综合物探法寻找渗漏通道的应用分析

周兰，王楚帆，赵学思

（1.武汉大熵工程发展有限公司，湖北 武汉 430000；2.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030；3.陕西延长石油（集团）有限公司研究院，陕西 西安 710000）

0 引言

近年来，随着我国经济的迅速发展及人们物质生活水平的提高，垃圾的处理问题成为环保部门的工作重点。在我国，将地球物理方法应用于垃圾填埋场的研究起步较晚，目前常用的方法包括高密度电阻率法、瞬变电磁法、地质雷达法、地温法等。在探测土壤与地下水污染方面，应用高密度电阻率法探测效果显著，并经验证与其他方法获得的结果有良好的相关性（杨进等，1998）。闫永利等（2007）通过大地电磁法对北京某填埋场开展观测研究，引入了模糊数学的隶属函数的理论，对填埋场地下水污染情况进行了细化。黄宁（2009）和闫天龙（2014）通过电阻率测深法、瞬态面波法、高密度电阻率法和探地雷达法对珠江三角洲地区开展系统的物探调查，证明了在地下水污染调查中是一种有效的调查方法。近年来，在处理渗漏问题方面，许多学者在综合物探法的应用上已取得了丰富的理论和实践研究结果（高才坤等，2005；董延朋和许尚杰，2012；张建清等，2014；陆俊等，2015；李萌等，2016）。

湖南某生活垃圾填埋场，位于某地级市某乡镇某村，距离市区约为25 km，地理坐标为东经111°33′45.65″，北纬27°06′09.69″，在正常运营阶段发现其下游的出水井已见污染，推测库区发生渗漏，加之地处灰岩地区，可能发育岩溶，致使地下水流动变得更加复杂。单一物探法由于其本身具有局限性，揭露的物性特征常常受限，致使渗漏源、渗流通道位置等信息存在一定程度的偏差或误差（姚纪华等，2020）。因此依据本项目场区的特点及适用条件，针对本工区采取高密度电法及充电法等进行综合探测，利用多种方法及不同参数进行综合分析及补充，结合钻孔及抽水试验，准确探测填埋场下游渗漏体的径流方向，为渗漏论证及防渗处理提供了依据。

1 工作区域概况

1.1 场地地质概况

根据现场勘察及相关地质资料，工作区域及其附近的岩性较简单，出露地层从上至下主要有第四系（Q）、二叠系栖霞组（P1q）和石炭系中上统壶天群（C2+3ht）。图1为项目航拍图，其中测区主要地层为壶天群（C2+3ht），壶天群中统岩性主要为深灰色厚-巨厚隐晶质白云岩、细粒白云岩、角砾状灰质白云岩，夹灰黑色燧石条带，其中局部地区见夹有灰岩、白云质灰岩；壶天群上统主要为浅灰、灰白色、厚至巨厚层隐晶质灰岩、生物碎屑灰岩，夹白云岩、白云质灰岩、灰质白云岩及一至数层角砾状、假角砾状厚至巨厚层灰岩，局部含燧石结核。

根据区域地质资料，该垃圾填埋场大致穿过一断裂带（图1），且该断裂性质不明，大体呈南北走向，该断裂多被第四系覆盖。踏勘未见地表构造痕迹，亦未发现其活动迹象。场地总体为单斜岩层。场区地处地壳深部构造比较稳定的“马蹄形”上地幔隆起区，区域性作整体性缓慢抬升，属新构造运动微弱区。

图1 研究区平面航拍图

作业区位于向斜中部的核部偏北西翼，地层为石炭系中上统，两翼为石炭系下统、泥盆系。区内地层普遍倾向东、南东，倾角10°～35°，垃圾填埋场、工作区北部分别发育了北东向次级向斜，地层为二叠系当冲组、栖霞组。该向斜在工作区内被魏家桥—曹家冲断层错开，断层区域长度34 km，在工作区内分为两支，区外复合。中部分支从垃圾填埋场中间穿过，北西西盘地层为石炭系中上统，岩溶发育，有多个大泉，含水丰富；渗滤液可能通过裂隙/断层/岩溶向内部渗透，加上场区下游地势相对较低，可大致推测最易受渗滤液污染的区域，进而可以缩小勘探范围，提高勘探效率。

