综合物探方法在内蒙古某水库坝址区地质勘查中的应用研究

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

1 概况

1.1 工程概况

内蒙古某水库工程是内蒙古锡伯河上唯一的重要控制性工程。以防洪和城市供水为主。 该工程的比选坝址有两个，即下坝址(推荐坝址)和上坝址(比较坝址)。下坝址位于五家村南1.0 km处，正常蓄水位约950.0 m。坝址以上河长33.3 km，水库控制面积409 km2，占流域总面积的19.3%，回水长度约8.0 km，坝长约900 m，拟建坝高约45 m。上坝址位于正常蓄水位973.0 m，坝长约800 m，拟建坝高约40.0 m。

1.2 物探工作任务

本次物探工作的目的是，利用综合物探方法对坝址区的断层及破碎构造带、岩体的波速及完整性系数等参数进行测量，为地质工作提供基础资料。

1)在上下坝址上坝线区域布置高密度电法断面，完成坝线地质构造勘察，结合地质工作，查明坝址区河床段顺河断层及破碎带的位置、规模、延伸情况；

2)完成坝址区地质勘查孔内波速测试，提供岩体的波速、完整性系数。

1.3 物探工作量

本次物探工作共完6个高密度电法剖面和12个孔内波速测试，其中地震波速测试为全孔测试，声波测试从水位线以下至孔底。其中K8、K9和SK3三个孔只进行了声波测孔。外业工作量见表1。

2 工作方法与技术

本次工作分地面物探工作和测井物探工作。地面物探应用高密度电阻率法，测井物探为地震测井和超声波声速测井相结合的综合测井方法。

2.1 地面物探

2.1.1 高密度电法方法原理

高密度电阻率法的最显著的特点是测量点距密度大，由于点距密，获取的地层地质信息丰富详细，其信息量是以往的常规电法所无法比拟的。所以能较详细地了解地层的结构和构造特征，使探测精度大大提高。

AMN∞与∞MNB视电阻率断面对于在高阻围岩中的薄板低阻带(即断层或破碎带)具有明显的反映，断面特征显著，异常易于识别，是探测断层的有效方法。如果测线范围内有薄板低阻带，以薄板低阻带与测线的交点为中心，AMN∞断面呈现由高阻向低阻过渡的趋势，∞MNB断面呈现由低阻向高阻过渡去趋势。

表1 外业工作量统计表

2.1.2 高密度电法测线布置原则

每个测区布置一条主测线，控制整个测区，另外为探测断层的走向，再布置若干条辅测线。测线方向应垂直于被探测地质体走向布设，如有河流、道路、村庄等，受场地条件限制时，应做到测线方向与被探测地质体的走向尽量大角度相交；测线位置选择在有效的控制范围大、地形相对平坦、接地条件好、远离居民区、干扰小的最有利的地段。

2.1.3 主要测线布设

本次工作在上坝址布置一条高密度电法断面，由于坝轴线左端有民宅分布，并且与省道206相交，故无法完全沿坝线布置，根据高密度电法测线布置原则，适当偏移，以避开民宅，穿过公路桥下。上坝址主测线未发现异常，故不需布置辅测线追踪异常。下坝址上坝线高密度电法断面分为三条主测线与两条辅测线，由于省道206与坝轴线相交，故在省道206东西沿坝轴线各布置一条主测线，在两条测线断开部分适当偏移至可穿越公路的公路桥下布置第三条主测线，用以连接勘察区域。下坝址上坝线主测线共发现两个异常区域，所以布置两条辅助测线用以追踪异常走向。

本次高密度电法工作最大供电电压为360伏，MN间距等于5 m，测量点距5 m，主要最大供电极距AO、BO为107.5 m。

2.2 测井物探

地震波速测井采用检层法，点距一般为3 m。地震仪观测记录时，采样时间50 μs，全通滤波，放大器最大增益80 db，多次叠加。

斜距时间校正公式：

(1)

式中 t＇为垂距时间值；t为斜距时间值；h为检波器放置深度(m)；H为电火花震源激发深度(m)；x为钻孔与震源副孔距离(m)。

声速测井采用点测法，孔内一发双收测井声波探头，测点距0.2～0.5 m。

2.3 主要仪器设备

1)WDJD—2多功能数字直流激电仪、WDZJ—1多路电极转换器，重庆奔腾数控技术研究所制造。该仪器是目前国内较先进的电法仪器，存储量大、测量准确。具有接地检查功能，对接地不好的电极，可及时检查并报警，保证测量数据的准确。

