閆永峰

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 昌吉 831100)

地質(zhì)勘察是水利工程前期的基礎(chǔ)工作。隨著水利技術(shù)進(jìn)步和民生需要,更多的水利工程向深部發(fā)展,地質(zhì)條件更加復(fù)雜,覆蓋層埋深更厚,勘察難度增加。合理選用勘察方法能夠有效節(jié)約勘察成本、加快工程進(jìn)度。

目前,鉆探、化探和物探是水利工程地質(zhì)勘察的主要手段。鉆探[1-4]是通過鉆取、分析巖芯,獲取地下巖石信息的勘查方法,但鉆探工作只能揭露一個(gè)點(diǎn)的巖石情況,工期長、成本高;化探[5-8]是通過對地表土壤采樣,分析,如同位素分析、微量元素分析等,獲取地質(zhì)信息的勘查方法,廣泛運(yùn)用于找礦、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域,需要進(jìn)行大量的采樣工作,試驗(yàn)周期較長,成本較高,不適于水利工程應(yīng)用條件;物探[9-16]是通過物理手段,利用物質(zhì)的物理特性,如電性差異、密度差異、波的傳播速度等分析地下物質(zhì)的特征的勘探方法,通過物探可進(jìn)行沿線剖面測試工作,一條測線代表的是一個(gè)面,多條測線可代表一個(gè)整體,資料解釋耗時(shí)短、成本較低,適于水利工程勘察。

物探受地形、測試環(huán)境等的影響,定性解釋工作難度較大,為提高物探資料解釋的正確性和可靠性,近年來綜合物探方法[17-22]得到廣泛應(yīng)用。張玲玲等[17]使用重力、可控源音頻大地電磁測探技術(shù)勘查了霍邱馬店地區(qū)能源資源,確定了地層展布情況和斷裂性質(zhì)、位置及走向;考慮工程建設(shè)過程存在的危巖體崩壞、碎石墜落、松散堆積體與碳質(zhì)頁巖自然邊坡失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn),蔣召杰[18]使用激電測探法和瞬變電磁法探明了溫塘特大橋不良地質(zhì)情況;朱鑫磊等[19]開展了盾構(gòu)機(jī)穿越巖溶地層中的地磁波CT和微動(dòng)技術(shù)應(yīng)用研究,綜合電磁波CT法精度高和微動(dòng)技術(shù)探測深度大的優(yōu)勢,確定了地下盾構(gòu)機(jī)施工風(fēng)險(xiǎn)和注漿加固范圍。

目前,針對覆蓋層超200m的物探技術(shù)應(yīng)用較少,本文以枯木拔里水庫工程建設(shè)為例,使用四極電測深法、微動(dòng)法和EH4音頻大地電磁法,綜合其探測深、精度高、成本低、覆蓋廣、周期短的特點(diǎn),查明覆蓋層厚度,并在物探剖面布置少量鉆孔驗(yàn)證物探精度。

1 工程概況

1.1 地形、地質(zhì)簡況

枯木拔里水庫工程位工新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)吐格拜勒齊河與木扎提河匯合處下游附近,是木扎提河的控制性工程,承擔(dān)灌溉、防洪、工業(yè)供水,兼顧發(fā)電等綜合利用任務(wù)的樞紐工程。工程壩址區(qū)距下游破城子水文站約42km,距下游已建木扎提河三級水電站約29km,距拜城縣130km,距阿克蘇市180km。工程區(qū)位于天山山脈的中西段,哈里可他烏主脊的南側(cè),屬南天山。工程區(qū)只有簡易公路通往上下壩址區(qū)右岸,交通道路較差。河谷寬約1.5km,汛期水量較大。

工程區(qū)分布主要巖性為第四系腐殖土、砂礫石、砂巖、花崗巖、片麻巖等。物探測試的目的是查明上壩址、中壩址軸線的覆蓋層厚度。

1.2 地球物理特征

測區(qū)河床表層干燥砂卵礫石層電阻率為800～2000Ω·m;中間砂礫石層電阻率為2000～3500Ω·m;下伏含水砂礫石層電阻率為500～900Ω·m;粉砂巖電阻率為1200～1800Ω·m,花崗巖、片麻巖電阻率為2500～3000Ω·m。

2 物探工作方法與技術(shù)