1.2 异常电阻率特征

测区岩性以灰岩为主，除灰岩的电阻率较高外，其余介质的电阻率均很小，随着地层的岩性、岩石的风化程度发生变化，介质的电性特征也会发生改变，并能通过电阻率等值线断面图表现的低阻异常圈闭反映出来（邬健强等，2020）。经检测，污染水含铁离子、铝、硼、锰、锑、铬、镍等及氨氮离子，使得污染水体的电阻率远小于围岩的电阻率，具备地球物理勘探的前提条件，且测区具有一处良好的污染渗漏点，符合充电法的应用条件。

2 工作方法

2.1 充电法

充电法是依据充电体与围岩电性的差异，向充电体充电，使充电体变为一等位体或似等位体，进而解决充电体的地质问题。将充电点A布置在污水渗漏点处，另一供电电极B置于远离充电体且潮湿的地方，布置AB极距的直线距离大于600 m，测量电极MN极距10 m，梯度测量每次移动5 m。选用继善高科的SQ-3C型双频道轻便型激电仪发送机及其附属设备，待发送信号稳定后逐点记录电位值（mV）与极化率ηs值（%）。

2.2 高密度电阻率法

高密度电阻率法可以了解地下介质视电阻率的分布，推断解释地下地质体的情况（李波等，2018；贺桂有和王永刚，2019；韩鹏，2020）。常用的装置类型有温纳、偶极和微分装置等，温纳装置更适用于电性界面变化较小的地质情况（李富等，2019）。选用重庆奔腾数控技术研究所WGMD-9型超级高密度电法仪及其附属设备。

2.3 激发极化法

激发极化法是以岩、矿石的激电效应差异为基础而达到找矿或解决某些水文地质问题的一种电探方法（张绍栋等，2020）。采用激电测深四极装置测量大地电阻率ρ（Ω·m）和极化率ηs（%），根据测深曲线绘制断面等值线图，结合单支曲线对等值线图进行定量及半定量解释推断地层及岩体的地质情况等（毕炳坤等，2019）。采用湖南继善高科SQ-3C型双频道轻便型激电仪发送机及其附属设备。

3 工程应用实例推断解释

为控制渗漏通道，在近填埋区渗漏一侧布置了3条充电法测线；为查清渗漏点下游含水层位置及验证通道连通性，布置了一条东西方向高密度测线，并在异常点实施激电测深。共完成充电法测线3条，高密度测线1条，激电测深点5个（图2）。

图2 测线布置图

3.1 充电法推断解释

测区岩性主要为灰岩，渗漏点富水，与围岩具有较大的电性差异，符合充电法的应用条件。布置3条充电法测线C1—C3，均为200 m，MN为10 m，测量过程中实时记录每一测点的电位值（mV）与极化率ηs（%）的值，同时为了消除电流变化对观测结果的影响，观测结果以MN的电位梯度ΔUMN/I·MN（mV/（mA·m））表示，一并绘制变化曲线（图3）。

图3 充电法测线成果图

由于充电法只做了3条测线，不能据此给出测区面积性的资料，故仅对这3条测线的测量结果做定量的解释，由于测区地形起伏不大，因为没有必要做地形校正，也无需对数据进行滤波处理（杨华和李金铭，2001）。根据电位/极化率曲线图：C1测线里程95～110 m；C2测线里程92～98 m、127～137 m、187～192 m；C3 测 线 里 程85～90 m、115～120 m、160～170 m、192～198 m处，均具有较高视极化率及较低电位，推断为径流/渗流通道。此外，C1测线里程145 m；C2测线里程20 m、50 m及155 m；C3测线里程40 m、60 m及130 m处，虽出现低电位异常点，但视极化率值未有明显变化，推断该处无异常，详见表1。

