地面和井中物探的综合应用

刘占兴，刘 洁，赵吉祥

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

高密度电法其本质属直流电阻率法的范畴，是一种阵列式测量方法，该方法集中了常规电剖面法和电测深法两者的特点，既能探测地下某一深度水平方向的电性变化，又能探测沿垂向的电性变化情况，而且高密度电法测点密度大、工作效率高，能适应各种地电条件的勘探。我国自20世纪80年代中期以来，利用高密度电法在水利水电工程勘察中取得了丰富的地质勘察效果。在诸如覆盖层、构造、岩层划分、地质灾害、岩溶、堤防隐患探测等方面都取得了较好的应用[1-4]。

声波测井技术出现于20世纪中叶，经过多年的发展，现如今已成为物探测井技术中重要的测井方法之一。目前应用声波测井技术定量或准定量的评价岩体质量已经非常成熟，被广泛应用于水利水电工程勘察领域，并取得了显著的应用效果和社会效益[5-8]。钻探是一种能够直接获得地下岩体信息的勘察手段，但岩芯从钻孔内取出后，将失去其原位和原状信息，且对钻孔内的小裂隙、岩脉和小溶洞发育情况无法形象感知，为解决以上问题，钻孔全景数字成像技术应运而生，通过原状图像特征可对孔内现象进行定性描述和定量分析，在水利水电工程勘察中也得到了广泛应用[9-10]。水利水电工程勘察除了单独利用某一种测井技术之外，其综合测井技术对于深部岩体勘察具有更好的效果，能够克服单一测井方法的不足，并能进行有效互补[11-12]。

综合物探方法用于水利水电工程勘察，更多的是地面电法、电磁法和地震物探方法的综合，且都取得了一定的应用效果[13-14]。而利用地面和井中的物探方法有效结合、综合分析应用较少，但往往取得了更好的应用效果[15-16]，解决了单一方法的局限性，体现了融合技术的优势。本文以某水库工程勘察为例，介绍了综合利用地面和井中物探成果，对地层结构及性状做精细解译，成功应用于水利水电工程勘察。

1 方法简介

1.1 高密度电法

高密度电法其基本原理与常规直流电法原理相同，是以探测地质体与围岩的电性差异为基础。通过接地电极将直流电供入地下，建立稳定的人工电场，在地表观测某点垂直方向及水平方向的电场分布规律，从而了解岩层的分布及地质构造特点，进一步解决相应地质问题。

高密度电法的探测装置有多种，如温纳(对称四极)、偶极、微分、三极等装置。在工作中可根据探测目标体与实际情况选择，最常见的数据采集方式是温纳装置(α排列)，其视电阻率为：

(1)

式中，ρs—视电阻率，(Ω·m)；K—装置系数；a—步长，m；ΔV—测量电极间的电位差，V；I—测量电极间的电流强度，A。

本次物探工作使用的仪器是精凡科技有限公司生产的N2电法测量系统。野外勘探工作中选用温纳装置，即AM=MN=NB=a，记录点取在MN的中间。使用电极数为100个，电极距为5m，最大隔离系数为33，采集系统通过电脑控制得到一条完整的视电阻率垂向测深断面如图1所示。

图1 高密度电法温纳装置示意图

高密度电法的解释成图由电脑软件完成，首先将数据进行坏点剔除、数据平滑、地形校正等预处理，然后使用RES2D二维高密度电法反演软件进行数据反演处理，并通过不断调整反演参数得到最终反演电阻率成果，最后绘制反演电阻率断面图。断面图可反映出所测断面电性变化，可直观定性的划分各岩层的分布情况。

1.2 声波测井

单孔声波检测反映的是沿孔深方向孔壁附近岩体波速值的变化情况，就垂直孔而言，对缓倾角裂隙等反应灵敏，是反映微观的、局部的测试结果。

井下一般采用一发双收装置，如图2所示。记录点为接收换能器R1和R2中间位置，孔壁附近岩体的纵波速度值计算公式为：

图2 单孔声波观测系统示意图

VP=L/(tR2-tR1)

(2)

式中，VP—纵波速度值，m/s；L—两个接收换能器间距，m；tR1—发射器T到接收换能器R1的纵波初至时间，s；tR2—发射器T到接收换能器R2的纵波初至时间，s。

本次单孔声波测井使用的仪器是重庆奔腾数控研究所生产的WSD-2A数字声波仪。单孔声波在无金属套管、有水耦合的钻孔中测试，点距为0.2m。

数据处理主要是根据实测岩体声波速度，绘制声速-孔深曲线，并据此划分表征不同岩体强度的速度层位，确定岩体风化卸荷深度及裂隙密集带、软弱夹层的空间分布位置，同时计算岩体完整性系数。

