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(qū)，特殊的地形、地貌、地質(zhì)和水文條件導(dǎo)致黔南區(qū)巖溶發(fā)育。巖溶滲漏對區(qū)域水資源開發(fā)利用工程危害極大，如庫區(qū)滲漏、巖溶壩基、地下洞室和邊坡穩(wěn)定、巖溶塌陷等，因此巖溶滲漏系統(tǒng)是工程設(shè)計、處理需要解決好的重要對象。巖溶滲漏系統(tǒng)類型多樣、規(guī)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(xiàn)，復(fù)雜巖溶滲漏系統(tǒng)仍是地質(zhì)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(shù)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(shù)在巖溶勘察中應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)的物探手段主要包括地面電(磁)法、地震勘探法、地質(zhì)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(tǒng)的地球物理巖溶勘察，多在分析工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，運用綜合地球物理方法進行巖溶探測，應(yīng)用效果零星；多數(shù)巖溶探測針對溶洞、管道或強烈破碎區(qū)，對巖溶水流動系統(tǒng)分析較少。常規(guī)的探測手段對查明淺層巖溶尚且適用，但面對黔南地區(qū)巖溶水流動系統(tǒng)“復(fù)雜、深埋”的技術(shù)難點，存在對巖溶水流動系統(tǒng)地球物理響應(yīng)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(tǒng)化、操作性強的技術(shù)體系。

近年來，國外磁電阻率法技術(shù)有了較大發(fā)展，在滲漏探測方面取得一定的應(yīng)用成果，但在國內(nèi)研究應(yīng)用較少，儀器設(shè)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(yīng)用較少，特別是巖溶水系統(tǒng)勘察方面未開展過相關(guān)應(yīng)用。聲波遠探測技術(shù)及裝備近年來發(fā)展較快，但應(yīng)用于工程實踐還不多。這些方法給復(fù)雜巖溶水流動系統(tǒng)探測提供了新的思路[4-8]。

綜合現(xiàn)狀分析，亟需針對存在的問題，結(jié)合近年來發(fā)展起來的先進理論方法和技術(shù)應(yīng)用成果，開展巖溶地球物理勘察關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究，構(gòu)建適用于復(fù)雜巖溶水流動系統(tǒng)勘察體系，進一步提升巖溶勘探技術(shù)水平。

1 研究工區(qū)概況

水庫位于貴定北部新巴鎮(zhèn)西南部的新民村，距離新巴鎮(zhèn)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(zhèn)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(qū)位于大沖河主河道左側(cè)，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?guī)r，底部夾少量黑色鈣質(zhì)頁巖。如圖2所示，洼地內(nèi)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(jù)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(jīng)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(shù)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(dǎo)電流分布規(guī)律的物探方法。其最大特點是電極可以沿測線同時布設(shè)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(shè)置到很小的距離，充分體現(xiàn)了高密度的特點。采集到的大量數(shù)據(jù)為反演成像打下了良好的基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)據(jù)和保證測量數(shù)據(jù)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(shù)為60根時，剖面數(shù)為19。

野外工作中，為確保觀測質(zhì)量，取得詳實、可靠的數(shù)據(jù)，每次開工前，對儀器的工作狀態(tài)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(fā)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(xué)近似下，電磁波在有耗介質(zhì)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(fā)射點到接收點間的路徑

f——方向因子

β——探測區(qū)域介質(zhì)的吸收系數(shù)

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(jié)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(jié)合的多物探方法進行綜合探測研究分析。根據(jù)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(shù)路線如圖4所示，目的是探測水庫小壩段帷幕重點區(qū)域的優(yōu)勢滲漏通道及巖溶的發(fā)育情況，為優(yōu)化防滲帷幕的封堵方案提供依據(jù)。

圖4 技術(shù)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(jù)探測結(jié)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(jié)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(jié)果如圖6所示。

圖6 G3剖面高密度電法視電阻率反演結(jié)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(xiàn)由低到高逐漸增大的特性，局部巖溶發(fā)育。

樁號0～300 m段，電阻率值呈現(xiàn)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(qū)(視電阻率阻值<200 Ω·m)，推測為溶蝕區(qū)、溶洞。

3.3 電磁波CT結(jié)果

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

首先，對帷幕重點區(qū)域采用大孔距(20 m)電磁波CT進行初步探測，探測結(jié)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(fā)現(xiàn)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(qū)巖溶滲漏系統(tǒng)有關(guān)，在該區(qū)域進行了鉆孔驗證，通過鉆孔驗證發(fā)現(xiàn)兩層異常區(qū)域巖性較好，推測為局部巖性變化導(dǎo)致異常，與庫區(qū)巖溶滲漏系統(tǒng)無較大關(guān)聯(lián)。

圖7 電磁波CT初步探測結(jié)果Fig.7 Preliminary detection results of electromagnetic wave CT

其次，對該區(qū)域進行了電磁波CT加密探測，探測結(jié)果如圖8所示，發(fā)現(xiàn)了4處異常區(qū)域，編號為異常1、2、3、4，其中異常3與高密度電法發(fā)現(xiàn)的低阻異常一致，推測為溶洞、溶蝕發(fā)育。

圖8 電磁波CT加密探測結(jié)果Fig.8 Electromagnetic wave CT encryption detection results

3.4 示蹤劑連通試驗

針對鉆孔CT發(fā)現(xiàn)的異常1，進行鉆孔示蹤劑連通試驗，采用示蹤劑入孔持續(xù)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(fā)現(xiàn)的異常2，進行鉆孔示蹤劑連通試驗，采用示蹤劑入孔持續(xù)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(fā)現(xiàn)的低阻異常及鉆孔CT發(fā)現(xiàn)的異常3，采用鉆孔示蹤劑入孔持續(xù)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(fā)現(xiàn)的異常4，進行鉆孔示蹤劑連通試驗，采用示蹤劑入孔持續(xù)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(jié)果的綜合分析，根據(jù)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(fā)現(xiàn)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(shù)思路成功探測出了該類滲漏通道。

4 結(jié)論

在巖溶區(qū)域水利水電工程滲漏探測工作中，采用地面、孔中結(jié)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(fā)現(xiàn)了該類通道。