论某水库安全鉴定中的综合物探技术

陈秋

摘要：采用高密度电法、孔内波速测井技术，结合水库大坝的安全性评价与勘察。重点阐述了高密度电法、孔径内波速测井的工作原理、工作特点、工作布置原则以及对结果数据的解释。通过实测钻孔的综合物探技术，对坝体充填材料及土岩分界面进行了分析，为工程设计提供了可靠的依据。综合运用多种物理勘探手段，克服了单一地勘的局限，能更真实、准确地反映工程地质情况。该方法不仅为同类项目的施工积累了丰富的经验，而且对其他项目也有一定的参考价值。

关键词：水库；安全评价；综合物探技术；

0 引言

从20世纪80年代到现在，国内外的学者、专家们已经开展了大量的地质勘探工作，并在实际应用中取得了一些成果，其中以高密度电法、地质雷达、高精度磁法为主；高密度电法是目前水库岩溶勘探中最常用的方法，其作用包括：（1）采用高密度电测技术，能初步确定拟建场地沿线岩溶发育状况，并对其空间特性进行了较为精确的圈定；（2）采用高密度电测技术，能对岩溶区进行岩土工程调查，初步确定隐伏构造、构造破碎带、岩溶地貌；（3）在工程设计和施工中，应注意坑道等不良地质现象的存在，为工程设计和施工提供物探基础；（4）利用高密度电法，能确定桥基灰岩层中的溶洞，确定隧道中的破裂区，为今后的工程建设和钻井提供了依据；然而，应用综合物探技术进行大坝安全识别与加固的研究还不多见，本文将高密度电法与孔内波速测井技术结合起来，应用于大坝的安全识别与勘察。

1 工程概况

某水库1959年开始建设，1960年建成，但库区岩体构造节理发育，裂缝发展，风化作用较大，主要因为在建库时没有进行防渗，导致水库竣工后蓄水困难，大坝坝顶和坝基渗漏情况十分严重，已无蓄水能力，1975年开始进行大坝的维修和加固，并于1997～1998年对大坝的左右两个坝头进行了帷幕注浆。

该水库的上游控制区域面积达102.1km2，库容2900万m3，是一座中等规模的水库。工程等级为Ⅲ类，主体建筑等级为三级。拦水结构包括两个主坝和两个副坝，它们的基本特性见表1及表2；水库蓄水高度73.8m，是一个综合蓄水、防洪、养鱼和观光的综合水库。为充分利用水库库区的综合效益，开展水库大坝的安全评估是当务之急。

2 研究区域的地质情况

研究区域地处西山拗褶区的中部，坐落于西山群落，地势险要，东南则是一片开阔的平地。研究区的沉陷时间较长，自第三纪到第四纪晚期开始逐步上升。水库区位于坨里背斜东翼，在白垩纪地层中发育，其轴向近北稍东倾斜；东翼产状较为平坦，西翼存在断裂层，产状陡峭，发育不完全。整个背斜向北倾斜，南段由良乡断裂切割而成，为新生代地层所覆盖。水库坝址和库区的岩性以中生界的白垩纪和第四系地层。第四系地层包括：（1）下统坨里组第三段（K1t3）；呈灰紫色、紫红色中-厚层复成分砾岩、砂岩、粉砂岩为主，分布于该水库的右岸和坝址区；（2）夏庄组一期（K2x1）为灰黄色、杂色岩屑砂岩、粉砂岩，局部有泥岩和复合砂岩，该水库的左岸最常见；（3）夏庄组二期（K2x2）是一种灰黄色、杂色细砂岩、粉砂岩、泥岩互层的地层。

3 综合物探方法的原理及工作布置

3.1 研究区的地质构造特点

本文着重于大坝主坝和副坝的安全评估，重点是对坝基与基岩边界、坝体填充材料的质量进行分析。

由于坝体充填与下伏岩的物性特征有较大差别，特别是电阻率上的差别较大，因此应优先采用高密度电法。在现有的地质资料基础上，通过实例模拟，找出了符合研究区物性特征的不同地层高密度电法的视电阻率，见下表3：

3.2 高密度电法的原理和特点

高密度电勘探阶段，为解决填土与基岩边界的划分，必须沿主次坝底轴线方向，从北到南，共布设1549m。

3.2.1高密度电测量的基本原理

本次高密度电法勘探，采用了温纳型设备，见图1；温纳器装置的A、M、N、B呈等间距布置，其中A和B是供电电极，M和N是测量电极，AM=MN=NB是电极距，电极间距按照距离系数从小到大依次相等的增大，四个电极间的间距也是均匀地分开，采用截面测量方法，所得物探断面范围为倒梯形。

工程探测深度要求是越深越好，因此采用128道接收，3m的极距，最多42层。如果在施工现场不能进行最大排列长度布局，则应依据测区的实际情况，决定所布设的道数及极距。

