综合物探法在水利工程岩溶探测中的应用分析

何灿高，王 杰

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

我国西南地区岩溶广泛分布， 岩溶在水利工程建设中容易引起塌陷、 不均匀沉降、 突水等地质灾害，对工程建设产生巨大的影响，工程前期阶段岩溶勘察十分关键，物探勘察方法具备成本低、效率高、探测精度高等优势，被广泛应用于岩溶勘察。

目前常用于岩溶勘察的物探方法主要有高密度电法、瞬变电磁法、浅层地震法、地质雷达法［1］。 高密度电法、浅层地震法、地质雷达法受方法和仪器设备的限制，主要解决地表浅部异常；瞬变电磁法可用于探测深部较小异常，浅部数据可信度差。

本文采用高密度电法进行岩溶探测， 并采用瞬变电磁法对深部岩溶分布特征进行复核， 选取异常测段进行钻孔验证，并进行孔内声波测试、钻孔电视观察进一步验证地面物探成果。

1 工程概况

广西境内某水利枢纽工程， 初定装机容量19.6MW，水库总库容4.28×108m3，拟建坝型为混凝土重力坝，最大坝高90m，坝顶长度321m左右，主要建筑物有拦河坝、泄水建筑物、电站、输水隧洞等，是一座以供水、防洪、灌溉、景观、及旅游通航为主，兼顾发电等综合利用的大Ⅱ型水利枢纽工程。

输水隧洞设计洞底高程为160m， 隧洞部分洞段经过泥盆系灰岩区， 前期勘察资料表明该洞段岩溶较为发育， 为详细查明洞线高程附近岩溶及构造分布特征，决定采用高密度电法、瞬变电磁法进行综合探测， 布置适量钻孔并进行孔内物探测试以验证物探成果。

2 方法与技术

2.1 高密度电法

高密度电法是以地层内隐伏目标体与周边介质或不同物性层间存在的电阻率差异为前提的直流电法，采用密集的阵列式电极排列进行纵横向连续数据采集，可获得丰富的地质信息，兼有电剖面法、电测深法的属性，形成一个倒梯形的二维电性剖面。探测深度随供电极距的增大而增大，约为最大供电极距的1/6。

采用温纳装置，单一排列采用100根电极，沿测线方向滚动测量，隔离系数30，基本电极距10m，最大供电电压420V。

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场， 用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，以解决有关地质问题的时间域电磁法。

采用自发自收多匝小回线磁源，采集数据采用基于“烟圈效应”的相关算法软件进行处理，测量点距5m，采样率1.25MHz，发射频率16Hz，发射电流60A。

2.3 钻孔声波法

单孔声波测试通过测定孔内岩体纵波速度值、进行波速分层并评价其完整性和强度， 结合钻孔电视观察成果，确定岩溶、构造破碎带空间分布。

采用一发双收换能器，在孔内自下而上进行观测，根据发射器到两个接收换能器的纵波初至时差及两个接收换能器的距离，获取孔壁岩体的纵波速度，为保证测试精度，测试点距一般等于接收换能器间距0.2m。

2.4 钻孔电视观察法

钻孔电视观察可直观、 全面地观察孔壁岩体特征，确定岩溶、构造破碎带的空间分布及节理裂隙结构面的分布、产状、充填情况等。

采用全孔壁扫描连续录像方式， 自上而下匀速下放探头观测，下降速度不大于2m/min。

3 工作布置

3.1 高密度电法

沿隧洞位置布设高密度电法测线， 测线沿地表长2090m。

3.2 瞬变电磁法

布置于高密度电法测线桩号23～887m。

3.3 孔内测试

在验证孔BZK2、BZK3、BZK5内基岩段进行单孔声波测试及钻孔电视观察，部分孔段因套管护壁、塌孔等原因未能全部施测。

4 成果分析

4.1 高密度电法

高密度电法测线的桩号0～1966m均位于输水洞线上，测试成果如图1，分析成果如下：

图1 测线电阻率剖面图

沿测线地层总体为“H型”三层地电结构，电阻率特征为高-低-高。

第一层电阻率约10～4000Ω·m，对应含碎石粉质黏土，视碎石和黏性土含量不一电阻率差异较大，黏性土含量较高的分布段电阻率为10～350Ω·m， 碎石含量较高的分布段电阻率为350～4000Ω·m，层厚5～25m。

第二层电阻率约50～500Ω·m， 对应溶蚀发育的基岩，包含含水空洞、黏性土充填的溶洞、溶槽或溶蚀裂隙发育，层厚约15～40m，近水平展布在高程130～210m。

第三层电阻率约500～8000Ω·m， 对应溶蚀不发育的较完整～完整的基岩。

在桩号800，1070，1350m分别发育断层破碎带，F1视倾向小桩号方向，视倾角82°，影响范围约100m；F2倾向大桩号方向，视倾角76°，影响范围约50m；F3倾向小桩号方向，视倾角80°，影响范围约50m。