2)“WZG—24工程地震仪” 重庆奔腾数控技术研究所制造。其主要性能如下：24道接收通道；最大采样点数可达16 384点；采样率10 μs～20 ms；A/D转换器为24位；信号迭加增强到32位；动态范围140 dB；通频带0.1～4 000 Hz； 全频状态下噪音电压为1 μV。

3)“WSD—1多道数字声波仪”：重庆奔腾数控技术研究所制造。发射电压100～1 000 V，采样间隔0.1～3 276.7 μs，采样长度1～4 K，最大增益80 db，声时测量精度±0.1 μs。

4)“FSS测井声波探头”：江苏扬州广陵区万象电子器件厂制造。

5) “CDJ—JG38型38赫井中高灵敏度三分量检波器”：重庆地质仪器厂制造。自然频率38±5%(Hz)，灵敏度1±5%(V/cm·s-1)。

3 资料分析解释

3.1 高密度电法资料解释

3.1.1 上坝址

本次物探工作上坝址布置了一条高密度电法断面，MN间距5 m，测量点距5 m，断面大极距装置最大供电极距AO、BO为107.5 m，由于采取大极距装置会在断面头尾产生较大的盲区，为了缩小盲区范围，故在断面头尾各补充一个小极距装置，最大供电极距AO、BO为37.5 m。上坝址断面大极距装置等视电阻率断面图见图1。

从等视电阻率断面图来看，断面左部区域视电阻率明显高于右部区域，由于整条断面视电阻率差异过大，需要提取几条某一深度的视电阻率，组成特定深度的视电阻率剖面，用以分析该深度的视电阻率趋势。综合分析上坝址等视电阻率断面图与视电阻率剖面图，具有如下特征：AMN∞剖面与∞MNB剖面由右至左、由上至下视电阻率逐渐增大，同一深度视电阻率在记录点360 m之前为AMN∞视电阻率大于∞MNB视电阻率的分离状态，之后相交趋于合并，其后无分离趋势，故可分析为此断面无异常。

图1 上坝址断面大极距装置等视电阻率断面图

3.1.2 下坝址

下坝址布置了三条主测线与两条辅测线共5条断面。

(1)下坝址Ⅰ断面由于采取大极距装置，会在断面头尾产生较大的盲区，为了缩小盲区范围，故在部分断面头部补充一个小极距装置，MN间距5 m，测量点距5 m，最大供电极距AO、BO为37.5 m。下坝址Ⅰ断面尾部坡洪积较厚，无法应用小极距装置。

下坝址Ⅰ断面头部小极距装置等视电阻率断面图见图2。

图2 下坝址Ⅰ断面头部小极距装置等视电阻率断面图

为了便于分析AMN∞剖面与∞MNB剖面变化规律及相互关系，提取一个深度的视电阻率剖面。 综合分析下坝址Ⅰ断面头部小极距装置等视电阻率断面图与视电阻率剖面图，具有如下特征：AMN∞剖面与∞MNB剖面由左至右、由上至下视电阻率逐渐增大，同一深度视电阻率在记录点50 m之前为AMN∞视电阻率大于∞MNB视电阻率的分离状态，50～70 m之间相交，70 m之后为∞MNB视电阻率大于AMN∞视电阻率的分离状态，故可分析该断面在50 m处存在一低阻异常带。为了确定该低阻异常带是否为构造破碎带或断层，需要布置一平行测线在异常带的纵向空间进行检验，故在下坝址Ⅰ断面头部上游方向约200 m处布置一条辅助测线，即下坝址Ⅴ断面。断面MN间距5 m，测量点距5 m，最大供电极距AO、BO为32.5 m。

下坝址Ⅴ断面等视电阻率断面图见图3。

图3 下坝址Ⅴ断面等视电阻率断面图

为了便于分析AMN∞剖面与∞MNB剖面变化规律及相互关系，提取一个深度的视电阻率剖面。 综合分析下坝址Ⅴ断面等视电阻率断面图与视电阻率剖面图，具有如下特征：AMN∞剖面与∞MNB剖面由左至右视电阻率高低交替，由上至下视电阻率逐渐增大，同一深度视电阻率在记录点80～130 m之间为AMN∞视电阻率大于∞MNB视电阻率的分离状态，130 m处相交，130～160 m之间为∞MNB视电阻率大于AMN∞视电阻率的分离状态，故可分析该断面在130 m处存在一低阻异常带，结合下坝址Ⅰ断面头部小极距装置的分析结果，可确定该异常为小规模构造破碎带。

下坝址Ⅴ断面与下坝址Ⅰ断面头部小极距装置断面平面位置综合分析，可推断出此破碎带走向。下坝址Ⅰ断面大极距装置，由于省道206的限制，最长可布置800 m。断面MN间距5 m，测量点距5 m，最大供电极距AO、BO为107.5 m。