2.1 野外工作布置

沿上壩址軸線布置一條物探綜合剖面,長度1423m,方向250°,ZK1和ZK2為前期勘探孔。沿中壩址軸線布置一條物探綜合剖面,長度1550m,方向241°,驗(yàn)證孔3個(gè)(ZK9、ZK10、ZK11)。

2.2 野外工作方法及質(zhì)量評價(jià)

根據(jù)前期上壩址ZK1鉆孔揭示200m未打到基巖,中壩址河床寬度約1.4km,表層為砂卵礫石,兩邊為出露片麻巖。物探測試工作難度巨大,現(xiàn)場道路條件差,工作效率較低,受河床冰積層影響,供電條件極差。針對這種深厚覆蓋層問題,采用多種物探方法結(jié)合相互驗(yàn)證。先采用微動(dòng)法[15,19]、EH4音頻大地電磁法[12-14]對物探剖面進(jìn)行定性解釋;再通過大極距四極電測深法[9,10,23]進(jìn)行復(fù)核定量解釋。

根據(jù)《水利水電工程勘探規(guī)程 第1部分:物探》(SL/T 291.1—2021)[23]物探工作方法與技術(shù)的選擇應(yīng)滿足以下總體要求:

a.被探測對象與周圍介質(zhì)應(yīng)存在物性差異,其幾何尺寸與埋藏深度之比不宜小于1/10。

b.物探工作應(yīng)遵循從已知到未知、從簡單到復(fù)雜的原則,從已知地質(zhì)條件的地段開始,取得現(xiàn)場背景資料后再開展復(fù)雜地段的工作。

c.地質(zhì)、地球物理?xiàng)l件復(fù)雜或重要地段,宜采用多種物探方法相互驗(yàn)證。

2.2.1 電法工作

電測深工作主要采用四極對稱裝置,MN/AB=1/10,最小AB/2為1.5m,最大AB/2以充分反映目的層和曲線完整為原則,一般在600～800m。野外測量采用單次讀數(shù)法,為保證曲線質(zhì)量,對曲線畸變點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測,并對觀測點(diǎn)進(jìn)行一定的檢查。根據(jù)規(guī)范要求重復(fù)觀測應(yīng)符合下列規(guī)定:

a.在測線的端點(diǎn)、曲線的突變點(diǎn)和畸變線段、儀器參數(shù)或觀測條件改變的情況下,應(yīng)進(jìn)行重復(fù)觀測,重復(fù)觀測的平均相對誤差應(yīng)小于5%。

b.操作員應(yīng)現(xiàn)場檢查每個(gè)記錄,若不符合要求,應(yīng)查明原因并及時(shí)重測。

2.2.2 EH4電磁法工作

EH4音頻大地電磁測深法,接受天然源和可控源的電磁波,通過測量相互正交的電場和磁場分量,可確定介質(zhì)的電阻率值。測試點(diǎn)距為20m,電極距為(10m、10m),平行試驗(yàn)記錄清晰,無畸變點(diǎn),相位介于20°～50°之間,相干度大于0.5,原始記錄符合測試要求。測試結(jié)果符合《水利水電工程勘探規(guī)程 第1部分:物探》(SL/T 291.1—2021)的要求。

2.2.3 天然源面波法工作

天然源面波法也稱微動(dòng)法,從微動(dòng)信號(hào)中提取瑞利面波的頻散特性,通過對頻散曲線反演來推測地下的橫波速度分布。采用2Hz檢波器10通道測量,測站最大邊長60m,采樣間隔5ms,迭代次數(shù)500次,并應(yīng)用SPAC(空間自相關(guān)法)法提取頻散曲線。檢波器布置采用“嵌套式等邊三角形排列”臺(tái)陣。

3 資料解釋

3.1 電法資料解釋

電測深資料解釋要求:電測深視電阻率曲線繪制應(yīng)采用雙對數(shù)縱橫坐標(biāo),曲線完整、電性標(biāo)志層在電極距上反映明顯。電測深曲線電性分層明顯、類型確定。電測深曲線經(jīng)消差、圓滑、畸變校正后,不影響解釋精度。具有定量解釋所需的電參數(shù)。電性界面和地質(zhì)界面基本對應(yīng)。

四極電測深資料解釋工作,首先對電測深曲線的類型進(jìn)行定性分析,測區(qū)電測深曲線大部分為“Q、H”型曲線,表層高阻為干燥砂礫石的反映,中間層為含水砂卵石層,尾部相對低阻為基巖的反映,后以已知的鉆孔資料來確定砂礫石層及目的層基巖的電性特征,然后采用二層量板與輔助量板相結(jié)合的方法進(jìn)行定量解釋,并結(jié)合曲線類型的變化進(jìn)行整體宏觀控制。

