地面核磁共振技术及其水库坝基渗漏探测

李莉莉，杜雨彤，聂栋刚，仇恒永

（1. 安徽省地质环境监测总站，安徽·合肥 230000；2. 安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽·蚌埠 233000）

地面核磁共振技术及其水库坝基渗漏探测

李莉莉1，杜雨彤1，聂栋刚2，仇恒永2

（1. 安徽省地质环境监测总站，安徽·合肥 230000；2. 安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽·蚌埠 233000）

地面核磁共振是目前唯一直接找水的地球物理新方法。这种方法原理新颖，经济、快速，为水文地质工作量化提供了新手段。本文简述该方法的原理、特点，通过实例说明地面核磁共振技术在堤坝监测工程中的应用效果。在安徽滁州明光甄港水库大坝应用地面核磁共振方法探测，确定含水量较大部位为大坝渗漏点，并结合水文地质调查，查明渗漏原因，为水库防渗治理提供基础地质资料。

物探技术；地面核磁共振；水库坝基；渗漏探测

地面核磁共振是目前唯一可用来直接找水的物探新方法。核磁共振是原子核的一种物理现象，指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度最高、磁旋比最大的核子。除油层、气层外，水中的氢核是地层中氢核的主体。地面核磁共振找水方法就是通过测量地层水中的氢核来直接找水。有水（自由水）就会有信号反映，测量结果不受地质因素的影响。前苏联的地球物理工作者对地面核磁共振方法进行了潜心研究，研制了相应的仪器，做了大量试验工作，取得了令世人瞩目的成果。90年代以来，我国以潘玉玲教授为首的中国地质大学科研组对地面核磁共振方法做了大量调查研究工作。国内外研究和实践表明，地面核磁共振方法可以解决以下问题：第一，快速圈定找水远景区；第二，区分电阻率低阻区段异常性质，即用地面核磁共振方法区分储水构造内是否有水，有自由水存在，就有核磁共振信号响应；第三，在地面核磁共振方法确定的有水范围内，结合电阻率异常的特点确定井位；第四，区分水质，利用电阻率值的大小来区分出咸水或淡水；第五，结合激发极化法异常特点，圈定烃类（含有氢核）污染水的污染范围和程度；第六，评价堤坝和工程地质中地下水的活动情况、滑坡监测、考古等。现用实例说明地面核磁共振方法在评价堤坝和工程地质中地下水活动情况的效果，本次工作选取安徽省滁州市的明光市甄港水库作为试验点。

1 工区地质概况

1.1 区域水文地质概况

甄港水库地处明光市东南自来桥镇南约2km甄港村境内长山脚下，属长江流域滁河水系，江淮分水岭南侧，隶属于自来桥镇政府。该库来水区域为浅山地形，是一座以灌溉为主兼作防洪和水产养殖的小型水库。

由于大坝存在渗漏严重、坝坡不稳定，涵洞断裂漏水、设备老化，溢洪道无法满足泄洪要求等问题，确定甄港水库大坝为三类坝，需进行除险加固。

1.2 地球物理特征

视电阻率为高阻的ρ≥45Ω·m，为坝肩处山体；中间相对低阻区为墙体，有电性特性变化明显，且防渗墙体与坝肩山体界线明显，并随山势变化而变化，应该为坝肩山体风化层。

2 工作方法

在水库坝体上布设一条核磁共振观测剖面，剖面上敷设3个测深点，并尽量避开高压电和民用电。目的是探明勘探范围内是否赋存地下水，若有地下水存在则了解含水层的深度及含水量的大小，了解含水层孔隙度大小，进而确定堤坝渗漏的位置。测量的参数和结果如下：地磁场强度为50258.22nT，使用“8”字形线圈，发射频率为2141.35Hz，平均信噪比为1.18，接收频率在2128.83～2149.67Hz。

由于工区缺少必要的物探资料，在开展核磁共振找水工作的同时，还配合采用了高密度电阻率法，其目的是调查断裂的分布和了解岩层电性的垂向变化，建立起电性层分布及变化的概念。采用高密度电阻率法，在核磁共振试验点布置“十”字或平行两条测线，高密度电法温纳装置各一个排列，120道电极，极距3m，最大隔离系数15。具体平面布置见图1。

3 资料综合解释

地面核磁共振方法用来查明研究地段（堤坝、坝基）有或无地下水的活动情况。地面核磁共振方法的原理已指出，在有地下水活动的地段，就有核磁共振信号响应，利用系统配备的软件对采集的信号进行处理和解释，就可给出各含水层的深度、厚度。在没有地下水活动的地段，地面核磁共振方法则无响应，说明被研究地段是完好的。

图1 甄港水库物探平面布置Fig.1 The geophysical exploration layout in Zhengang reservoir

3.1 地面核磁共振方法解释

由H1点含水量直方图（图2(a)）可知：在-2m以上T2≥600ms，含水量约为15%，这是水库地表水体导致。-2～-3m含水量较大，为30.0%，T2在250～300ms之间，现状调查为放水涵所致。深度-6m～-9m范围内含水量较高（最大为28.4%），T2＜100ms，导水性差，可能是漏水处，-14.2～-31.0m范围内含水量平均为12.3%，T2＜100ms，导水性差，推测为风化的砂岩。-31.0m以下平均含水量为5.5%，T2＞600ms，推测为发育有少量裂隙的中风化花岗岩。-3.5～-5.0m和-9.0～-11.0m含水量、T2均为0，推测为隔水层。

