地球物理技術在巖溶水庫滲漏通道識別中的應用

羅 銳 恒，劉 天 云，胡 順 強，潘 曉 東，劉 偉

(1.云南省文山壯族苗族自治州水利電力勘察設計院，云南 文山 663000； 2.中國地質科學院巖溶地質研究所 國土資源部巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004； 3.聯合國教科文組織 國際巖溶研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引 言

在巖溶強烈發育的西南地區，水庫滲漏問題普遍存在[1-2]，這不僅影響水庫的正常蓄水，而且也危及水庫的安全運行。由于地下巖溶發育具有隱蔽性和不均一性的特點，所以導致對巖溶區病害水庫滲漏通道的準確識別成為一個難題[3]。

水庫滲漏通道的識別包含有對滲漏通道走向的識別以及滲漏帶發育空間位置的識別。示蹤法是識別滲漏通道走向的有效技術手段[4-7]，但示蹤劑接收點往往局限在較少的出露點，如巖溶泉、勘察鉆孔、地下河出口等，其應用范圍的廣度受到了一定的限制。地球物理方法以無損、信息量大、涵蓋范圍廣等優點，在水庫滲漏勘察中廣泛應用。其中，大功率充電法以信躁比高、結果直觀可靠的特點被用于識別水庫滲漏通道或地下河管道的地表位置及走向，但缺點是無法確定滲漏帶的空間位置[3，8]。在對水庫滲漏帶空間位置識別上，高密度電法以成本低、對低阻破碎帶識別能力強的特點得到了廣泛應用[9-11]。但高密度電法探測深度相對較淺，一般小于100 m，對發育較深的滲漏空間以及對評價滲漏較重要的區域地層結構無法有效識別。地質雷達法和井中CT法具有分辨率高的特點，被用于高精度識別地下滲漏帶的空間位置[12-13]，但地質雷達法在探測深度上比高密度電法更淺，井中CT法則需要適量的鉆孔才能開展工作，這些都限制了這類方法的有效應用。音頻大地電磁法作為電磁法的一種，勘探深度一般可達500 m以上，被廣泛應用于中淺部地質結構構造的識別，在地層結構區分[14-15]以及地質構造劃分[16-17]方面取得了較好的應用效果，其在水庫滲漏中的應用仍少見相關文獻報告。在水庫滲漏探測實踐中，由于不同地區水庫地質條件和場地條件存在差異，目前沒有一種萬能的探測方法，水庫滲漏探測工作需要結合地質資料和場地條件來選擇物探方法并合理的布置測線，才能快速有效的解決問題。

本文以云南省文山市小河尾病害水庫為例，闡述了在該水庫滲漏探測中如何利用大功率充電法和音頻大地電磁法資料來獲得滲漏通道的走向以及滲漏帶的空間位置信息，并結合地質資料對其滲漏原因進行了分析，以期為小河尾水庫的滲漏治理提供技術支撐。本文研究成果可為巖溶區類似水庫的滲漏探測工作提供一定的借鑒。

1 地質概況

1.1 水庫概況

云南省文山州小河尾水庫是文山市集中式飲用水水源地之一，承擔著州政府片區，馬塘鎮、秉烈鄉、德厚鎮、紅甸鄉、東山鄉5個鄉鎮以及硯山縣平遠鎮、盤龍鄉、稼依鎮等鄉鎮約22萬人的飲水供應。據水庫管理方介紹，小河尾水庫存在較為嚴重的水庫滲漏問題，當無外源水補給時，水庫水位每天下降約10 cm，滲漏量達10 000 m3/d(約116 L/s)，推測為集中式巖溶管道或強徑流帶滲漏。

1.2 巖性與構造

水庫庫區周邊構造主要以北東向構造體系為主，此外，近東西向和北西向斷裂也有發育，主要出露地層巖性及厚度由新到老如表1所列，地質簡圖及地理位置如圖1所示。

表1 水庫周邊出露地層巖性特征

圖1 測區地質簡圖及地理位置Fig.1 Geological map and geographical location of the survey area

經野外調查核實圖中的北東向逆斷層F1為壓扭性逆斷層，水庫已知滲漏點都分布于逆斷層的東側，西側未發現滲漏點，同時現場調查訪問也發現巖溶塌陷主要分布于逆斷層的東側，西側無塌陷發育，可確定該斷層為一隔水斷層，水庫水不會向西滲漏，但往其他方向發生滲漏的可能從已知地質資料和地表線路調查上無法明確排除。