1.3 钻孔全景数字成像

钻孔全景数字成像工作通过对实时摄录的圆环图像按照一定的方位顺序进行展开，并根据记录的深度进行连续拼接，形成展开式钻孔孔壁图像。钻孔全景数字成像探头结构如图3所示。

图3 探头结构示意图

本次钻孔全景数字成像使用的仪器是武汉固德科技有限公司生产的超高清全智能CD3Q-GA孔内电视。钻孔全景数字成像在清水孔或无水孔中进行，将探头在孔中居中，并调节摄像头焦距、光圈，得到井壁的清晰反射图像。采用适当的观测速度，对整孔进行探测。

资料整理与分析主要应用仪器自带的专用软件对原始数据进行地质现象编录和描述，并计算出裂隙、断层、软弱夹层等的倾角、倾向及其厚度，对裂隙节理性状如性质、充填情况、裂隙面等进行描述，对不同类型裂隙节理的发育分布规律进行统计分析，进而对各钻孔裂隙的产状进行统计分析。

2 工程实例

2.1 工区地质条件

某水库坝址区出露地层主要为白垩系下统苍溪组(K1c)及第四系全新统(Q4)松散堆积层。白垩系下统苍溪组(K1c)主要由砂岩及粉砂质泥岩组成，岩层产状N50°～60°W/SW∠1°～3°，岩层平缓。第四系全新统(Q4)松散堆积层主要由崩坡积组成，崩坡积由孤块石、卵石夹少量砂土组成，局部为粉质粘土夹块石、卵石组成，结构较松散。

坝址区无断裂、断层发育，节理裂隙不发育。坝址两岸大多基岩裸露，有一定的风化卸荷，强风化带岩体透水性较强，弱风化岩体透水性一般中等，新鲜岩体属弱～微透水层。区内地下水主要为第四系松散层中的孔隙潜水和基岩裂隙水。

2.2 地球物理特征

根据理论分析和方法试验结果，测区主要地层物性参数常见值见表1。

表1 主要岩土体物性参数表

2.3 物探成果综合分析

测线位于坝址右岸，沿地表长495m，水平长度为480m，地表以崩坡积为主，局部可见大块孤石，地形较平坦。

根据反演电阻率断面图如图4所示。探测范围内垂向大致分为3层电性结构，电阻率随埋深增大呈现“低-高-低”的电性特征，电测深曲线类型为“K”型，各层底界面均较平缓。第1层电阻率约为30～65Ω·m，底界面高程约285～293m，厚度约3～10m。第2层电阻率约为45～95Ω·m，底界面高程约265～275m，厚度约10～20m。大致以水平桩号230m为界，左侧电阻率值相对较高(65～95Ω·m)；右侧方向电阻率值相对较低(40～65Ω·m)，并呈现出往右侧逐渐降低的趋势。第3层电阻率约为30～65Ω·m。

图4 反演电阻率断面图

根据钻孔声波测井剖面图如图5所示。在第2层电性结构的深度范围内，声波速度横向存在明显差异，ZK10孔和ZK6孔整体波速明显高于ZK12孔和ZK14孔。在第3层电性结构的深度范围内，其声波速度横向差异不大。

图5 声波测井剖面图

根据各钻孔孔壁图像如图6所示。在高程280m附近岩性均为砂岩，但裂隙发育存在较大差异，ZK10孔和ZK6孔裂隙不发育，ZK12孔裂隙稍发育，ZK14孔裂隙较发育。

图6 各钻孔高程280m处典型孔壁图像

由于第2层电性结构横向上存在明显差异，故进行高密度电法、声波测井、钻孔全景数字成像综合分析，根据各物探方法可得出钻孔附近第2层电性结构物性特征见表2。

表2 物性特征汇总表

综合分析地面和井中物探成果，并结合地质资料分析推测：第1电性层岩性以覆盖层和强风化砂岩为主；第2电性层岩性以弱风化～微新砂岩为主，但横向岩层结构存在较大差异，左侧岩体强度相对较高、裂隙不发育、较完整，右侧岩体强度相对较低、裂隙稍发育、完整性差。第3电性层岩性以微新泥岩、粉砂质泥岩为主。

3 结论

(1)高密度电法具有数据丰富、解译精度高等特点，对层状地层结构探测具有较高的横、纵向分辨率。

(2)声波测井和钻孔全景数字成像可以对岩体强度、完整性、裂隙发育情况做出精细分析，能够较好的确定低速带或结构面发育的空间位置。

(3)工程物探勘察中会存在地质情况的复杂性和地面物探成果的多解性。利用高密度电法基本可查明地层情况，但不能定量判断同一地层的结构差异；而声波测井和钻孔全景数字成像可为高密度电法解译时提供地层的精细结构。故在地面物探成果解译时，综合分析应用井中物探成果，可提高成果的准确度、精确度。