綜合物探方法在新建水庫勘察中的應用

張以文, 張 衛, 邱占林, 肖玉林

(1.水發規劃設計有限公司，濟南 250014；2.龍巖學院 資源工程學院，龍巖 364012；3.安徽理工大學 地球與環境學院，淮南 232001)

0 引言

水庫是一種保障基本民生供水、涵養水源、防汛抗旱等的水利工程，在保障民生、社會穩定、經濟持續發展中發揮著巨大作用。對于新建水庫的地質勘察，是建設初期首要了解的基本情況[1-2]。快速有效的地質勘察，摸清擬建位置的情況，有的放矢的建設初期除險加固處理，一直是水庫從擬建到運行中安全管理的關鍵。必須開展水庫勘查隱患勘查，查明相關地層情況。具體探查的手段分為破壞法和無傷法，為使現狀地層探查中破損程度降至最小，物探手段以快速、無損、成本低等優勢被廣泛使用。可以用于水庫探查的物探方法有基于電磁性差異的高密度電法、瞬變電磁法、探地雷達等，基于彈性差異的瑞雷面波、折射波探測技術和同位素監測、多傳感器數據融合識別等其他探測手段[3-5]。鑒于地層地質情況的復雜性及單一物探方法分析判斷的多解性，采用多種方法從不同角度對地質體進行分析，可大大提升對地層隱患探查的判斷能力。結合工程實際，筆者對安徽某擬建水庫的壩址進行了并行電法、淺層折射法的綜合物探，通過分析探查的成果數據，效果良好。

1 綜合物探方法

1.1 網絡并行電法

并行電法是由安徽理工大學[6]提出的，在高密度電法基礎上集電測深、電剖面優點于一身的多極距、多裝置、高覆蓋疊加的電法采集處理裝置，并能夠實現自然電位、視電阻率和激發極化參數等方面的瞬時性解編，使得視電阻率反演影像直觀真實，解釋、解譯分辨率高。

并行電法系統是網絡系統和智能電極的結合[7-8]，采用類似擬地震道記錄的數據采集手段，通過電極對地面提供供電信號完成采集，降低了普通電法手段采集時的各種損耗、成本。根據電極采集裝置的不同分為兩種：①AM法;②ABM法。供電采集電位數據如圖1所示。網絡并行電法在工程勘察、堤壩監測等領域廣泛應用，解決不少實際問題。

圖1 并行電法采集電位圖Fig.1 Potentiogram collected by parallel electrical method(a)AM法;(b)ABM法

1.2 淺層折射波法

折射波法分為①單邊折射;②相遇折射波法。其工作原理是震源激發的地震波在傳播中，當遇到地層波速界面會發生波的反射和折射，通過地面各個位置擺放的檢波器接收最先達到的折射波，計算處理折射波到達地面的時間t0，同時結合波速參數來實現對基巖風化帶劃分并測出低速破碎帶等情況。其中相遇折射波法可直接對探測界面進行分析與成圖(圖2)，解釋結果較為直觀。處理解釋有①哈爾斯法;②T0法;③時間場法;④共軛點法。其中哈爾斯法對于基巖面落差較大，基巖內有速度異動的情況，能獲取較好的波譜和較高的解釋準確性，故比較適合進行山區覆蓋層厚度探測[9-12]。

圖2 折射波觀測系統布置圖Fig.2 Arrangement of refraction wave observation system

圖3 測線4電法探測結果圖Fig.3 Detection results of line 4 electrical method

2 探測實例及分析

2.1 地質概況

擬建安徽某水庫是一座中型水利工程，具有供水、防洪功能。總庫容為2.9×107m3，庫區所在流域屬無量溪河流域的中上游。建設區以低山為主，山前為峽谷，山地的地層巖性變化大。區內植被茂密，左右岸河坡陡峻，河坡局部巖石裸露，覆蓋層不厚，河床段灘地多為耕地。

建設區主要為深厚沉積巖，地層主要有志留系下統的安吉組(S1a)和大白地組(S1d)、志留系上中統太平群(S2-3tp)等。擬建壩址主要巖性為細砂巖、細粒巖屑石英砂巖與泥質粉砂巖互層；庫中心區內主要是花崗閃長巖、閃長斑巖。河床以砂卵石為主，地層比較復雜。采用震電綜合手段探查擬建區域的第四系覆蓋層厚度和基巖(砂巖)風化分帶。