除桩号300～450m、860～920m外， 洞线基本全线穿越溶蚀发育或完整性差岩体，局部有充填型溶洞发育。

4.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法测线位置与高密度电法测线桩号23～887m重合，测试成果如图2，分析成果如下：

瞬变电磁测深曲线为“A”型三层结构，第一层视电阻率约250～500Ω·m，层厚约5～20m，对应覆盖层；第二层视电阻率约500～1100Ω·m， 层厚约20～40m，对应岩溶发育的基岩，岩溶分布在高程130m以上；第三层视电阻率约1100～1500Ω·m，对应岩溶不发育的较完整～完整基岩。 在桩号810m发育断层破碎带F1，视倾向小桩号方向，视倾角82°，影响范围约100m。

图2 测线视电阻率剖面图

瞬变电磁法与高密度电法探测成果基本一致，测线地层为三层结构，第一层为覆盖层，第二层为溶蚀发育的基岩，第三层为溶蚀不发育的较完整～完整的基岩。高密度电法浅部探测精度较高，瞬变电磁法浅部分辨率低，岩溶探测以高密度电法成果为准，瞬变电磁法复核了高密度电法深部探测成果， 岩溶分布在高程130m以上，高程130m以下未见岩溶分布。

4.3 孔内测试成果

验证孔BZK2，BZK3，BZK5地质编录及孔内钻孔测试成果如表1：

表1 钻孔测试综合成果表

钻孔揭露、 孔内钻孔测试与地面物探成果基本一致，BZK2钻孔位于强溶蚀区，除表层约10m覆盖层外， 下伏岩溶延伸至孔深51m， 电阻率多数低于150Ω·m，岩体波速多低于3000m/s，多形成黏性土充填的溶洞；BZK3钻孔位于岩溶未发育区， 覆盖层以下的灰岩完整， 未见岩溶发育；BZK5钻孔孔深14.5～17m发育含水空洞，为地下水流经通道，形成岩溶溶蚀通道。

钻孔声波测试表明，溶蚀、构造不发育孔段岩体波速范围值、平均值为4800～6380m/s、6000m/s（新鲜灰岩岩块波速取值6400m/s）， 完整性系数平均值0.88，为完整岩体；溶蚀较为发育孔段岩体波速范围值1520～3320m/s，平均值2280m/s，完整性系数平均值0.13，为破碎岩体。

典型声波曲线如图3，（a） 为钻孔BZK2孔深41～51m泥质充填型溶洞声波曲线，（b）为钻孔BZK3孔深90～100m完整岩体声波曲线，（c） 为钻孔BZK5孔深10～20m含水空洞及周边完整岩体声波曲线。

图3 声波测试典型曲线

钻孔电视观察表明， 输水洞线地层为中厚层块状灰岩，节理裂隙发育，裂隙多被方解石脉充填，裂隙张开宽度多为1～3mm， 溶蚀发育严重的区域多形成泥质充填型溶洞或含水空洞。

典型电视观察图像如图4，（a）为钻孔BZK5孔深12.0～13.5m完整灰岩，（b） 为钻孔BZK5孔深13.9～15.2m含水空洞，（c） 为钻孔BZK2孔深45.0～46.5m完全泥质充填溶洞，（d）为钻孔BZK2孔深48.5～50.0m溶蚀发育、部分泥质充填的溶洞。

图4 电视观察典型图像

4.4 综合分析及结论

经钻孔及孔内声波、 电视观察验证， 高密度电法、瞬变电磁法成果较为可信，输水洞线岩体可分为三层结构， 第一层为含碎石的粉质黏土， 层厚约5～25m；第二层为溶蚀发育的灰岩，层厚约15～40m，分布高程约130～210m；第三层为较完整～完整岩体；在桩号约800，1070，1350m分别发育断层破碎带， 除局部测段外， 洞线基本全线穿越溶蚀发育或完整性差岩体，局部有充填型溶洞发育。

溶蚀发育程度较高岩体 （泥质充填型溶洞或含水空洞、溶蚀裂隙发育）电阻率约10～150Ω·m，视电阻率约500～1100Ω·m，声波速度约1520～1800m/s，为破碎岩体； 溶蚀发育程度一般的岩体电阻率约150～500Ω·m， 视电阻率约500～1100Ω·m， 声波速度约1950～3320m/s，为较破碎～完整性差岩体；溶蚀不发育或较少发育的岩体电阻率约500～8000Ω·m， 视电阻率约1100～1500Ω·m， 声波速度约4800～6300m/s，为较完整～完整岩体。

输水洞线综合探测成果如图5。

图5 测线综合探测成果

5 结语

岩溶区洞线为该水利工程隧洞的关键性标段，事关工程成败，经综合物探方法探测及钻孔验证，基本查明岩溶及构造空间分布特征，目前正在修改设计方案，考虑下调洞线高程到130m以下以避开岩溶发育区。

岩溶区地质条件的的多样性、 复杂性及物探成果的多解性，单一方法往往较难解决问题，采用综合物探方法从多个物性参数角度多方位解译工程地质问题，提高探测精度。