第四系地层孔隙潜水调查方法及实践

2014-02-18王志豪张美多何灿高赵吉祥

水利规划与设计 2014年2期

关键词：电法砾石波速

赵楠王志豪张美多何灿高邱锴赵吉祥

第四系地层孔隙潜水调查方法及实践

赵楠王志豪张美多何灿高邱锴赵吉祥

（中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222）

本文简要介绍了探测地下水空间分布的主要物探方法，结合工程实践重点对第四系松散堆积层内孔隙潜水的赋存条件及相应探测方法进行了归纳分析，并对应用效果做了简要评价，同时指出了工作中应予注意的几个问题，可供业内技术人员参考借鉴。

地下水探测地层结构探测方法物性参数方法有效性试验综合物探

1 引言

水是人类赖以生存和发展的重要资源，科学合理地开发、利用和保护水资源尤为重要。我国北方特别是西北地区降水量小而蒸发量大，地表径流多为小规模内陆河流.，电站多以低坝长距引水梯级开发形式建设，因冬季寒冷且延续时间长，可采用“抽水融冰”方案即在经济合理、技术可行前提下开采温度较高地下水汇入引水渠，消融冰层，确保电站正常运转。因此，探测引水线路沿线地下水空间分布情况的重要性不言而喻。

2 方法简介

按赋存条件，地下水一般可分为孔隙潜水和基岩裂隙水等，探测方法视赋存及场地、环境条件和工程要求不同也不尽相同。目前常用找水物探手段主要为电法、电磁法、地震法以及核磁共振法等。除核磁共振为通过测量地层中具有核子顺磁性的氢原子核而直接找水外，其它皆为通过探测含水层实现找水的间接方法。

2.1电法

基于介质电性差异的常规电法主要包括电测深、激电测深及高密度电法等。

影响岩土体电阻率的因素主要为岩性、含水率、粒径、密实度等。对于非饱和第四系地层，其含水率、密实度越高，粒径越小，电阻率越低，反之则电阻率高。水位以下岩土层电阻率则多受岩性及粒径等制约。一般含水层、相对隔水层或饱和地层相对于背景呈现高导电性，但随着地层组成成分不同也有例外。

激电测深二次场的衰减特性对地层含水情况有较好的反映，即极化率、半衰时、激发比与地层含水情况密切相关，含水层的极化率、半衰时等均有相应高值反映。

2.2EH4电磁成像系统

EH4高频电磁测深是重点解决浅、中深度范围内工程及水文地质问题的双源型电磁系统，通过观测电性参数在二维空间的分布特征来确定地层结构、构造破碎带发育情况等，进而预测地下水的空间分布。

2.3瞬变电磁法

瞬变电磁法(TEM) 是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，通过观测感生的二次电磁场空间和时间分布而解决地质问题的时间域电磁法。在确定水文地质构造类型、探测冲洪积层地下水位和基岩埋深等问题中均有较好应用效果。

2.4地震法

对于第四系松散堆积层而言，影响其纵波速度的主要因素为岩性、组分及含水量、密实度等。粗颗粒含量及含水率高的地层具有更高的波速，饱和地层的波阻抗高于低含水率地层，此即为地震波折射和反射法探测地下水的前提。

2.5核磁共振（NMR）法

核磁共振是指具核子顺磁性、磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某特定频率射频辐射的物理过程。

地下水中的氢原子核是第四系地层中氢核的主体，是地层中具有核子顺磁性物质中丰度最高、磁旋比最大的核子。核磁共振法通过改变具氢核旋进频率的外磁场激发电流脉冲的幅值和持续时间，由浅到深地探测地层水中氢原子核的共振信号来测定地下水。共振信号幅值与地层自由水含量成正比，衰减时间反映含水层的平均孔隙度。

2.6综合物探

物探方法探测地下水的前提是含水层与隔水层或围岩间存在一定的物性差异，探测所得只是物性层的空间分布情况，其结果具多解性，即使在高阻背景中探测到低阻层或在松散地层中探测到高速层或波阻抗差异层，也要排除岩性变化等因素影响。此外，物探方法都有其适用性和局限性，因此勘察技术方案的策划应遵循“经济合理、技术可靠、方法适用、简捷易行”原则，根据地形地貌特征、地质条件、沉积环境等，综合分析地下水赋存条件，明确找水靶区，在方法有效性试验基础上选择适宜的方法。在探测条件较差且缺少已知地质资料时，应优选两种以上分别基于不同物性参数的综合物探方法，以提高成果可靠性，指导布置验证钻孔，并将物探成果与验证孔资料综合分析，最终做出合理地质解释。