2.2 物探綜合剖面布設

根據已收集地質資料，覆蓋層厚度不大。由于第四系覆蓋土層與下覆基巖之間存在明顯的電性差別，且基巖埋深有限，為了提高探測結果的精度，現場分不同測線進行并行電法、淺層折射兩種探測方法的數據采集。并行電法使用WBD-1型儀器2臺以及專用電纜2根160 m、銅電極等,根據實際地形布設測線10條，測點間距為1.5 m～2.5 m，每條剖面最大長度為98 m。折射波法選用KDZ地震探測儀1臺、TZBS高頻檢波14只，18磅重錘等，錘擊法采集測線2條，測點間距為0.5 m～1.5 m，測線最大長度為70 m。

圖4 測線4折射波探測結果圖Fig.4 Refraction wave detection results of survey line 4(a)折射波記錄;(b)結果剖面圖

圖5 河床區三維電阻率切片Fig.5 3D resistivity slice of river bed area

2.3 物探特征解釋

測線較多，以典型測線4為例，進行電法、折射波法解析。

2.3.1 并行電法解釋

通過對擬建區視電阻率倒三角剖面整體判斷：松散層和其下伏基巖段巖層電阻率值存在很大差別，一般松散層電阻率在190 Ω·m以下、基巖段電阻率在190 Ω·m以上，分界值在190 Ω·m左右；而弱風化與微風化巖層電阻率分界值基本在400 Ω·m上下。河床左右岸岸坡測線巖體電阻率與河床內的也有一定不同，其覆蓋層較薄，大部分電阻率值高于360 Ω·m，且局部也出現電阻率較低的區域。測線4位于下壩線上，測線起點1號至終點64號測線長度為66 m，探測結果二維反演如圖3所示，圖3中巖層電阻率分界明顯，可看出其覆蓋層厚度為0 m～5.5 m，而弱風化帶界限在4 m～15 m左右。

2.3.2 淺層折射波解釋

圖4為測線4所完成的淺層折射波地震波記錄及其結果剖面，該剖面對應近于測線4中10 m～25 m段，覆蓋層縱波波速為700 m/s～750 m/s，基巖弱風化帶縱波波速為2 400 m/s。可判斷覆蓋層厚度在2.0 m～4.0 m左右，與并行電法探測結果趨于接近。

2.4 物探綜合解釋

綜合并行電阻率法、淺層折射波法探查成果，分析認為：

1)擬建庫區壩址中河床內覆蓋層厚度在0 m～6 m，厚度勻稱。局部較深應是古河床原址。兩岸山坡覆蓋層不厚，約在0.5 m上下。覆蓋層松散介質電阻率約190 Ω·m以下。圖5為河床底部下方三維電阻率立體圖，直觀展示河床底部地層電阻率沿垂直方向上的變化趨勢[13-14]。

基巖巖層有弱風化特性，電阻率值特性明顯，結合附近鉆孔ZK6(圖6)可判定電阻率值在190 Ω·m～400 Ω·m區間的巖層為弱風化。其中河床下方巖層弱風化約在5 m～18.0 m深度，而兩岸河坡基巖段風化特性不顯著，局部在6 m以上。

圖6 ZK6地質剖面與測線4電阻率剖面對比圖Fig.6 Comparison of ZK6 geological profile and survey line 4 resistivity profile

3 結論

結合現有勘察探測手段的不足，通過并行電阻率法、淺層折射法結合的數據采集技術實現了針對復雜地質條件的精準剖析。通過鉆探試驗，驗證該系統的可靠性。

1)并行電法技術采用擬地震類的采集模式，同步快速獲取異常地質體的電阻率數據，為有效快速開展電法探查提供了較好的技術手段。

2)在新建水庫、除險加固等探查中，綜合物探方法發揮積極作用。根據地質情況選擇合適的綜合物探手段可以互相補充、佐證，加上必要的實地鉆探驗證，既能保證較準確的探測精度，又能節約不必要的耗資成本[15-17]。