3.2 EH4電磁法資料解釋

數(shù)據(jù)處理采用HMT數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)程序反演軟件進(jìn)行二維反演,具體過程如下:

a.原始數(shù)據(jù)由EH4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀傳至計(jì)算機(jī),利用UltraEdit數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行@文件的編輯。

b.利用HMT數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)程序?qū)σ丫庉嫼玫腀文件進(jìn)行處理,對@文件中出現(xiàn)的壞點(diǎn)、不合格點(diǎn)進(jìn)行剔除修正,通過數(shù)據(jù)分析,分析造成的原因,對視電阻率值超大或超小不符合規(guī)律的僅作參考或刪除,處理后輸出DAT文件。

c.使用SURFER反演軟件對輸出的DAT文件進(jìn)行成圖處理,并對最終結(jié)果進(jìn)行完善。

3.3 天然源面波法資料解釋

天然源面波法資料解釋具體過程如下:

a.對原始資料進(jìn)行整理核對、編錄。

b.通過專用軟件顯示或打印各調(diào)查區(qū)所采集的記錄,形成頻散曲線后存盤。

c.根據(jù)頻散曲線進(jìn)行分層和層速度計(jì)算并作出定性解釋。

d.在定性解釋的基礎(chǔ)上,進(jìn)行定量解釋;確定各層的厚度,計(jì)算各層的橫波傳播速度,并對獲得的結(jié)果進(jìn)行反演擬合處理。

e.對定量解釋的頻散曲線利用Mapgis軟件繪制面波等速度剖面圖,然后結(jié)合測區(qū)的勘探資料,根據(jù)各速度參數(shù)劃分地層并進(jìn)行地質(zhì)分層解釋。

4 物探測試成果

4.1 上壩址軸線物探測試成果

上壩址軸線物探測試成果見圖1～圖3。

圖1 上壩址軸線EH4音頻大地電磁法測試成果

上壩址壩軸線物探測試工作采用了EH4音頻大地電磁法、天然源面波法進(jìn)行定性輔助解釋,再通過四極電測深測試進(jìn)行定量解釋。圖1為EH4音頻大地電磁法測試成果,顯示底部基巖界面總體呈現(xiàn)“U”字形,最大基巖埋深在壩軸線樁號(hào)0+780(ZK2)處。由圖1可見ZK1處基巖埋深約為230m,ZK2處基巖埋深約為360m,粉砂巖電阻率為1000～2000Ω·m;由天然源面波測試成果可見,剖面樁號(hào)0+300～0+800段地層0～200m深度范圍內(nèi)面波波速為500～1400m/s,推測為砂礫石層,推測剖面樁號(hào)0+300～0+800段基巖埋深大于200m。根據(jù)電測深法、EH4音頻大地電磁法及天然源面波法綜合解釋:剖面0+000～0+500樁號(hào)段表層砂礫石層厚度為15～20m,電阻率為900～1100Ω·m;下伏砂礫石層厚度為25～50m,電阻率為2000～2500Ω·m;中間飽水砂礫石層厚度為140～170m,電阻率為500～700Ω·m;底部基巖埋深為183～248m,電阻率為1300～1800Ω·m;剖面0+500～0+1300樁號(hào)段表層砂礫石層厚度為8～10m,電阻率為1300～2000Ω·m;下伏砂礫石層厚度為16～45m,電阻率為2400～3400Ω·m;中間飽水砂礫石層厚度為188～322m,電阻率為600～900Ω·m;底部基巖埋深為265～363m,電阻率為1400～1800Ω·m;0+1300～0+1423樁號(hào)段表層砂礫石層厚度為5～8m,電阻率為1300～2200Ω·m;下伏砂礫石層厚度為15～20m,電阻率為2800～3400Ω·m;中間飽水砂礫石層厚度變薄為125～260m,電阻率為600～800Ω·m;底部基巖呈陡斜形態(tài),埋深為76～300m,電阻率為1400～1800Ω·m。