3 工程实践

3.1工程简介

某山区河谷呈西高东低、西窄东宽的簸箕状。流域内气候干燥、降水稀少，冬季寒冷。根据流域总体规划拟对该河干流进行梯级开发，M电站（一、二级）和其下游的N电站为相邻两级。

因工程建筑规模不大，对基础承载力等要求不高且工程地质条件简单，（1）设计厂房基础开挖深度均约50m；（2）N电站拟采用抽水融冰技术，故勘察重点为水文地质调查，即查明地下水空间分布等。

3.2地质概况

河道两侧为中低山区，沿河坳陷为新生代山间谷地，坳陷区内为山前洪积倾斜平原和河流侵蚀堆积地貌。洪积平原分布在左岸，地势开阔，冲沟发育，由新老洪积扇叠置而成。

拦河闸建于M电站，其右岸山体岩性为灰岩和石英质砂岩；河床为第四系全新统冲积砂卵砾石；左岸及引水渠和厂房所在洪积扇为第四系上更新统-全新统冲洪积砂卵砾石，地层厚度大于100m。

“两山夹一谷”的地貌轮廓决定了两岸山区是地下、地表水的补给区，河道及两侧山前地带则为径流与排泄区。

3.3M电站

方法有效性试验结果表明：地层物性参数横向变化较大，电测深曲线一般呈“H”、“Q”或“K”型。表层电阻率和波速为2000～6000Ω·m、1000～1200m/s和600～1600Ω·m、900～1100m/s，分别对应粒径及粗颗粒含量不同的松散干燥砂卵砾石；下伏地层电阻率和波速为1000～2800Ω·m、1500～1700m/s和400～1000Ω·m、1500～2200m/s，分别对应密实和饱水砂卵砾石。电法与地震折射对地层结构的划分一致并与已知地质资料基本吻合。

鉴于地下水埋深较浅（小于50m）且电法、地震折射法对其反应明显，探测采用以高密度电法为主适量辅以地震波折射法的综合物探方法。

图1为拦河闸部位电阻率断面图，由图可见：浅部电阻率横向变化较大，表征了砂卵砾石层的不均质性，中间为低阻含水层，下伏高阻体基本反映了基岩面的起伏形态。

图1 M电站拦河闸部位电阻率断面图

结合地质资料分析物探成果可得，测深范围（60m）内，地层可分为2～3个物性层，表层为松散干燥砂卵砾石，各工程部位厚度不等，一般1.5～12.0m，二级厂房部位较厚，电阻率、波速分别为1600～6000Ω•m、900～1200m/s；下伏地层变化较大，河床部位为含水层（电阻率、波速分别为400～1000Ω•m、1500～2200m/s），厂房部位为相对密实砂卵砾石，电阻率、波速分别为1000～2800Ω•m、1500～1700m/s，一级厂房处未见底面，二级厂房部位底面埋深35.0～42.0m；第三层在河床处为基岩、二级厂房处为含水层，电阻率、波速分别为2000～6000Ω•m、3500～4000m/s和450～900 Ω•m、2000～2200m/s。施工后的开挖结果表明，物探结果与实际地下水位间误差小于5%。

3.4N电站

因引水渠线逐渐远离河道向洪积扇中部延伸，地下水位渐次变深。为准确测定地下水位，沿渠线正交或斜交布设测线，测线密度每公里1条并在水位变化较大部位加密。厂房部位测线交叉布设。

3.4.1 方法有效性试验

重点对地震波折射和反射法、电测深及激电测深、EH4等进行了有效性试验，结果表明：除砂卵砾石外，冻土层对电极布设及供电均有很大影响。EH4测试磁分量信号较弱，纵波速度呈渐变状且层间差异较小，检波器布置较困难。

虽然引水渠与M电站尾水相连，但地层物性参数迥异，电测深曲线多呈“H”、“A”、“HA”或“AA”型（ABmax为1000m）。上部视电阻率70～200Ω•m，深部大于450Ω•m。按波速可分为4～5层，从表层800m/s渐变至深部的2400～2900m/s，中间层波速1200～2400m/s，表明随深度加大地层组分粒径、密实度逐渐变大，含水量渐增。除水位上、下地层波阻抗差异较大外，其它层间反射系数较小。

激电测深ABmax为1000m，电极埋置于冻土层下，实测极化率、激发比及衰减度等在推断的水位附近均有显著变化，含水层极化率、激发比大于0.15，衰减度大于60%。