2 地球物理勘探技術

2.1 大功率充電法

2.1.1方法原理

充電法以不同巖性的電性差異為基礎，研究對象是相對圍巖為良導體或導電性較好的地質體。常用的充電法采用干電池供電，供電電流一般較小，信噪比較低。大功率充電法采用大功率發電機對地下供電，通過已知落水洞、天窗或塌陷坑等向巖溶滲漏通道中供以大電流，使巖溶滲漏通道中形成較強的電場，滲漏通道延伸方向上電位降低最小，這時通過在地表布置測線對電位及電位梯度進行探測，其中電位代表測線上測點與無窮遠處的電位差，電位梯度代表測線上相鄰兩個測點的電位差，可根據電位極大值點及電位梯度近零值點異常來推斷巖溶滲漏通道的地表位置[3]。

2.1.2測線布置及方法優缺點分析

根據地質條件分析，滲漏通道位于阻水斷層的東側，但滲漏通道具體走向未知，故充電法測線圍繞著充電點布置了4條不同直徑的環形測線，分別為1，2，3，4，測線整體上需覆蓋整個阻水斷層的東側區域，受地表建筑和水庫水域的限制，具體測線布置如圖2所示。1線半徑為70m，長度220 m；2線半徑為130 m，長度380 m；3線半徑為250 m，長度780 m；4線則覆蓋了阻水斷層東側的全部范圍，半徑為470 m，長度1 960 m。與直線布設相比，環形測線的布置使測線上的每個測點與充電點的水平距離相同，并可在較大的范圍內對滲漏通道進行追蹤，但仍受地形起伏影響，主要表現有2點：① 測點在高程上存在著差異，② 測點與充點電之間的地形也不會一致。這都會導致不同測點與充電點在實際距離上的不同，在復雜的三維地形下這種影響很難被徹底消除。此外，充電法主要觀測的是地表某測點與無窮遠處的電位差以及相鄰兩測點間的電位差，無法得到關于滲漏通道的深度信息。

圖2 物探測線布置及推測滲漏通道分布Fig.2 Layout of geophysical survey lines and distribution of inferred leakage channel

2.1.3數據采集與處理

大功率充電法采用加拿大鳳凰公司的V8多功能電法儀，該儀器的發射系統配備了功率可達30 kW的發電機。以水庫蓄水后形成的塌陷坑(圖2中編號為3)為充電點，根據測線距充電點的距離分別對供電點供以4～10A的電流，通過大電流獲得的強信號來提高信噪比。同時，為了保證數據采集質量，采取了如下措施：測量過程中向塌陷坑中不間斷抽水以保證滲漏通道的良導電性；采用不極化電極作為測量電極，經過充分的鹽水浸泡使每對不極化電極的極差小于2 mV；保證不極化電極與大地的良好接觸，使接地的電阻小于2 kΩ；無窮遠極布設在與測線相反的方向，即充電點的西測，距離充電點1.5 km以上，無游離電干擾，接地電阻小于1 kΩ。

對每條測線采集得到的數據分別用Excel成圖處理，得到每條測線上電位和電位梯度隨觀測測點的變化曲線；把測線上的所有電位極大值點或梯度近零值異常點提取出來，結合地質資料和地形條件綜合分析異常的真偽。

2.2 音頻大地電磁法

2.2.1方法原理

音頻大地電磁法是大地電磁法(MT)的一個分支，屬于頻率域電磁法，探測深度隨頻率降低而增大。它利用雷電活動所引起的天然音頻大地電磁場作為場源，觀測互相垂直的兩個方向上若干頻率的電場和磁場之比，通過研究地電斷面的變化來達到了解地質構造、找礦、找水等地質目的。

2.2.2測線布置及方法優缺點分析

音頻大地電磁法測線布設要建立在充電測線的基礎上，垂直于充電法推斷的滲漏通道走向布置，目的是了解地下滲漏帶的發育規模和深度。相對于直流電法來說，音頻大地電磁法探測深度更深，一般可達500 m以上，不足之處主要有以下3點：① 容易受到人工電磁干擾的影響，如高壓線、民用電線等；② 存在著淺部探測盲區；③ 探測的縱向分辨率偏低。淺部盲區與地下介質的電阻率和最大探測頻率有關，縱向分辨率主要取決于探測頻點的個數以及頻點間的間隔[18]。