4.2 中壩址軸線物探測試成果

中壩址軸線物探測試成果見圖4～圖6。

圖4 中壩址軸線EH4音頻大地電磁法測試成果

中壩址軸線物探測試工作采用了EH4音頻大地電磁法、天然源面波法進(jìn)行定性輔助解釋,再通過四極電測深法測試進(jìn)行定量解釋。圖4為EH4音頻大地電磁法測試成果,顯示底部基巖界面總體呈現(xiàn)“U”字形,中壩址覆蓋層最深位置在剖面樁號(hào)0+800處,最大埋深深度約為410m,片麻巖電阻率為750～2000Ω·m;圖5為中壩址軸線0+300～1+100樁號(hào)段天然源面波法測試成果圖,微動(dòng)與電磁法資料能夠很好地符合,可以確定中壩址覆蓋層埋深最深位置在剖面樁號(hào)0+800處,最大埋深深度約為410m,片麻巖橫波波速為1600～1800m/s;圖6為(ZK10)處電測深曲線,測試曲線為“HKH”型,中間層電阻率為800～1200Ω·m,基巖電阻率取值為1500～2500Ω·m,電測深解釋(ZK10)為最大埋深位置(380m)。根據(jù)四極電測深法、EH4音頻大地電磁法及天然源面波法綜合解釋所得:剖面0+000～0+155樁號(hào)段表層坡積物厚度為0～47m,電阻率為2000～4000Ω·m;剖面0+155～0+800樁號(hào)段表層第二電性層厚度為8～25m,電阻率為600～4000Ω·m;第三電性層厚度為39～55m,電阻率為800～3000Ω·m;第四電性層厚度為95～145m,電阻率為800～2000Ω·m;第五電性層厚度為74～100m,電阻率為800～1300Ω·m;第六電性層厚度由淺至深為0～158m,電阻率為800～1300Ω·m;底部基巖埋深為55～409m,電阻率為1000～3000Ω·m。0+800～0+1290樁號(hào)段表層第二電性層厚度由深至淺為0～22m,電阻率為600～4000Ω·m;第三電性層厚度為27～45m,電阻率為1200～3000Ω·m;第四電性層厚度為70～98m,電阻率為800～2000Ω·m;第五電性層厚度為59～100m,電阻率為800～1300Ω·m;第六電性層厚度由深至淺為0～158m,電阻率為800～1300Ω·m;底部基巖埋深為187～409m,電阻率為1500～3000Ω·m。0+1290～0+1550樁號(hào)段覆蓋層厚度逐漸變薄至基巖出露,基巖電阻率為2500～3000Ω·m。

圖5 中壩址軸線天然源面波法測試成果

圖6 (ZK10)電測深曲線

4.3 鉆孔驗(yàn)證

根據(jù)物探測試成果,在中壩址壩軸線布置了3個(gè)驗(yàn)證孔(ZK9、ZK10、ZK11),具體測試成果見表1 。鉆孔測試結(jié)果表明,綜合物探方法測試結(jié)果較為準(zhǔn)確、解釋精度較高,EH4音頻大地電磁法、微動(dòng)法及四極電測深法對應(yīng)性較好。

表1 物探成果與鉆孔揭露精度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

結(jié)果表明,基于四極電測深法、微動(dòng)法和EH4音頻大地電磁法的綜合物探方法在覆蓋層超200m的勘查應(yīng)用中精度超90%,效果良好,可為類似工程提供技術(shù)參考依據(jù)。

a.通過分析四極電測深法、微動(dòng)法和EH4音頻大地電磁法的使用條件和優(yōu)勢,提出“四極電測深、微動(dòng)法和EH4音頻大地電磁法”綜合物探方法,成功開展了深厚覆蓋層探測。

b.基于“四極電測深法、微動(dòng)法和EH4音頻大地電磁法”綜合物探方法,探明上壩址軸線中間層為飽水砂礫石層,電阻率為500～900Ω·m,基巖埋深為150～360m,電阻率為1400～1800Ω·m;中壩址軸線中間層電阻率為800～1300Ω·m,基巖埋深為180～410m,基巖電阻率為1500～3000Ω·m,片麻巖橫波波速為1600～1800m/s。

c.四極電測深法、微動(dòng)法和EH4音頻大地電磁法三者探測位置、深度基本一致,將測得的覆蓋層厚度與鉆孔驗(yàn)證結(jié)果比較,精度達(dá)到90%以上,取得了較好勘探效果,表明“四極電測深、微動(dòng)法和EH4音頻大地電磁法”綜合物探方法適用于深厚覆蓋層探測。