3.2.2 高密度电法的性能

高密度电法具有投入低、实际效率高、获取信息丰富等优点；结果翻译简单，而且可以明显改善

勘察结果的综合质量评价方法。其特征是：

（1）所有的电极布置都是一次布置，可以进行各种电极布设测量，在没有电极布置造成干扰的情况下，可以获取有关地电结构的地质信息资料；

（2）使数据的收集和归档实现自动化，并可以在现场对数据进行实时处理和离线处理，消除人为因素造成的错误，提高了电阻率方法的智能化；

（3）可以进行各类不同的参数的勘探，利用大量的电学参数，如电阻率、极化率、天然电势等，从电学的角度对岩层结构进行精细的划分。

3.3 孔内波速测井工作原理及应用范围

3.3.1 孔内波速测井原理

通过人工激发地震源，利用激发点检测器和井中波形信号接收点的探测器同时接收地震信号，从而计算出两个传感器接收到的信号时差，然后根据震源到传感器之间的距离，可以得到振动波在地层中的传播速度。

3.3.2 孔内波速测井技术的适用范围

在工程地质调查中经常使用的是孔内波速测井，它的作用是解决下列地质问题。

（1）地质分层：根据采集到的波速的不同，根據所采集的波速的变化，求出各个地层的厚度和弹性波的传播速率，将地层进行分层，确定基础的持力层；

（2）获得试验土的工程特性：除了用Vs来描述土体的工程特性，还可以根据Vs和土体的一些物理和机械参数之间的关系，求出工程力学性能指标；

（3）岩体风化程度划分：在岩体风化后，岩体的组织和组成发生了改变，裂隙发育，岩体破碎，使风化层的速度增加。根据基岩的波速变化，可以对基岩的风化层厚度和风化程度进行分类。

4 综合物探成果资料推断解译

上层是用人工填筑的粘土和砾石；下伏基岩以白垩纪的砂岩、砾岩为主；在对高密度电法主、副坝资料进行解析的基础上，结合钻孔数据和孔内波速试验结果，初步确定了填土与基岩的边界和填充物的密实度。现列举了两个典型的主坝和副坝，进行解释；高密度电法探测是根据基岩与土壤介质导电率的不同，通过人工构建的稳定电流场，来对地下介质的分布进行分析，解决相应的地质问题。

在主坝段0～285m的区间，其埋藏深度在2～10m，其电阻率约400～1500Ω·m，可认为是坝体回填的砂砾料；在0～285m的地层中，地层的厚度比试验深度要高，是低阻岩层，其电阻率大约小于400欧姆，可认是为砂岩/砾岩；

从图2及校验钻孔可以看出：（1）在表层以下厚度11.1m处，其剪切波速度为137～206m/s，属于可塑-硬塑状态；（2）在其底部厚度10.6m处，剪切波速度为321～346m/s，属于中密的砂砾石。地层剪切波速度Vs=265m/s，是可塑-硬塑的沉积粉质粘土层；（3）地层1.1m处剪切波速约372m/s，属于中密的风化残余碎石；下为白垩纪的砂砾岩，砂砾岩，剪切波速为620m/s，是强风化岩石；（4）该钻孔的相对位置在高密度电法剖面104m处位置，而高密度电法在该处的地层厚度为5.7m左右，与波速测试的结果相符。

在副坝断面0～152m的区间，其深度在1～5m，其电阻率为40～70Ω.m，可判断是坝体的回填土；在0～152m的地层中，地层的厚度比试验深度深，是低阻岩层，其电阻率大约小于40Ω·m，可判断是砂岩、砾岩；从图3及校验钻孔可以看出：（1）在表层下厚度8.5m处，地层剪切波速度Vs=129～211m/s，属于可塑-硬塑状态，从该岩层的剪切波速度可判断是第四系粉质粘土层，厚度为1.5 m；（2）下为白垩纪的砂岩、砾岩，含砂砾岩，剪切波速为467m/s，可判断为强烈的风化岩石；（3）该钻孔的相对位置在高密度电法剖面上80m处，而高密度电法在该处划分出的岩体界面深度为3.9m（不计坝高5.18m），与波速试验的解译结果相吻合。

通过以上综合物探技术的分析，可以看出，各个坝体的土料和坝体的砂砾质量都很好，坝体材料均匀，且砂砾均呈中密状态；

5 结论

高密度电法是利用电阻率、极化率、天然电势等主要测量参数的变化来获取丰富的地电学参数，并利用电学参数对复杂的地下构造进行综合划分，这是一种投入低、实际效率高、获取信息丰富的方法；结果解释简单，而且可以极大地改善勘探结果的整体质量，在这次勘探中，对覆盖层和基岩的边界进行了比较精确的划分。孔内波速测井技术是通过波速的改变，来划分地层厚度和弹性波的传播速率。这种方法可以从地层“软”到“硬”的角度来判断地层的划分。

参考文献

[1] 张瑜鹏，夏志强，荣鑫.综合物探技术在大坝坝基渗漏探测中的应用[J].水利技术监督，2022（4）：42-46.

[2] 周华敏，肖国强，周黎明，等.堤防隐患综合物探技术及应用[J].長江科学院院报，2019，36（10）：135-140.