綜合物探方法在尾礦庫截滲墻勘察中的應用

摘 要：【目的】為了快速高效完成擬建壩前截滲墻場地勘察工作，需要對物探方法在勘察工作中的可行性進行研究。【方法】利用瞬變電磁法和天然電場選頻法相結合的綜合物探方法施測，充分發揮瞬變電磁法多匝小線圈探測分辨率高和天然電場選頻法設備輕便靈活、適應性強等優勢。【結果】兩種方法相互印證，解決了單一方法多解性問題，提高了勘察精度，圈定了易滲漏區段，為鉆探布置和截滲墻設計提供了支撐。【結論】綜合物探方法在場地勘察中具有效率高、成本低、精度好的優勢，在同類地區場地勘察中值得推廣應用。

關鍵詞：截滲墻；場地勘察；瞬變電磁法；天然電場選頻法；綜合物探

中圖分類號：P642.22；P631" "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0058-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.011

Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method in the Investigation of Impervious Wall of Tailings Reservoir

HAO Haiqiang WANG Jianguo LIU Daquan HAN Lihui

（1.North China Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050021，China;

2. Technological Innovation Center for Groundwater Disaster Prevention and Control Engineering for Metal Mines，Ministry of Natural Resources， Shijiazhuang 050021，China）

Abstract： [Purposes] In order to quickly and efficiently complete the site investigation of the cut-off wall in front of the proposed dam， it is necessary to study the feasibility of geophysical prospecting methods in the investigation work.[Methods] The comprehensive geophysical prospecting method combining transient electromagnetic method and natural electric field frequency selection method was used to measure， giving full play to the advantages of high resolution of multi-turn small coil detection of transient electromagnetic method and light， flexible and adaptable equipment of natural electric field frequency selection method.[Findings] The two methods confirm each other， solve the problem of multiple solutions of a single method， improve the survey accuracy， delineate the easy leakage section， and provide support for drilling layout and cutoff wall design.[Conclusions] The comprehensive geophysical prospecting method has the advantages of high efficiency， low cost and good accuracy in site investigation， and should be popularized and applied in site investigation in similar areas.

Keywords： impervious wall; site investigation; transient electromagnetic method; natural electric field frequency selection method; comprehensive geophysical prospecting

0 引言

尾礦庫在國民經濟發展中占據著重要的地位。據不完全統計，截至2017年底，我國現有尾礦庫7 793座［1］，尾礦庫一旦滲漏勢必會對周邊環境造成嚴重污染，已引起高度重視。壩前截滲墻是解決尾礦庫滲漏問題的有效方法之一，已得到廣泛應用，能否科學、合理、低成本解決問題的關鍵在于前期勘察工作的準確性，工程鉆探及相關試驗是最直接有效的方法，但由于鉆探工作只能在某些點上開展，難以形成連續的勘察效果，而綜合物探方法［2-4］連續性優勢能夠彌補其缺陷。本次工作在內蒙古自治區赤峰市林西縣某礦山尾礦庫壩前截滲墻勘察中使用了瞬變電磁法和自然電場法相結合的綜合物探方法，圈定了可能發生滲漏的區段，為后期鉆探勘察孔的布置和截滲墻設計提供了依據，對同類工作具有一定的借鑒意義。

1 工作區地質特征

以往工程勘察資料顯示，擬建截滲墻場地地層主要為第四系（Q₄）覆蓋層及第三系地層，地層及巖性自上而下為第四系全新統坡洪積層（Q₄^dl+pl），巖性為粉土，揭露層厚0.30～13.7 m，揭露層底標高750.31～810.26 m；第四系全新統沖洪積層（Q₄^al+pl），巖性為粉質黏土，下部含有少量礫石，揭露層厚2.30～6.60 m，揭露層底標高786.19～791.36 m；上第三系巖層（N），巖性為安山巖，黏性土充填，極破碎，揭露層厚0.40～3.90 m，揭露層底標高753.78～809.66 m。

勘察場地所在區域位于大興安嶺新華夏系構造帶之南端及燕山弧形構造帶之北的過渡地帶。主要構造形跡有華夏系構造、新華夏系構造和東西向構造等。華夏系和新華夏系主要表現為多字形構造。組成巖性大多為二長花崗巖、玄武巖、粉砂質板巖、凝灰巖等，剝蝕地貌；根據區域地質資料，斷層均為非全新活動斷裂，已處于穩定狀態。現場踏勘調查及鉆探資料顯示，場地內未發現影響場地穩定性的活動斷裂。

勘察場地周邊僅尾礦庫內鉆孔見有地下水，類型為潛水，穩定水位在792.57～794.18 m，含水層為粉土，受大氣降水及生產用水年差異性補給，水位變化幅度為 1.0～3.0 m。勘察區具有從丘陵到河谷洼地的地下水補給、徑流、排泄的全過程，但地下水運動緩慢，交替弱。尾礦庫庫底表層為粉土，植被發育一般，富含植物根系，利于降水入滲，但因沒有較好的賦水空間，降水滲入之后，一部分蒸發排泄，一部分向下游運移，補給第四系地層。蒸發是該區的主要排泄方式，該區地下水的水化學類型一般為HC0₃^-Ca?Na或HC0₃^-Na?Ca型，礦化度小于1 g/L。