2.2.3數據采集與處理

野外數據采集儀器為美國Geometrics公司和EMI公司聯合生產的EH4連續電導率剖面儀，測量頻率范圍為10 Hz～100 kHz。本次工作采集了一對相互垂直的電場和磁場分量，電場沿測線方向，采取如下措施來保證數據采集質量：對電極澆水以降低接地電阻；磁棒埋入地下至少5 cm，磁棒遠離房屋、電纜、大樹等；保持磁棒與前置放大器的距離大于5 m，主機與前置放大器的距離大于20 m。

數據處理采用二維大地電磁資料處理和解釋集成系統[19]，采集的原始時間域譜信號經過傅里葉變換成頻率域電阻率和相位曲線，經過跳點剔除、靜校正處理后，再設置適宜的反演參數進行二維反演成像，反演最大迭代次數設置為150，最小均方誤差設置為5%，通過自動迭代得到地下電阻率的分布特征，最后結合實際地質資料對電阻率反演斷面進行地質解譯。

3 探測結果分析與討論

3.1 滲漏通道的地表位置及走向

第1，2，3測線大功率充電法電位和電位梯度曲線如圖3所示，第4測線大功率充電法電位和電位梯度曲線如圖4所示，第1，2，3，4測線所有電位極大值點或梯度近零值點統計如表2所列。

表2 第1,2,3,4測線電位和電位梯度異常統計

圖3 第1，2，3測線充電法電位與電位梯度曲線Fig.3 Potential and potential gradient curves of line 1，2，3

圖4 第4測線充電法電位與電位梯度曲線Fig.4 Potential and potential gradient curves of line 4

第1測線地形起伏較小，整條測線高程差小于5 m，電位和電位梯度的異常點很吻合，異常顯著且與周圍測點存在顯著的對比，在地質圖上該測點位于榴江組碎屑巖處，其下伏地層仍為碳酸巖地層，推斷130 m測點附近為滲漏通道在地表的投影。

第2測線存在一定的地形起伏，測點間高差可達30 m，電位和電位梯度異常比較吻合的為200，210 m和270 m測點且與周圍測點對比明顯。在地質圖上200 m測點附近為碳酸巖地層與其上覆碎屑巖地層的分界帶，270 m測點位于碳酸巖地層中，推斷200～210 m測點，270 m測點附近為滲漏通道在地表的投影。130 m測點附近電位存在極大值，但電位梯度值相對較大，結合高程發現120 m與140 m測點高差約2 m，電位梯度受地形影響應該不大，推斷電位異常可能是由于地形因素引起，曲線上可見110～150 m段測點電位值稍微偏高，可能與該段測點到充電點間的地形較平坦有關。

第3測線存在一定的地形起伏，高差可達100 m，小號測點(約0～300 m)位于山上，大號測點(350～780 m)地形相對平坦(最大高差約30 m)，曲線上可見0～300 m測點段電位值遠比大號測點小，這是由于該段測點與供電點間的實際距離遠比大號測點大，導致電位值相對偏小。460 m和490 m測點電位和電位梯度異常吻合得也較好，從地質圖上來看，460 m測點位于榴江組碎屑巖處，490 m測點位于碳酸巖地層與其上覆碎屑巖地層的分界帶附近，同樣推斷該兩測點下方存在滲漏通道。590 m測點靠近碳酸巖地層與其下伏碎屑巖的界線，推斷該處為深度相對較淺的滲漏通道。540～550 m測點位于碳酸巖地層中，550 m測點電位有極大值但梯度值偏大，540 m測點有梯度異常，電位值雖然較550 m測點小但相差并不大，結合530～560 m測點段地形相對平坦的條件，推斷540 m測點下方的碳酸巖地層應存在滲漏通道。

第4測線地形起伏最大，穿越多座山體，測點間高差可達260 m，其中300～800 m測點段地形相對平坦，高差小于50 m，小號測點段(0～200 m)和大號測點段(1 500～1 930 m)位于山上。曲線上可見0～200 m以及1 500～1 900 m測點段電位值要比其他測點小，這是由于受高山影響，該兩段測點與供電點實際距離遠比其他測點大。在地形相對平坦段，630，650，710 m測點電位和電位梯度異常吻合良好，結合地質資料，630 m和650 m測點位于碳酸巖與上覆碎屑巖交界帶附近，推斷測點下方存在著滲漏通道；710 m測點位于碳酸巖與下伏碎屑巖交接帶附近，推斷該處為深度相對較淺的滲漏通道；還可以觀察到660～690 m測點段電位值突然降低，這種電位突變現象一般都是由于復雜的地形因素引起。90 m測點位于阻水斷層附近，電位雖有極大值但相對周圍測點并不明顯，電位梯度值也偏高，結合第3測線在小號測點斷層附近并不存在異常點，推斷斷層東側附近并不存在導水通道，90 m測點的電位異常可能是由于地形因素引起。320 m測點存在電位極大值異常，電位梯度值卻偏高，該測點遠離斷層和巖性分界帶，其異常也推斷為地形因素引起。1 200，1 790，1 810，1 870 m測點處存在電位極大值異常但電位梯度值偏高，1 320 m測點處存在電位梯度異常但無電位極大值異常，結合這些測點都已經位于碳酸巖下伏碎屑巖地層處，周圍又沒有大的構造，推斷這些異常也是由于復雜的地形因素引起。