由H2点含水量直方图（图2(b)）可知：在-2m附近区域含水量平均等于10.0%，T2为250～300ms，判断为受地表水体影响。深度-6.0～-12.4m范围内含水量最大为10%、T2≤100ms，渗透性差，推断为侵入蚀变带，-24.30～-30.0m含水量较低，平均含水量为3.4%，T2=300ms，渗透性好。-30～-49m含水量较高，平均为11.5%，T2=200ms，渗透性稍差，推测可能是岩石中的小裂隙导致的。-3～-6m和14.5～24.5m平均含水量为0，为隔水层。-16.5～-23.5m范围内有轻微渗漏现象。

由H3点含水量直方图（图2(c)）可知：在0～-2m范围内平均含水量为9.0%，T2≤150ms，受水库水面影响含水量偏大。-3.0～-13.5m平均含水量为0，T2很小，说明此处为相对隔水层。-13.5～-24.0m平均含水量12.0%，T2≤150ms，渗透性较差，-13.5～-49.0m平均含水量15%，T2范围为150～350ms，渗透性好于上一层，推测为花岗岩侵入蚀变带有裂隙延伸至远处，现状调查时大坝远处土壤有湿润现象。

3.2 高密度电法反演与结果对比

图2 水库坝体含水量地面核磁共振探测结果Fig.2 Water content of reservoir dam body by surface nuclear magnetic resonance

根据研究区地质、水文地质、物性资料和本次高密度电法反演结果（图3），分析其剖面电性特征，总体上在主坝区从上向下、从中间往两侧电阻率呈现由低到高的趋势，视电阻率ρs≥100Ω·m为坝肩处山体，南侧岩性为砂岩，北侧为花岗岩；浅部电阻率较低区为坝堤注浆防渗墙体，电性特性变化明显，且防渗墙体与坝肩山体界线明显，并随山势变化而变化；其中约在桩号70m附近，视电阻率较高，为80Ω·m，现场确认为放水涵；在桩号70～170m之间向下有一低阻体和高阻体的过渡地带，电阻值密集分布，两侧电阻值差异明显，推测为蚀变带（80～200Ω·m）；北侧电阻率较南侧高，最高达800Ω·m。

高密度电阻率法的解译成果与地面核磁共振勘查的反演结果（图4）相吻合，在核磁共振1号测深点的6～8m深度内有一个低阻区，判断为漏水区。

核磁共振反演解释结果得出，埋深30m以浅，含水量大于10%的区域有4处。L1、L4现场确认为放水涵；L2是渗漏点，高密度电法反演曲线反映电阻率很低，推测为大坝放水涵下部断裂所致，埋深5～7m；L3为渗漏带，埋深主要在12～25m，长度约为180m。含水量10%等值线对应在高密度反演地质剖面中位置可知，L2渗漏点为土坝与砂岩风化接触面上，L3基本对应花岗岩侵入接触带和岩石风化带上。

图3 高密度电阻率法解译成果Fig.3 The interpretation results of high density resistivity method

图4 地面核磁共振法解译成果Fig.4 The interpretation results of surface nuclear magnetic resonance

4 结论

本文实例结果表明，地面核磁共振方法可用于评价与水环境有关的堤坝地基选址、堤坝的稳定性监测工作，为探查50～150m深处地下水、使水文地质和工程地质工作量化提供了崭新的技术手段，并具有明显效果。其应作为水文地质调查的首选方法加以推广使用，为解决浅层地下水和研究水环境变化引起的水文地质和工程地质问题（滑坡监测、堤坝隐患、考古等）提供了新方法。

地面核磁共振和传统找水方法结合，是提高地面核磁共振方法资料解释水平和地质效果的关键。对地面核磁共振方法采集的数据与其它物探方法资料进行联合反演，综合分析各种找水方法提供的信息，是将地面核磁共振方法提供的信息可靠转化为水文地质信息的技术保证。

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Surface nuclear magnetic resonance and its application in exploration for leakage in reservoir dam foundations

LI Li-Li1, DU Yu-Tong1, NIE Dong-Gang2, QIU Heng-Yong2
(1. Anhui institute of Geo-Environment monitoring, Anhui Hefei 230001, China; 2. The First Institute of Hydrology and Engineering Geological Prospecing of Anhui Geological Prospecting Bureau, Anhui Bengbu 233000, China)

Detecting underground water with surface nuclear magnetic resonance is a new geophysical method. The method is direct, quick and economical, and provides a new means for quantitative hydrogeological investigations. In this paper, the principle and features of the method are briefy discussed, and examples of its application in detecting shallow groundwater and dam monitoring with a light hydroscope are given. Exploration of the Zhengang reservoir dam, near the cities of Chuzhou and Mingguang in Anhui province, shows the application of the surface nuclear magnetic resonance method. Determination of the moisture content for large areas of dam leakage, in combination with the hydrological and geological survey, can help identify the cause of the leakage, and provide basic geological data for the next steps in reservoir management.

geophysical technology; surface nuclear magnetic resonance; reservoir dam foundation; leakage exploration

P631

A

2095-1329(2016)04-0092-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.04.024

2016-03-25

2016-08-16

李莉莉(1984-),女,硕士,工程师,主要从事水工环与地热地质研究.

电子邮箱: 274084153@qq.com

联系电话: 0551-64639328