下坝址Ⅰ断面等视电阻率断面图见图4。

图4 下坝址Ⅰ断面大极距装置等视电阻率断面图

为了便于分析AMN∞剖面与∞MNB剖面变化规律及相互关系，提取两个深度的视电阻率剖面，综合分析下坝址Ⅰ断面等大极距装置视电阻率断面图与视电阻率剖面图，具有如下特征：AMN∞剖面与∞MNB剖面由左至右视电阻率先增大后减小，由上至下视电阻率逐渐增大，同一深度视电阻率在记录点350 m之后为AMN∞视电阻率大于∞MNB视电阻率的分离状态，且有趋于相交的趋势，但限于剖面长度的制约，无法判定800 m之后的趋势，故有待后续断面补充。

(2)下坝址Ⅱ断面与下坝址Ⅰ断面之间相隔省道206，其MN间距5 m，测量点距5 m，最大供电极距AO、BO为107.5 m。由于该区域坡洪积较厚，故无法应用小极距装置以缩小盲区。下坝址Ⅱ断面等视电阻率断面图见图5。

图5 下坝址Ⅱ断面等视电阻率断面图

提取两个深度的视电阻率剖面，综合分析下坝址Ⅱ断面等视电阻率断面图与视电阻率剖面图，具有如下特征：AMN∞剖面由左至右视电阻率逐渐减小，∞MNB剖面左至右视电阻率逐渐增大，同一深度视电阻率在110 m之后为∞MNB视电阻率大于AMN∞视电阻率的分离状态，但限于剖面长度的制约，无法判定110 m之前的趋势，但结合下坝址Ⅰ断面的数据，可以推测在Ⅰ、Ⅱ断面之间可能存在AMN∞剖面与∞MNB剖面的相交点。

(3)在Ⅰ、Ⅱ断面之间上游方向100 m处的省道206公路桥下布置链接两断面的Ⅲ断面。下坝址Ⅲ断面大极距装置， MN间距5 m，测量点距5 m，最大供电极距AO、BO为107.5 m。下坝址Ⅲ断面大极距装置等视电阻率断面图见图6。

综合分析下坝址Ⅲ断面大极距装置等视电阻率断面图与视电阻率剖面图，具有如下特征：AMN∞剖面与∞MNB剖面由左至右视电阻率高低交替，由上至下视电阻率逐渐增大，同一深度视电阻率在190 m之前为AMN∞视电阻率大于∞MNB视电阻率的分离状态，但限于断面盲区的制约，无法判定190 m之后的趋势，所以为了缩小盲区，在本断面上应用小极距装置加以补充。下坝址Ⅲ断面小极距装置，MN间距5 m，测量点距5 m，最大供电极距AO、BO为52.5 m。下坝址Ⅲ断面小极距装置等视电阻率断面图见图7。

图6 下坝址Ⅲ断面大极距装置等视电阻率断面图

图7 下坝址Ⅲ断面小极距装置等视电阻率断面图

提取一个深度的视电阻率剖面，综合分析下坝址Ⅲ断面小极距装置等视电阻率断面图与视电阻率剖面图，具有如下特征：AMN∞剖面与∞MNB剖面由左至右视电阻率高低交替，同一深度视电阻率在240 m之前为AMN∞视电阻率大于∞MNB视电阻率的分离状态，240 m之后AMN∞视电阻率呈现下降趋势∞MNB视电阻率呈现上升趋势成分离状态，故可分析该断面在240 m处存在一低阻异常带。

为了确定该低阻异常带是否为构造破碎带或断层，需要布置一平行测线在异常带的纵向空间进行检验，故在下坝址Ⅲ断面下游方向约450 m处布置一条辅助测线，即下坝址Ⅳ断面。断面大极距装置MN间距5 m，测量点距5 m，最大供电极距AO、BO为107.5 m。由于采取大极距装置会在断面头尾产生较大的盲区，为了缩小盲区范围，故该在断面上应用小极距装置，最大供电极距AO、BO为52.5 m。

下坝址Ⅳ断面大极距装置等视电阻率断面图见图8，下坝址Ⅳ断面小极距装置等视电阻率断面图见图9。

综合分析下坝址Ⅳ断面大极距装置及小极距装置等视电阻率断面图与视电阻率剖面图，具有如下特征：AMN∞剖面与∞MNB剖面由左至右先视电阻率先减小后增大,由上至下视电阻率逐渐增大，同一深度视电阻率在记录点130 m之前为AMN∞视电阻率大于∞MNB视电阻率的分离状态，130 m处间相交，130 m之后为∞MNB视电阻率大于AMN∞视电阻率的分离状态，故可分析该断面在130 m处存在一低阻异常带，结合下坝址Ⅲ断面的分析结果，该异常应为断层及破碎带。下坝址Ⅲ断面与下坝址Ⅳ断面断面平面位置综合分析，可推断出此断层及破碎带走向。

