水库坝基综合地球物理勘察技术与应用

江晓益，陈兴海，胡雄武，张平松

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

水库作为一种抗洪防旱、保障供水和改善生态环境的水利工程，已经成为改善民生、保障民安、促进经济发展的重要基础设施，在国民经济建设中发挥的作用巨大。随着我国基础建设的迅猛发展，水电站、风电站等建设的投入不断加大，水库建设工程也快速发展［1］。对于新建水库来说，其坝基的地质条件是建设者首先要考虑的问题。坝基勘察中采用物探与钻探相结合的方式可以科学探查潜在的地质灾害，物探先行，为钻探提供重点勘察区域，所获得的勘察结果较为及时可靠。目前用于坝基测试的物探方法有地震类、电法类，以及测井等方法，由于受单一方法条件所限，其探测结果的影响因素及结果各有特点，很难对坝基岩性做出准确判断，为了进行资料有效对比与解释，通常选用两种方法进行综合勘探与对比，对地质异常体的分辨能力增强，综合物探方法相互对比验证与综合分析，进一步提高坝基岩性判断的准确性和可靠性［2－10］。文章结合某水库坝基勘察条件，选择地震和电法综合进行勘探，分析其效果，为同类条件坝基勘探提供参考。

1 震电综合探测方法

1.1 浅层折射波法探测原理

地震勘探中折射波法要求探测介质的上一层震波速度小于下一层介质的波速，水库坝基勘察中通常利用它来获得基岩埋藏深度值，其表层的松散层与下部基岩层之间波速差异较大，有利于进行折射波勘探。当地震波被激发传播时，遇到地层波速界面会产生波的折射、反射，通过在地表不同位置检波器接收最先到达的折射波，分析计算折射波到达地表的时间同时结合相关的参数来达到划分基岩风化带、测定低速破碎带等的目的。其现场分为单边折射和相遇折射波法，现场根据地表条件以及基岩面起伏形态进行试验，选择合适的观测系统进行数据采集。

本次采用相遇折射波法进行观测(见图1)，测线AB两端各放置一个传感器，在AB间每隔Δx锤击一次，A、B点同时接收，Δx常取固定值。测线长度X应足够长，以保证折射波能够出现。如果估计的覆盖层厚度为H，层内波速为v1，下覆岩层内波速为v2，那么X应该满足如下关系式

其中L至少要有3～4 个道间距才能确定折射界面的速度。在山区工作时，采用重锤作为震源。为能激发高频信号，锤重以10 磅左右为宜。由于直达波和折射波的频率较高，而面波等干扰波的频率较低，为消除低频干扰，采样时频带取200～1 000 Hz为宜。采样间隔的选取由记录长度和测线长度以及界面深度来决定。

图1 折射波观测系统布置图

由于堤坝渗水通道一般是细长的通道或者裂缝，尺寸相对较小，所以在进行折射波法进行现场探测时，应尽量减小道间距之间的距离，以提高探测结果的分辨率。由于其受分辨率的影响，目前在堤坝隐患探测中应用较多的地震方法还是面波法。

1.2 并行电法探测原理

电法探测是以不同介质的电性差异为基础，由于基岩段岩石与上部松散介质之间存在较大的电性差异，因此可以采用电法探测技术划分测线下方基岩界面的展布情况。本次探测中采用并行电法技术进行数据采集，该方法是在高密度电法勘探基础之上发展起来的一种新技术。它既具有集电测深和电剖面法于一体的多装置、多极距的高密度组合功能;同时，还具有多次覆盖叠加的优势，大侧向探测距离为电极控制段的长度。并行电法数据采集时具有同时性和瞬时性，使得电阻率分布图像更加真实合理，大大提高了时间分辨率［11］。

根据电极观测装置的不同，并行电法数据采集方式分为两种:AM 法和ABM 法。通过获得的瞬时电场参数进行视电阻率计算与反演，即可获得地下介质的电阻率剖面，依据剖面中电性差异分析异常位置及特征，并与地质条件对应解释。