EH4采用测点距、电偶极距均为40m的完整覆盖观测系统，测试结果与电法基本一致，100m深度范围内浅部地层电阻率60～160Ω•m，下部地层大于400Ω•m。

综合考虑确定以地震波折射法、高密度电法为主并辅以EH4（地下水埋深较大区域）的综合物探法探测地层结构及地下水，适当布置激电测深法校核地下水位。

3.4.2 解释分析

（1）地震波折射法。选择多重追逐—相遇时距曲线观测系统，资料解释使用“t0”法，表层和深部地层采用截距时间法。

结果表明：测深范围内可分为5层；第1层为细颗粒成分含量较高的干燥松散地层，波速600～900m/s，底面埋深5.0～9.0m；第2～4层为随粗颗粒成分含量及密实度渐增而波速递增的渐变层，波速分别为1600～1900、1900～2200、2200～2400m/s，底面埋深为9.0～14.0、36.0～43.0、42.0～94.0m；第5层波速2400～2900m/s，为粗颗粒含量高、渗透性较强的含水层。

（2）高密度电法。采用垂向分辨率较高的温纳装置，120根电极，基本电极距5.0m。使用RES2DINV高密度电阻率二维反演软件处理。

图2为厂房区电阻率断面图，由图可见：横向电阻率差异不大，局部有低阻凹槽，随深度增大电阻率递增，可分为三个电性层。表层为细颗粒含量较高砂卵砾石，电阻率60～180Ω•m，厚20.0～25.0m；第2层以电阻率梯度较大的720 Ω•m等值线为界底面埋深约57.0m，为粒径渐大、密实度渐增、渗透性渐强的砂卵砾石；下伏为粒径较大、细粒充填物较少、渗透性较强的含水砂卵砾石层。

图2 N电站厂房区电阻率断面图

（3）其它方法。图3为厂房区激电测深成果图。综合分析电阻率、极化率、衰减度及激发比等参数可见：埋深约60m以下地层电阻率大于350Ω·m，极化率及激发比大于0.15，衰减度大于60%，对应含水层。

根据EH4探测电阻率断面图，结合各层电性特征，由电阻率的高低及分布形态对地电剖面予以解释。图4为典型EH4探测电阻率断面图（埋深100m以下地层未显示）。

由图4可见：电阻率单调递增、横向分布稳定。埋深约40m以上电阻率60～160Ω·m；60～80m间电阻率变化梯度较大；约70m以下地层电阻率大于450Ω·m，为粗颗粒含量高的含水层。

图3 激电测深成果图

图4 EH4探测电阻率断面图

3.4.3 成果概述

探测成果表明：沿渠线除S0+000～S2+500段地层为4层结构外均可分为5个物性层。第5层为含水层，随渠线与河道空间展布位置变化，沿渠线地层结构及物性参数差异不大但各层层厚有所变化，尖灭或透镜体发育，局部近地表有不均质体分布，各层波速、电阻率均随深度单调递增，地下水埋深及高程变化较大，自M电站尾水到N电站引水渠S2+500间水位较稳定（高程约1675m），随渠线渐离河道而深入洪积扇，地下水埋深渐增，S5+000以后超过60m，S9+000处增大至约90m（高程约1630m），S9+000～S14+620段维持在约92m（高程约1615m）左右，厂房区地下水埋深约65.5m（高程约1675m）。

3.5综合分析及质量评价

为消除方法的局限性和多解性，探测使用基于弹性和电性差异的综合物探方法，地层结构划分以地震法为主，综合电法资料对地层含水情况定性。

探测结果表明：EH4和高密度电法探测结果一致，但地层电阻率略有差异。高密度电法、EH4与地震波折射法对地下水位探测结果基本吻合。

对比物探与钻探成果可见：厂房区物探推断地下水位与钻孔揭示水位（62.0m）的相对误差小于8.1%；物探测定抽水试验井部位地下水埋深分别为42.8、91.5m，而钻孔揭示地下水埋深为40.0、87.8m，相对误差分别为7.0%和4.8%。

3.6对比分析

M与N电站相距十余公里，地形、地质条件基本一致，但地下水埋深和含水层电性特征差异较大，相对于背景含水层电阻率分别表现为“低阻”和“高阻”。此现象由地质条件、沉积环境及与河流关系、地下水赋存条件等所致。孔隙潜水赋存于渗透性较强地层中，与补给源的分布位置关系密切。上游M电站砂卵砾石粗颗粒含量大于75%，而N电站则为50%左右，且细颗粒成分以砂质粉土或粉细砂为主；M电站距河道较近，地层渗透性较好，地下水位相对较浅，而N电站远离河流靠近洪积扇腹地且地层渗透性相对较差，故地下水埋深较大。

粗颗粒含量较高砂卵砾石电阻率取决于含水量。含水与干燥砂卵砾石间电阻率变化梯度大、界面清晰，故在M电站只凭借高密度电法即可较圆满查明地下水位。而N电站细颗粒含量较高的浅部砂卵砾石电阻率小于深部粗粒径成分含量高的含水砂卵砾石，且电性差异较小，欲查明地下水位须结合弹性差异而采用综合物探。