图8 下坝址Ⅳ断面大极距装置等视电阻率断面图

图9 下坝址Ⅳ断面小极距装置等视电阻率断面图

3.2 钻孔波速测试

本次物探钻孔波速测试采用声波测试与地震波测试两种方法，相互矫正，综合对比分析。声波测试得出的波速值及波速曲线图能很直观的反映钻孔岩体的变化，对断层及破碎带反映较敏感，而且其深部波速值可近似等于完整岩块的纵波速度。

地震波测试具有能量大，测程长等特点，能反映一段岩体的波速值，并计算岩体的完整系数，评价岩体的完整程度。

本次测试共完成12个钻孔的测试工作，其中12个钻孔进行了声波测试，9个钻孔进行了地震波测试。根据9个做了两种方法的钻孔的声波测试与地震波测试综合对比分析，给出3个没有进行地震波测试钻孔(K8、K9、SK3)的纵波建议值。

岩体完整性系数计算公式：

(2)

式中：KV为岩体完整性系数；Vpm为岩体纵波速度(m/s)；Vpr为完整岩块的纵波速度(m/s)。

完整岩块的纵波速度的取值是参考物探规范附录B中的物性参数表给出的波速值并结合本次工作测试孔内声波的较大值确定，完整岩块的纵波速度花岗岩、闪长岩取6 000 m/s。

岩体完整性划分按照《水利水电工程物探规程》(SL5010—92)中表3.5.8‘岩体完整性系数分类表’划分，详见表1。

表1 岩体完整程度划分表

4 勘探结果评价

4.1 上坝址区

通过孔内波速测试得到上坝址区地质勘查钻孔的岩体完整性分析与波速值，对SK1、SK3、SK4和SK5进行完整性统计分析，其统计方法主要按不同的风化程度分别统计。统计结果见表2。由表2可知，上坝址强风化岩体综合完整性系数为0.14，属破碎；弱风化岩体综合完整性系数为0.43，岩体完整性差；微风化～新鲜岩岩体完整性系数0.67，属较完整。

4.2 下坝址区

通过下坝址Ⅰ断面与Ⅴ断面高密度电法勘察，确定该区域有一低阻异常带F1，即破碎带，由于受勘测区域地形条件限制，无法布置足够长的电法断面，故无法确切勘测断层倾向。

由物探勘测低阻带范围较窄推测该破碎带规模较小，建议施工时适当加以灌浆防渗处理。

通过下坝址Ⅰ断面、Ⅱ断面、Ⅲ断面与Ⅳ断面高密度电法勘察，综合分析各断面数据，确定该区域有一低阻异常带F2，即断层或破碎带，由于受勘测区域坡洪积物较厚，电法断面勘察深度有限，故无法确切勘测断层倾向。

表2 上坝址钻孔波速测试统计表

岩体的完整性一般与岩体的风化程度、构造发育程度有关。通过孔内波速测试得到下坝址区地质勘查钻孔的岩体完整性分析与波速值，按不同的风化程度分别统计。统计结果见表3。由表3可知，下坝址上坝线强风化岩体综合完整性系数为0.11，属破碎；弱风化岩体综合完整性系数为0.41，岩体完整性差；微风化～新鲜岩岩体完整性系数0.59，属较完整。

表3 下坝址上坝线钻孔波速测试统计表

5 结语

(1)通过上坝址断面高密度电法勘察，在上坝址区断面勘察范围内未见明显的破碎构造带或断层。岩体的完整性一般与岩体的风化程度、构造发育程度有关。

(2)通过下坝址Ⅰ断面与Ⅴ断面高密度电法勘察，确定该区域有一低阻异常带F1，即破碎带，由于受勘测区域地形条件限制，无法布置足够长的电法断面，故无法确切勘测断层倾向。由物探勘测低阻带范围较窄推测该破碎带规模较小，建议施工时适当加以灌浆防渗处理。

(3)此次物探工作达到物探勘查的目的，较好的完成了勘查任务，测试成果与地质勘查资料基本吻合。存在的问题主要是下坝址和上坝线区域坡洪积物较厚，电法断面勘察深度有限，且该区域有省道206穿过，测线无法连续布置，勘测到的低阻异常带倾向无法确定。建议在物探推测断层F2处布置勘察钻孔打钻验证，确定处理防渗方案。