綜合物探法在水利工程巖溶探測中的應用分析

何燦高，王 杰

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222）

我國西南地區巖溶廣泛分布， 巖溶在水利工程建設中容易引起塌陷、 不均勻沉降、 突水等地質災害，對工程建設產生巨大的影響，工程前期階段巖溶勘察十分關鍵，物探勘察方法具備成本低、效率高、探測精度高等優勢，被廣泛應用于巖溶勘察。

目前常用于巖溶勘察的物探方法主要有高密度電法、瞬變電磁法、淺層地震法、地質雷達法［1］。 高密度電法、淺層地震法、地質雷達法受方法和儀器設備的限制，主要解決地表淺部異常；瞬變電磁法可用于探測深部較小異常，淺部數據可信度差。

本文采用高密度電法進行巖溶探測， 并采用瞬變電磁法對深部巖溶分布特征進行復核， 選取異常測段進行鉆孔驗證，并進行孔內聲波測試、鉆孔電視觀察進一步驗證地面物探成果。

1 工程概況

廣西境內某水利樞紐工程， 初定裝機容量19.6MW，水庫總庫容4.28×108m3，擬建壩型為混凝土重力壩，最大壩高90m，壩頂長度321m左右，主要建筑物有攔河壩、泄水建筑物、電站、輸水隧洞等，是一座以供水、防洪、灌溉、景觀、及旅游通航為主，兼顧發電等綜合利用的大Ⅱ型水利樞紐工程。

輸水隧洞設計洞底高程為160m， 隧洞部分洞段經過泥盆系灰巖區， 前期勘察資料表明該洞段巖溶較為發育， 為詳細查明洞線高程附近巖溶及構造分布特征，決定采用高密度電法、瞬變電磁法進行綜合探測， 布置適量鉆孔并進行孔內物探測試以驗證物探成果。

2 方法與技術

2.1 高密度電法

高密度電法是以地層內隱伏目標體與周邊介質或不同物性層間存在的電阻率差異為前提的直流電法，采用密集的陣列式電極排列進行縱橫向連續數據采集，可獲得豐富的地質信息，兼有電剖面法、電測深法的屬性，形成一個倒梯形的二維電性剖面。探測深度隨供電極距的增大而增大，約為最大供電極距的1/6。

采用溫納裝置，單一排列采用100根電極，沿測線方向滾動測量，隔離系數30，基本電極距10m，最大供電電壓420V。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法利用不接地回線或電極向地下發送脈沖式一次電磁場， 用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布，以解決有關地質問題的時間域電磁法。

采用自發自收多匝小回線磁源，采集數據采用基于“煙圈效應”的相關算法軟件進行處理，測量點距5m，采樣率1.25MHz，發射頻率16Hz，發射電流60A。

2.3 鉆孔聲波法

單孔聲波測試通過測定孔內巖體縱波速度值、進行波速分層并評價其完整性和強度， 結合鉆孔電視觀察成果，確定巖溶、構造破碎帶空間分布。

采用一發雙收換能器，在孔內自下而上進行觀測，根據發射器到兩個接收換能器的縱波初至時差及兩個接收換能器的距離，獲取孔壁巖體的縱波速度，為保證測試精度，測試點距一般等于接收換能器間距0.2m。

2.4 鉆孔電視觀察法

鉆孔電視觀察可直觀、 全面地觀察孔壁巖體特征，確定巖溶、構造破碎帶的空間分布及節理裂隙結構面的分布、產狀、充填情況等。

采用全孔壁掃描連續錄像方式， 自上而下勻速下放探頭觀測，下降速度不大于2m/min。

3 工作布置

3.1 高密度電法

沿隧洞位置布設高密度電法測線， 測線沿地表長2090m。

3.2 瞬變電磁法

布置于高密度電法測線樁號23～887m。

3.3 孔內測試

在驗證孔BZK2、BZK3、BZK5內基巖段進行單孔聲波測試及鉆孔電視觀察，部分孔段因套管護壁、塌孔等原因未能全部施測。

4 成果分析

4.1 高密度電法

高密度電法測線的樁號0～1966m均位于輸水洞線上，測試成果如圖1，分析成果如下：

圖1 測線電阻率剖面圖

沿測線地層總體為“H型”三層地電結構，電阻率特征為高-低-高。

第一層電阻率約10～4000Ω·m，對應含碎石粉質黏土，視碎石和黏性土含量不一電阻率差異較大，黏性土含量較高的分布段電阻率為10～350Ω·m， 碎石含量較高的分布段電阻率為350～4000Ω·m，層厚5～25m。

第二層電阻率約50～500Ω·m， 對應溶蝕發育的基巖，包含含水空洞、黏性土充填的溶洞、溶槽或溶蝕裂隙發育，層厚約15～40m，近水平展布在高程130～210m。

第三層電阻率約500～8000Ω·m， 對應溶蝕不發育的較完整～完整的基巖。

在樁號800，1070，1350m分別發育斷層破碎帶，F1視傾向小樁號方向，視傾角82°，影響范圍約100m；F2傾向大樁號方向，視傾角76°，影響范圍約50m；F3傾向小樁號方向，視傾角80°，影響范圍約50m。