綜合上述結果并結合地層資料，共推斷了2條主要滲漏通道的走向，Ⅰ號巖溶滲漏通道通過1線130 m測點、2線200～210 m測點、3線460～490 m測點、4線630～650 m測點；Ⅱ號巖溶滲漏通道通過2線270 m測點、3線590 m測點、4線710 m測點附近。Ⅰ號滲漏通道分布于分水嶺組灰巖與上覆硅質巖接觸帶附近，Ⅱ號滲漏通道分布于分水嶺組灰巖與下伏硅質巖接觸帶附近，滲漏通道走向為北東東向，如圖2所示。由于都是通過同一充電點得到的異常，可推斷兩個滲漏通道具有一定的水力聯系。

3.2 滲漏帶空間位置

在第1～4測線大功率充電法結果的基礎上布置了第5測線(見圖2)，第5測線布設在下游方向處的開闊地帶，距離水庫約200 m，與第3測線存在著交點，在測點位置上5線410 m測點與3線630 m測點距離最小，約為4 m。測線垂直于滲漏通道走向和地層走向布置，方位為340°。測線穿越整個分水嶺組灰巖并向兩側硅質巖方向延伸，全長440 m，測點距為5～10 m。地形整體上平坦，高差小于20 m。第5測線大功率充電法和音頻大地電磁法綜合成果圖如圖5所示。

圖5 第5測線大功率充電法和音頻大地電磁法綜合成果Fig.5 Comprehensive results of high power mise-a-la-masse method and audio frequency magnetotelluric method for line5

圖5(a)為電位與電位梯度曲線，電位極大值點分別為460，525 m和545 m測點，電位梯度近零值點分別為460，525，530 m以及545 m測點。電位和電位梯度的異常點很吻合，異常顯著且與周圍測點存在顯著的對比。在地質圖上525～545 m測點位于碳酸巖與上覆碎屑巖交界帶附近，推斷該測點段下方存在滲漏通道。460 m測點靠近碳酸巖與其下伏碎屑巖交界帶，推斷該處為深度相對較淺的滲漏通道。提取3線630 m測點和5線410 m測點上的電位和電位梯度數據進行對比分析，如表3所示。

表3 第3和第5測線重合處電位和電位梯度值統計

電位測量的是該點與無窮遠的電位差，由于兩點位置基本重合，無窮遠又是一樣的，所以電位值差別不大，可見數據采集重復性較好。電位梯度測量的是測線上前后2點的電位差，5線測量的是400 m與420 m測點，3線測量的是620 m與640 m測點，這種電位梯度上的差異是由測量點與滲漏通道的距離差異以及測量點與充電點距離的差異共同引起。

圖5(b)為音頻大地電磁法電阻率二維反演斷面；圖5(c)為根據地質資料和物探結果聯合推斷的地質解譯成果圖。可以看到，榴江組硅質巖的電阻率值遠比坡折落組硅質巖低，推測這是由于榴江組硅質巖主要位于淺地表，風化程度高，而坡折落組(D2pz)的硅質巖埋深較大，巖石比較完整，因此電阻率值遠比地表硅質巖高。同樣可以看到，淺地表處坡折落組硅質巖的電阻率值也偏低，如圖5(b)中260～400 m測點的淺地表段。筆者同時也觀察到分水嶺組灰巖電阻率值也較低，與上覆地層榴江組硅質巖并沒有明顯的電性差異，推測為分水嶺組灰巖巖石破碎、風化嚴重、溶蝕現象較發育所致。

