综合物探方法在水库坝堤基础勘查中的应用

马德明 李勃 闫志勇 陈丽 马妍

摘 要：文章介绍了综合应用高密度电法与浅层地震映像法有效探查出某水库坝址下部的断层破碎带及岩溶洞穴的具体分布，为业主单位制定出最佳预防治理方案，确保水库工程建设质量提供了有效的物探资料。

关键词：坝堤基础；高密度电法；浅层地震映像法；断层破碎带；岩溶裂隙

1 引言

水库坝堤是水资源管理、防洪减灾的重要基础设施。它的安全性除了与坝体上部建设质量有关外，很大程度还取决于水库坝址基底岩性的稳定性。据相关资料统计，水库大坝失事约有40%是出在坝基上，原因是水库坝基下部常常发育有岩溶洞穴或断层破碎带等不良地质体，由于施工前没有彻查及妥善有效处置，使建后坝体出现不均匀沉降、滑落，严重者可能出现溃坝洪水风险，给相关地区带来潜在的安全隐患，甚至是造成巨大的生命、财产和环境损失。因此基础处理及基础勘查工作十分重要。

近年来，随着科技的发展，工程物探作为工程勘查的前沿学科发挥了重要作用，高密度影像、浅层地震映像法、多道瞬态瑞雷面波等新方法新技术不断应用，在探测岩溶地区地下溶洞、断层破碎带等地灾评估方面已由辅助手段转为主要手段，改变了过去常规钻探一孔定音、一孔之见片面的勘查模式，省时省力又省钱，收到了良好的效果。

本文介绍的是某拟建水库坝址分布在大理岩地区的岩溶裂隙及构造破碎带发育区段，通过高密度电法辅以浅层地震映像法并经精心探查，查明了断层破碎带及岩溶洞穴的分布特点，为工程制定最佳预防治理方案，确保水库工程建设质量提供了有效的物探资料。

2 场区地质条件及地球物理特征

场区处于某河床及河床阶地中，南北两端为低山丘陵。区域地层岩性为下古生界奥陶系黄顶子组大理岩、板岩、片岩、变流纹岩；中生界白垩系，下白垩系德仁组的安山岩、凝灰岩夹砂砾岩；以及华力西晚期的二长花岗岩。探测区内岩性单一，除地表第四系外主要是二长花岗岩和大理岩以及大理岩与板岩互层。探测目标物是断层破碎带及大理岩中的岩溶发育带。探测区范围为坝基轴线0-20-0+120m段，垂直轴线120m。要求探测深度为50m。

区内中-弱风化的二长花岗岩显示高阻，电阻率在3200-6000Ω.m之间变化；大理岩往往与板岩互层一般在1600-3200Ω.m之间；断裂破碎带由于破碎且富水多在几十-120Ω.m；大理岩中岩溶洞穴或溶蚀沟多被地下水或泥沙充填，电阻率仅有十几-几十Ω.m。理论和实践表明，电性异常，充水断裂往往形成线性或串珠状低阻或低阻带异常，溶洞多表现圆形、椭圆形、囊、蜂窝或串珠状异常形态特征。

地震波弹性波速测试，地表第四系粘土及强风化岩层弹性波速多在n×100-1600m/s范围，中-弱风化的二长花岗岩及大理岩表现弹性波速高，波速大于3000米/秒以上。断裂破碎及溶蚀裂隙发育地段波速明显降低，当大理岩中发育有充土或半充填溶洞则产生绕射波、多次延续波、出现低速带等特征。

理论与实际都表明，探测区岩性与目标物存在电性与弹性波速差异，反映了工作区具备开展电法与浅层地震方法应用的物理基础。

3 方法技术

高密度电法野外数据采集使用国产WG-MD-6型测量系统，观测参数为视电阻率ρs、供电电源由三菱牌MGE2901型2.4KW发电机与整流源整流完成，最大直流电压输出340V，观测方式采用温纳四极装置。在一条多芯电缆上一次布置90-120个电极，仪器自动观测，自动记录。

浅层地震映像法采用国产WZG-24G工程地震仪，采用剖面法测量，检波器为CDJ-38型垂直分量检波器；参数为：记录道数为1道、采样时间200ms、采集点数2048、偏移距10m、道间距距1m，激发震源采用10磅大铁锤敲击铁合金垫板。

测网布设采用手持GPS并辅以皮尺丈量，剖面0线布设是沿大坝主轴线0-20～0+120 m段布设，方位55°。其它测线均以此为轴对称，向两侧依次排开，北侧为1、3线，南侧为2、4线，剖面长为288m。线距30m，点距3m。地震映像法剖面布设是根据实测电法异常及现场情况而定，记录点均布设在电法异常的地表投影处，点距3m。