除樁號300～450m、860～920m外， 洞線基本全線穿越溶蝕發育或完整性差巖體，局部有充填型溶洞發育。

4.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法測線位置與高密度電法測線樁號23～887m重合，測試成果如圖2，分析成果如下：

瞬變電磁測深曲線為“A”型三層結構，第一層視電阻率約250～500Ω·m，層厚約5～20m，對應覆蓋層；第二層視電阻率約500～1100Ω·m， 層厚約20～40m，對應巖溶發育的基巖，巖溶分布在高程130m以上；第三層視電阻率約1100～1500Ω·m，對應巖溶不發育的較完整～完整基巖。 在樁號810m發育斷層破碎帶F1，視傾向小樁號方向，視傾角82°，影響范圍約100m。

圖2 測線視電阻率剖面圖

瞬變電磁法與高密度電法探測成果基本一致，測線地層為三層結構，第一層為覆蓋層，第二層為溶蝕發育的基巖，第三層為溶蝕不發育的較完整～完整的基巖。高密度電法淺部探測精度較高，瞬變電磁法淺部分辨率低，巖溶探測以高密度電法成果為準，瞬變電磁法復核了高密度電法深部探測成果， 巖溶分布在高程130m以上，高程130m以下未見巖溶分布。

4.3 孔內測試成果

驗證孔BZK2，BZK3，BZK5地質編錄及孔內鉆孔測試成果如表1：

表1 鉆孔測試綜合成果表

鉆孔揭露、 孔內鉆孔測試與地面物探成果基本一致，BZK2鉆孔位于強溶蝕區，除表層約10m覆蓋層外， 下伏巖溶延伸至孔深51m， 電阻率多數低于150Ω·m，巖體波速多低于3000m/s，多形成黏性土充填的溶洞；BZK3鉆孔位于巖溶未發育區， 覆蓋層以下的灰巖完整， 未見巖溶發育；BZK5鉆孔孔深14.5～17m發育含水空洞，為地下水流經通道，形成巖溶溶蝕通道。

鉆孔聲波測試表明，溶蝕、構造不發育孔段巖體波速范圍值、平均值為4800～6380m/s、6000m/s（新鮮灰巖巖塊波速取值6400m/s）， 完整性系數平均值0.88，為完整巖體；溶蝕較為發育孔段巖體波速范圍值1520～3320m/s，平均值2280m/s，完整性系數平均值0.13，為破碎巖體。

典型聲波曲線如圖3，（a） 為鉆孔BZK2孔深41～51m泥質充填型溶洞聲波曲線，（b）為鉆孔BZK3孔深90～100m完整巖體聲波曲線，（c） 為鉆孔BZK5孔深10～20m含水空洞及周邊完整巖體聲波曲線。

圖3 聲波測試典型曲線

鉆孔電視觀察表明， 輸水洞線地層為中厚層塊狀灰巖，節理裂隙發育，裂隙多被方解石脈充填，裂隙張開寬度多為1～3mm， 溶蝕發育嚴重的區域多形成泥質充填型溶洞或含水空洞。

典型電視觀察圖像如圖4，（a）為鉆孔BZK5孔深12.0～13.5m完整灰巖，（b） 為鉆孔BZK5孔深13.9～15.2m含水空洞，（c） 為鉆孔BZK2孔深45.0～46.5m完全泥質充填溶洞，（d）為鉆孔BZK2孔深48.5～50.0m溶蝕發育、部分泥質充填的溶洞。

圖4 電視觀察典型圖像

4.4 綜合分析及結論

經鉆孔及孔內聲波、 電視觀察驗證， 高密度電法、瞬變電磁法成果較為可信，輸水洞線巖體可分為三層結構， 第一層為含碎石的粉質黏土， 層厚約5～25m；第二層為溶蝕發育的灰巖，層厚約15～40m，分布高程約130～210m；第三層為較完整～完整巖體；在樁號約800，1070，1350m分別發育斷層破碎帶， 除局部測段外， 洞線基本全線穿越溶蝕發育或完整性差巖體，局部有充填型溶洞發育。

溶蝕發育程度較高巖體 （泥質充填型溶洞或含水空洞、溶蝕裂隙發育）電阻率約10～150Ω·m，視電阻率約500～1100Ω·m，聲波速度約1520～1800m/s，為破碎巖體； 溶蝕發育程度一般的巖體電阻率約150～500Ω·m， 視電阻率約500～1100Ω·m， 聲波速度約1950～3320m/s，為較破碎～完整性差巖體；溶蝕不發育或較少發育的巖體電阻率約500～8000Ω·m， 視電阻率約1100～1500Ω·m， 聲波速度約4800～6300m/s，為較完整～完整巖體。

輸水洞線綜合探測成果如圖5。

圖5 測線綜合探測成果

5 結語

巖溶區洞線為該水利工程隧洞的關鍵性標段，事關工程成敗，經綜合物探方法探測及鉆孔驗證，基本查明巖溶及構造空間分布特征，目前正在修改設計方案，考慮下調洞線高程到130m以下以避開巖溶發育區。

巖溶區地質條件的的多樣性、 復雜性及物探成果的多解性，單一方法往往較難解決問題，采用綜合物探方法從多個物性參數角度多方位解譯工程地質問題，提高探測精度。