表1 勘探成果表

将上述异常投影，得到异常投影平面图4a，依据异常相似相连原则有：①C3测线A—C2测线E—C1测线H，AEH三处异常具有相似形态，推测为主径流/渗漏通道，投影在实际卫星图4b；②C3测线B—C2测线F—C1测线H，BF两处异常具有相似形态，推测为分支径流/渗漏通道之一，由于异常H较宽，按相近相连原则，推测BF分支流向H；③C3测线C—C2测线G，CG两处异常具有相似性，按相近相连原则连接，推测为分支之一；④C3测线D—C2测线G，DG两处异常具有相似性，推测为径流/渗漏分支之一。

图4 异常投影图平面图（a）和实际遥感影像图（b）

3.2 高密度电法推断解释

选择温纳装置进行测量，综合踏勘及主渗流通道，在其下游选择了一块疑似有利含水区，布置了390 m的高密度测线，极距10 m。高密度电法在整个勘探过程中起到了“承上启下”的重要作用，“承上”可以验证充电法推断的主径流通道；“启下”是为了在高密度测线上找到有利的含水层/点，在同一套电性层中可依据电阻率曲线的变化，反映岩性及富水性等特征（葛欢等，2018），为下一步激电测深法的选点提供了前提。

根据物探成果图，该段的岩性变化较均匀且较连续，表层上部视电阻率值较低，小于170 Ω·m；下部视电阻率值较高，大于400～1000 Ω·m。根据圈闭状低值异常区，推断5处为疑似含水层/点（图5），作为详细勘察点进行激电测深法加测（表2）。

表2 推断异常成果表

图5 高密度测线物探成果图

3.3 激电法异常推断解释

通过研究区的试验断面反映出来的激电异常强度，参考区内采集到的平均电参数测定结果（谢升浪等，2020），预选取5%作为背景值。而含水层/点具有较高的极化特征，故根据背景值与异常值的差值作为判定条件，在高密度测线内圈定的5处疑似异常点进行激电测深法加测（图6）。在异常点2处，深度65 m附近，视极化率曲线和视电阻率对数曲线出现明显异常，该处视电阻率值发生了急剧下降、视极化率出现了急剧上升，极化率高达11.8%，推断异常成果表如表3。

表3 推断异常成果表

图6 激电测深法物探成果图

4 钻孔验证

在充电法1测线里程100 m处，布置钻孔ZK5，在孔深8 m处揭露含水层，经水质分析，氨氮严重超标，为渗滤液污染所致。根据通道反向延伸的方向，在其南东端布置钻孔ZK1，在38 m处揭露灰岩含水层，水质分析显示，所取水样污染严重。除位于渗滤液渗漏通道上的ZK1、ZK5孔被污染外，其余钻孔均未发现与渗滤液有关的指标超标，因此ZK1、ZK5一线为主要径流通道。

在JD2点处，经钻孔ZK6验证，涌水量100 m3/d时，降深13.4 m，含水层位置符合好，验证了本次工作所推测的主渗流通道。基于此，在坝体处填埋区注入大量石灰进行处理，在下游ZK6处进行抽水冲洗，该孔可见大量白色的沉淀附着，为析出碳酸钙，是渗漏的直接证据。本次共完成钻孔8个，其中ZK1、ZK5、ZK5-1位于垃圾填埋场内，ZK2、ZK3、ZK4、ZK7分布在填埋场边界附近，ZK6孔位于填埋场北东侧600 m，其中3个钻孔为污染孔，钻孔成果见表4。

表4 钻孔成果表

5 结论

通过综合物探法寻找渗漏通道的实例，得出以下结论。

（1）在选定探测方法之前，应对场地地球物理条件进行评估及试验，传统的勘探仪器及方法运用恰当仍具有良好的勘探效果。

（2）综合利用充电法、高密度电阻率法及激电测深法，工作效率高且操作简便，可以在宏观上揭露渗漏发育的特征和路径；在重点部位钻孔、水质探测可以进行针对性探查，效果显著。

（3）场地的水文地质条件处于复杂动态变化中，如地下水流动和水位升降，因此在物探及水文地质调查的基础上，应加强渗漏缺陷、动态监测及最终成果处理等方面的研究与应用。