結合第5測線的電位和電位梯度曲線，可推斷第I滲漏通道還通過第5測線525～545 m測點之間，第Ⅱ滲漏通道經過第5測線450 m附近。圖5(b)中2條明顯的電阻率相對低值帶推斷為分水嶺組灰巖中的溶洞發育帶或裂隙密集帶，其對應的地表范圍分別在450～480 m測點段以及510～580 m測點段，與充電法推斷的滲漏位置吻合良好，2個電阻率相對低值區間解譯為地下水水位或水壓不同時的滲漏徑流帶，滲漏帶的深度可達約地下110 m。

綜合上述物探成果以及地質資料，推斷小河尾水庫滲漏機理如下：地下水流在分水嶺組灰巖與上覆地層榴江組硅質巖以及下伏地層坡折落組硅質巖的接觸面上受阻，流線密集于灰巖與硅質巖的交界面上，使得灰巖發生溶蝕作用，經過長期的溶蝕形成了巖溶裂隙和小溶洞，灰巖與硅質巖接觸帶附近成為地下水的徑流通道，也即小河尾水庫水的滲漏通道。

驗證鉆孔ZK01打在5線525 m測點處，鉆探進尺85.1 m，柱狀圖如圖6所示。

柱狀圖詳細說明如下：0～5.6 m為第四系覆蓋層；5.6～24.9 m為泥盆系榴江組硅質巖，風化嚴重，呈砂狀；24.9～56.4 m為泥盆系分水嶺組灰巖層，溶蝕較發育，巖芯破碎，局部見有溶洞；56.4～85.1 m為泥盆系坡折落組硅質巖，弱風化。在24.9～26.9，31.3～32.0，35.1～35.7，36.0～36.6，44.3～44.8，45.5～46.0，47.1～47.7，48.9～50.2 m和52.4～56.4 m共10處位置發生掉鉆或卡鉆現象，其中24.9～26.9 m泥盆系分水嶺組灰巖與榴江組硅質巖巖性界線處溶洞完全充填，膠結致密，但附近27.3 m處巖心見有溶蝕孔洞，52.4～56.4 m分水嶺組灰巖與下部坡折落組交界處溶洞半充填，上部未充填，底部56.1～56.4 m充填泥。

驗證鉆孔揭露了大范圍破碎灰巖和溶洞，上部的硅質巖為強風化，下部的硅質巖風化程度低，主要地層也能大致對應，這些較好地驗證了物探地質解譯的可靠性。同時，建議對小河尾水庫滲漏進行帷幕灌漿處理，帷幕灌漿需貫穿整個分水嶺組灰巖段，長度范圍建議為410～590 m段，灌漿深度從410～590 m逐漸增大并到達下伏硅質巖地層，最大灌漿深度要大于推斷的低阻滲漏帶發育深度，如圖5(c)所示。

回訪結果表明：小河尾水庫的滲漏治理工作按照建議開展，由于涉及到土地賠償等諸多問題，帷幕灌漿并未在物探線上進行，實際帷幕灌漿工作沿著水庫下游一條近北北東向小路邊進行，同樣穿越整個分水嶺組灰巖段；灌漿長度220 m，采用雙排孔布置，共布置鉆孔141個，孔距間隔最小2 m，最大5 m，排拒1.5 m，由南向北孔深逐漸增大，最北邊孔深148.76 m，最南邊孔深16.18 m。目前帷幕灌漿已完成，總灌漿量約16 708.8 t，水庫蓄水到設計水位后已無滲漏現象。

4 結 論

(1) 利用大功率充電法對巖溶區水庫滲漏通道進行探測，具有信號強、測量范圍大、結果直觀等特點，大功率充電法能準確定位滲漏通道的地表投影，多條不同半徑的圓弧型充電測線的異常位置較好地指示了滲漏通道的走向。音頻大地電磁法探測深度深，對低阻滲漏空間識別能力強，結合地質資料可較好地劃分滲漏帶的發育規模及深度。

(2) 測區主要存在2條位于灰巖與硅質巖接觸帶附近的北東東向滲漏通道，滲漏通道由可溶巖與非可溶巖長期的接觸溶蝕作用形成，分水嶺組灰巖中巖溶很發育，滲漏帶可達地下110 m深度。鉆探和帷幕灌漿結果證實了探測成果的可靠性。

(3) 大功率充電法和音頻大地電磁法可以形成優勢互補，先利用大功率充電法快速識別滲漏通道的地表位置和走向，在此基礎上再利用音頻大地電磁法探測滲漏通道的空間分布以及滲漏底界信息，從而指導水庫的滲漏治理工作。