4 探测效果

探测区通过综合方法探查，推出2条破碎带构造，圈定岩溶洞穴7处，通过工程验证效果很好。本文是以0线为例说明物探综合方法应用的实际效果。

4.1 异常特征

图1为0线高密度电阻率反演拟断面图，图2为0线浅震映像剖面图。

由图1看出剖面下部反映两处明显的低阻体。一处在对应地表0+100m桩下部；另一处在对应地表0+20m下部。

4.1.1 0+100m桩：上部自西向东反映低阻范围较大，向右反映一个开口向上的漏斗状异常，视电阻率小于1000Ω.m，漏斗中心显示低阻带，向右倾，倾角约50°，低阻带两侧为高阻体。推断是两种岩性接触破碎带反映。

地震映像剖面图2在对应部位也出现了地震波同相轴弯曲，局部波形紊乱、波形绕射及波速降低等状况。说明是破碎带，其推出位置及产状与电法推断结果比较吻合，根据物探异常设计了WZK1钻孔，钻孔验证于17.2～22.3m见到破碎带，破碎带上盘为大理岩，下盘为二长花岗岩。

4.1.2 0+20.0m桩：该异常整体处于两个次高阻中间，上部为线性低阻，左倾；下部低阻范围扩大，呈直立椭圆形，视电阻率为50～400Ω.m之间，推断上部是一个往左倾，倾角60°的含水断裂带；下部可能是一个已充填的溶洞，洞顶埋深不好界定，这可能是由于断层与岩溶发育共生，往往是岩溶或溶蚀发育到一定程度，类似于椭圆形的岩溶异常扩大化的取代了线状断裂低阻异常，会导致二者界限不易分辨。

由地震映像剖面图2显示，该深度处地震波同相轴有错断和向上弯曲现象，并且推断为溶洞部位波形紊乱，且呈低速带显示，认为是岩石结构疏松、破碎等不良地质结构信息反映。基于上述设计了WZK2钻孔，该孔验证在19.4～24.7m时确实发现岩石破碎，局段见到断层泥。在24.7～37.2m为溶洞，充填物多为直径100mm的砂砾含泥，在37.2m以下基本上都是中-弱风化大理岩。断层的上下盘主要是强-弱风化大理岩。

4.2 钻探验证

为了解0线0+100m及0+20m桩下部地质情况，先后在0+90m和0+30m桩处分别施工了WZK1和WZK2两个钻孔，孔深均为50米。

4.2.1 WZK1验证结果，①0.0～8.4为粘土含砾；②8.4～17.2为强风化大理岩；③17.2～22.3m为断层；④22.3m以下为完整的中-弱风化二长花岗岩。该验证结果与物探推断吻合很好。

4.2.2 WZK2验证结果，①0.0～6.3m卵漂石含粘土；②6.3～19.4m强风化大理岩；③19.4～24.7m见有断层泥及断层角砾；④24.7～37.2m为溶洞，充填物为砂卵石及粘土。该验证结果与物探推断二者吻合很好。

根据此次勘察，全区共设计16个验证钻孔，其中验证破碎带7个，验证断层及溶洞9个，而只有一孔误差稍大，是验证破碎带的，深度误差约在6米左右，余者定位都很准确，甲方非常满意。

5 结束语

5.1 高密度电法辅以浅层地震映像法，探测水库坝堤基础下断裂构造以及岩溶洞穴等不良地质体取得了良好的勘查成果，为水库大坝基础地灾治理与防护提供了较准确的物探资料。表明物探勘查工作布置得当，工作参数选择合理，工作方法选择正确。

5.2 理论和实践表明，高密度电法具有效率高，反映异常形象、直观、分辨率高的特点；但也反映了它本身的弱点，比如探测深度浅，受外界地磁场干扰大，对接地、地形等条件要求严格；而浅层地震映像法除具高密度电法的一般优点以外，它不但具有分辨率高，还具有勘探深度大，几乎不受地磁场干扰，适合于地表盖层薄和岩石裸露的地段探测，弥补了高密度电法的某些不足。所以两种方法可以相互补充、相互借鉴，相互认证，既可消除单一方法的局限性及多解性，又能大大提升推断解释成果的可靠性。因此，高密度电法、浅层地震映像法在工程勘察领域中，特别探查浅埋深的断层破碎带构造，圈定灰岩地区的岩溶洞穴有着更加广阔的应用前景。

参考文献

[1]何晓燕.中国水库大坝失事统计与初步分析.南方周末报.2011.

[2]王兴泰.工程与环境物探新方法与新技术[M].地质出版社，1996.

[3]董浩斌.高密度电法在隐伏断裂探测中的应用[M].地质科技情报，2003.

[4]张玉芬.反射波地震勘探原理和资料解释[M].北京：地质出版社.2007.

作者简介：马德明（1959-），男，1981年毕业于辽宁冶金地质学校，工程师，多年来主要从事工程物探及地质物探找矿工作。