2 地球物理特征

電阻率與地層的巖性、巖石孔隙度及巖石孔隙中液體的性質有著十分密切的關系。電阻率與介質孔隙度和含鹽飽和度的對應關系如圖1所示，從圖1的實測結果可以看出，電阻率對孔隙度和含鹽飽和度的變化量具有明顯的作用，當地層出現破碎、密集微裂隙時，便會出現更加靈敏的反應。因此電阻率法探測對識別地層滲漏、溶洞、斷層、破碎帶及其污染源等方面非常有效。

本次勘察工作是為了查明截滲墻底部巖層的水文地質條件及尾礦庫壩前截滲墻底部巖層裂隙發育程度與分布規律。主要的探測目標為地下含水層及裂隙帶，利用裂隙與圍巖間明顯的電阻率差異，瞬變電磁法與天然電場選頻法對其具有較好的分辨能力，因此在勘察場地采用這兩種物探方法是可行的，具備地球物理勘探的前提條件。

3 野外工作方法與技術

3.1 物探技術方法的選擇

目前，國內外水工環勘察主要方法手段以鉆探、水文地質試驗和地球物理勘探為主，作為基本技術手段的地球物理勘探技術具有顯著優勢和重要作用。由于單一物探方法只能測定一種主要的地球物理參數，解譯過程中具有多解性，在勘探中往往具有一定的局限性，不能滿足獲取更多地質信息的需求，兩種及兩種以上的綜合物探方法能夠相互印證，可降低解譯的多解性，已成為勘探中常用的方法。

根據本次工作目的與任務，結合現場地形地貌及當下工作區夜間溫度已低于-10 ℃的情況，地下凍土層早已存在，由氣象資料可知土壤凍結深度在1.80 m左右，電阻率法等接觸類方法在該區無法開展工作，為此選擇了瞬變電磁法［5］和天然電場選頻法［6］兩種物探方法開展勘察工作。其中，天然電場選頻法儀器設備輕便，數據接收探頭小巧靈便，數據采集過程不受地形地貌及地表植被影響，可沿防滲墻中軸線開展工作，但由于選取天然場中部分頻點數據作為信號源，對地層精細劃分方面稍顯不足；瞬變電磁法由于采集數據信息屬二次場信息，受地形影響小，探測精度高，微小地質體可在探測結果中顯示出來，但發射和接收線圈受地表植被影響大，若有樹木和高大灌木叢則無法開展工作。兩種方法相結合，既克服了選頻法探測精度不高的缺點，又克服了瞬變電磁法難以以直線為測線的不足，在解釋過程中兩種方法互為印證，可達到本次勘察目的，取得良好探測效果。

3.2 工作原理及參數

瞬變電磁法是利用不接地回線向地下發送一次磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，通過在地面觀測和研究測量線圈觀測到的二次渦流磁場感應電動勢隨時間變化規律，獲取地電分布信息，達到勘察目的的物探方法。良好的勘察效果取決于合適的工作參數，本次數據采集所用的儀器為重慶奔騰數控技術研究所生產的WTEM-1Q型淺部瞬變電磁勘探系統，裝置類型為中心回線裝置：發射線圈正方形回線，邊長5 m，發射線圈8匝，接受線圈正方形回線，邊長5 m，接收線圈匝數9匝。數據采集儀器參數為發射頻率4 Hz，供電電壓19 V，關斷時間86 μs，發射電流4.888～6.935 A，前放增益8，主放增益32。

天然電場選頻法是以地下巖土體的電性差異為基礎，利用大地電磁場為場源的一種物探方法，通過沿剖面逐點測量不同頻率的大地電磁場在地面產生的電分量（磁分量）變化情況，得出反映地電信息的電性剖面，以達到解決工程地質等問題的目的。本次工作使用的是上海艾都能源科技有限公司生產的ADMT-100S型選頻儀，數據采集使用平行移動法觀測方法，測得的M、N之間的電位差記作△U‖s，以MN的中點O為記錄點，曲線為△U‖s異常曲線，使用磁場探頭代替電場方法進行探測。

3.3 測線布置

本次截滲墻勘察布置了瞬變電磁法勘探線2條，測線點距5 m。其中，測線1#：測點編號為jk1～jk23，測線方向為北東—南西向；測線2#：測點編號為Pt1～Pt99，測線方向為北東—南西向，瞬變電磁法測線布設示意如圖2所示。布置選頻法勘探線1條，測線點距5 m測線編號為1#，測點編號為jk1～jk100，測線方向為北東—南西向，天然電場選頻法測線布設示意如圖3所示。測點布設以1∶1 000地形地質圖為基礎，由測量人員根據理論坐標采用科力達k9型RTK確定各物探點的實地位置，將寫有點號的紅布條系在使用過的一次性筷子上定在勘察場地作為標記，方便測量過程中準確定位。