目前直流电阻率法已广泛应用于堤坝隐患探测实践中，但是由于其纵向分辨率还没有很好的提高，探测的有效深度和异常体大小的界定还没有很明确的定量。所以，直流电阻率法在实际探测中还有待进一步的发展探索。

1.3 电磁法探测

电磁法勘探主要包括瞬变电磁法、探地雷达法、频率域电磁法、甚低频电磁法等，瞬变电磁法主要是根据电磁感应原理，通过向地下发射一次脉冲场，激励地下低阻体产生二次感应场，然后通过线圈接收，从而进行地下的地质体判断分析;探地雷达主要是向地下发射高频电磁波，经地下的地层或异常体反射回地面，然后通过线圈进行接收，根据波形的旅行时间和强度及波形的变化判断地下介质的内部情况。总的来说，电磁法勘探在实际现场应用过程中受到探测深度的限制，瞬变电磁法较适合探测坝体深部的异常情况，对埋深浅、体积小的异常体探测效果较差;探地雷达法适合探测浅部的异常体，往深部的电磁衰减较大，所以其发展也受到一定的限制。电磁法探测还受到其的探测分辨率的影响，导致其在堤坝隐患探测中需要进一步的发展完善。

1.4 其他探测方法

在堤坝隐患探测中，还有示踪法、温度场法、流场法等方法，示踪法是利用放射性同位素作为标记物，根据其在地下水中的迁移变化来研究地下水渗漏的运动规律，在某些情况下，其探测深度和分辨率相比于电磁法和地震要大，是一种理想的探测方法;温度场法可视为一种天然的示踪方法，是通过测量水面温度差、地层温度差等确定渗漏通道，是示踪法的一个发展和延伸;流场法是根据无渗流时的正常场和有渗漏时产生的异常场之间的差异，利用水流场和电流场之间数学物理上的相似性，研究“伪随机”电流场和渗流场之间的联系，建立电流场和异常水流场之间的分布规律，确定渗漏水流场［12］。

2 水库坝基探查实践

2.1 工程区地质概况

安徽某拟建水库规划为防洪和城区的供水水源工程，水库集水面积30.5 km2，总库容2 628 万m3，为一中型水库。其最大坝高约30 m，坝顶长度约200 m。水库工程区以低山为主，山间发育峡谷，山地组成的岩性差异较大。区内植被茂盛，两岸岸坡较为陡峭，岸坡岩基局部裸露，覆盖层厚度不大。工程区以深厚沉积岩为主，地层较为复杂，主要有志留系下统安吉组、大白地组，上中统太平群及燕山晚期第二次侵入岩。坝址区主要岩性以细粒岩屑石英砂岩为主，局部与泥质粉砂岩互层;库区主要以燕山晚期侵入之二长花岗岩及花岗闪长斑岩。河床以粉细砂、含粘性土细砂、粉质粘土及砂卵石为主。为了解坝址区覆盖层厚度和岩体风化分带，采用综合方法进行现场勘察，控制全区岩土介质分布特征。

2.2 数据采集

根据现场实际地形地质条件、地面作物等情况，现场利用并行直流电法和折射波法探查坝址区内第四系覆盖层厚度;利用并行电法探查坝址区内基岩风化程度并划分风化带。根据已收集地质资料，工程区以低山为主，山间发育峡谷，山地组成的岩性差异较大，为了提高探测结果的准确性，现场分不同测线进行数据采集。

其中折射法探测选用KDZ1114－3 型地震探测仪以及高频检波器12 只;电法探测使用WBD型并行电法系统2 台以及配套铜电极。根据实际地形地质条件，探查完成并行电法测线10 条，编号依次为ML1～ML10，其中东西横测线7 条，南北纵测线3 条;地震测线2 条，编号为SL1 和SL2。施工测线总长度达900 m，测试点间距1.0～2.5 m，总勘察数据点数达581 个。

