劑連通試驗，采用示蹤劑入孔持續加水注入法。第1天下午17∶00，投入紅色示蹤劑，第5天上午8∶00，示蹤劑從出水口1(龍井)流出，歷時4.5 d，如圖9所示，出水口2未見示蹤劑流出。

圖9 異常1連通試驗Fig.9 Abnormal 1 connection experiment

針對鉆孔CT發現的異常2，進行鉆孔示蹤劑連通試驗，采用示蹤劑入孔持續加水注入法。第1天下午13∶00，投入紅色示蹤劑，第3天早上6∶00，示蹤 劑從出水口1(龍井)流出，歷時42 h，如圖10所示，出水口2未見示蹤劑流出。

圖10 異常2連通試驗Fig.10 Abnormal 2 connection experiment

針對高密度電法發現的低阻異常及鉆孔CT發現的異常3，采用鉆孔示蹤劑入孔持續加水注入法。第1天下午14∶00，投入黃色示蹤劑，第2天早上3∶00，示蹤劑從出水口1(龍井)流出，歷時25 h，如圖11所示，出水口2未見示蹤劑流出。

圖11 異常3連通試驗Fig.11 Abnormal 3 connection experiment

針對鉆孔CT發現的異常4，進行鉆孔示蹤劑連通試驗，采用示蹤劑入孔持續加水注入后，水從孔口溢出地面，且出水口未見示蹤劑流出，推測該溶洞為封閉式溶洞。

通過對探測結果的綜合分析，根據鉆孔連通驗證資料，分別在高程1 143.3～1 145.1 m、1 138.1～1 139.1 m發現溶洞，且連通試驗證實異常1、2、3與出水口1(龍井)連通；尤其是對異常1探測過程中，因異常較小，在資料分析中往往容易忽略，本文提出的技術思路成功探測出了該類滲漏通道。

4 結論

在巖溶區域水利水電工程滲漏探測工作中，采用地面、孔中結合物探方法，可以有效地探測出滲漏通道的空間位置，尤其對一些較小的滲漏通道，通過電磁波CT的加密探測，成功發現了該類通道。