4 物探資料處理與推斷解釋

4.1 資料處理

瞬變電磁法資料處理使用吉林大學的GeoElectro電法數據處理系統，全部過程由計算機計算、處理完成，主要包括以下幾個步驟：原始資料驗收，數據導入與格式轉換，數據截斷與光滑，瞬變電磁響應多測道電壓剖面圖繪制，視電阻率的計算，反演計算及成圖。

選頻法資料處理首先將數據傳入計算機，使用suffer制圖軟件對原始數據進行初步處理，再使用艾都智能處理軟件調入初步處理的剖面數據，進行場源處理、深度計算等，最后使用suffer制圖軟件對深度文件繪制視電阻率剖面圖。

4.2 推斷解釋

4.2.1 瞬變電磁法2#剖面解釋推斷。瞬變電磁法2#剖面經處理后生成了電阻率對數值斷面如圖4所示。由圖4可知，表層電阻率呈現相對高阻特征，說明第四系覆蓋層與巖體強風化帶內含水性較差，在剖面深度20～70 m范圍內電阻率基本連續且呈現低阻特征，但低阻有高有低，說明此段地層巖體裂隙帶內相對含水，地層具有一定滲透性，且連通性不均勻。沿剖面延伸方向，視電阻率存在垂向低阻特征，且垂向貫通，說明有垂向裂隙帶存在。垂向裂隙帶分別位于剖面0～50 m、100～150 m、310～370 m和410～490 m位置，對應測點點號為Pt1～Pt11點、Pt21～Pt31點、Pt63～Pt75點、Pt83～Pt99點。

4.2.2" 瞬變電磁法1#剖面解釋推斷。瞬變電磁法1#號剖面通過對原始資料進行處理，獲得了二維視電阻率剖面圖，并作出了對數值剖面圖，如圖5所示。由圖5可知，表層視電阻率呈現相對高阻特征，說明第四系覆蓋層與巖體強風化帶內富水性較差，在剖面深度15～60 m范圍內視電阻呈現基本連續低阻特征，但低阻有高有低，說明此段地層巖體裂隙帶內相對含水，地層具有一定滲透性，有些部位連通較好，有些部位連通較弱。沿剖面延伸方向，0～40 m處電阻率存在垂向低阻特征，且垂向貫通，垂向深度在40 m以下，說明有垂向裂隙帶存在，對應測點點號為jk1～jk8點。剖面視電阻率低阻帶呈現從該剖面終點向剖面起點傾斜的特征，傾斜角度45°左右，該特征與瞬變2#剖面一致，說明此段賦存向剖面起點傾斜富水裂隙層面。

4.2.3 天然電場選頻法剖面解釋推斷。天然電場選頻法1#號剖面通過對原始資料進行處理，獲得了二維視電阻率剖面，并作出對數值剖面圖，如圖6所示。通過對視電阻率剖面圖分析，位于測線100～180 m處，視電阻率具明顯的高阻異常特征，垂向為直立傾向的高阻，推斷為貫穿地表的裂隙帶反應，結合地質和水文地質資料，推測上部因疏干作用不含水，但下部應含水，具有較好的滲透性。在剖面300～495 m處，底部視電阻率較低，說明底部裂隙富水，且具有一定滲透性。在沿剖面0～45 m處，呈現垂向貫穿的相對低阻特征，說明存在垂向低阻裂隙帶，具有一定滲透性。剖面上各滲透段對應的點位為jk1～jk10號點、jk21～jk37號點、jk61～jk100號點。

4.2.4 物探資料綜合解釋。通過對瞬變電磁法和選頻法測量資料的綜合分析，結合地質資料，在勘察范圍內第四系和基巖強風化帶的富水性相對較弱。對比不同剖面的視電阻率低阻特性，視電阻率低阻特征具有一定的對應性，說明剖面之間具有一定的連通性。根據現場調查得知，測區內曾有兩口水井，有一定水量，但水量很小，水位在20～25 m，推測滲透能力較弱。沿剖面方向，在深度15～75 m范圍內存在富水裂隙，剖面之間有連通的富水裂隙，具有一定的滲透性，其裂隙發育深度大于100 m。

根據2條物探剖面垂直富水裂隙的物探異常特征及空間關系，在勘察范圍內推測出3段滲漏區域，物探綜合解釋推斷成果如圖7所示。此外，在勘探過程中，盡管加長了勘探線的長度，勘探線的首尾端點仍存在低阻垂向含水裂隙帶特征，不能排除壩前截滲墻兩端部位滲透的可能性。

5 結語

在冰凍期無法利用接地類物探方法進行場地勘察時，通過瞬變電磁法和天然電場選頻法測量，獲取了勘察范圍內尾礦庫壩前截滲墻底部地層的水文地質條件以及地層裂隙發育程度與分布規律，圈定了可能發生滲漏的區段，為后期鉆探孔位布置和截滲墻設計提供了基礎性資料。物探方法成本低、效率高，在水工環勘察工作中具有一定優勢，應廣泛推廣應用。

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