3 结果分析

对浅层折射波法数据处理，主要结合相遇实测折射波记录，对所采集到的信号进行初至拾取，绘制出时距曲线图后，根据哈尔斯法作图原理，描绘出地下界面的形态图。处理时采用自编的KDZ 震波处理软件来完成，其自动绘制时距曲线图，可直接对基岩界面深度进行读取。

电法数据处理时主要采用温纳三极数据体，进行二维电阻率反演，获得测线剖面。根据已收集地质资料，利用探测区域内部分钻孔资料进行电阻率值标定，以及电阻率剖面对比与解释。其中电阻率值均匀，变化缓慢部分，反映地下介质较均匀或层面连续;其阻值越大则岩性完整程度相对较好。若在高阻或是变化均匀电阻率介质层中出现相对低阻异常区，表明局部岩层破碎或含水。通过对区内河床测试剖面整体分析，认为松散层电阻率值与下伏基岩段存在明显差异，其中松散层电阻率值小于200 Ω·m，而基岩段岩层在200 Ω·m 以上，且弱风化与微风化岩层之间电阻率也存在区别，两者电阻率分界值基本上为400 Ω·m 左右。河床两岸山坡上测线岩层电阻率值与河床基岩段存在差别，其覆盖层较薄，整体电阻率值较大，基本在350 Ω·m以上，局部存在相对低电阻率区。由于测线内容较多，这里选择其中两条进行说明与分析。

3.1 测线3 解释

位于坝址区下坝线面板坝河床趾板位置，测线起点1 号至终点64 号电极长度64.5 m，探测结果如图2所示。图中岩层电阻率特征分布明显，易于判定覆盖层厚度为0～3.5 m，而弱风化带界限在5～16 m 左右。

图2 测线3 电法探测剖面图

测线3 相遇折射波记录及其解析剖面如图3所示，该剖面对应位置近于测线3 中的0～40 m 段。覆盖层纵波波速为720～740 m/s，基岩弱风化层纵波波速为2 500 m/s 左右。可以看出，覆盖层厚度为2.0～3.0 m 左右，与电法探测结果近于一致。

图3 测线3 折射波勘探结果

3.2 测线10 解释

位于坝址区上坝线左岸岸坡，测线1 号至终点22 号电极长度52.5 m，探测结果如图4所示。左右岸山坡上测线岩层的整体视电阻率值较高。受现场地理条件所限，电极间距选择为2.5m，且山坡覆盖层较薄，因此未能对其厚度值进行解释。但剖面中视电阻率值分带特征明显，局部为低电阻率区，分析可能为不同岩性的分界面或局部含水。根据图4 可知，对于电阻率值小于500 Ω·m 的区域多为岩层弱风化影响结果，其界限在5～11 m 左右。

图4 测线10 电法探测剖面图

4 结论

1)在水库坝基勘察中利用震电两种方法综合，可以相互验证与分析，提高对基岩界面深度及异常判断的准确率和效果。

2)探查获得了坝址浅层岩土介质的地质参数，其中河床部位覆盖层厚度在0～5.5 m，厚度相对均匀，局部较深应为古河床位置迹象。左右岸山坡覆盖层厚度较薄，基本上在0.5 m 左右。其中覆盖层松散介质视电阻率值在200 Ω·m 以下，而纵波波速为600～750 m/s。

3)探查揭示了基岩段弱风化层电阻率值具有明显特征，结合钻探控制判定视电阻率值在200～600 Ω·m 区间的岩体为弱风化特征，且其纵波波速为2 500～2 900 m/s。其中河床部位岩层弱风化深度在5.0～16.0 m，而左右岸山坡基岩段风化特征具不均一性，局部在4.0～17.0 m 左右。

4)今后对于水库坝基探查中精细解释还需结合区域地质条件特点，研究其地震属性和电性参数差异，选取合理的判断标准，提高对控制位置及深度等值的判断准确率。

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