地球物理技术在岩溶水库渗漏通道识别中的应用

罗 锐 恒，刘 天 云，胡 顺 强，潘 晓 东，刘 伟

(1.云南省文山壮族苗族自治州水利电力勘察设计院，云南 文山 663000； 2.中国地质科学院岩溶地质研究所 国土资源部岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004； 3.联合国教科文组织 国际岩溶研究中心，广西 桂林 541004)

0 引 言

在岩溶强烈发育的西南地区，水库渗漏问题普遍存在[1-2]，这不仅影响水库的正常蓄水，而且也危及水库的安全运行。由于地下岩溶发育具有隐蔽性和不均一性的特点，所以导致对岩溶区病害水库渗漏通道的准确识别成为一个难题[3]。

水库渗漏通道的识别包含有对渗漏通道走向的识别以及渗漏带发育空间位置的识别。示踪法是识别渗漏通道走向的有效技术手段[4-7]，但示踪剂接收点往往局限在较少的出露点，如岩溶泉、勘察钻孔、地下河出口等，其应用范围的广度受到了一定的限制。地球物理方法以无损、信息量大、涵盖范围广等优点，在水库渗漏勘察中广泛应用。其中，大功率充电法以信躁比高、结果直观可靠的特点被用于识别水库渗漏通道或地下河管道的地表位置及走向，但缺点是无法确定渗漏带的空间位置[3，8]。在对水库渗漏带空间位置识别上，高密度电法以成本低、对低阻破碎带识别能力强的特点得到了广泛应用[9-11]。但高密度电法探测深度相对较浅，一般小于100 m，对发育较深的渗漏空间以及对评价渗漏较重要的区域地层结构无法有效识别。地质雷达法和井中CT法具有分辨率高的特点，被用于高精度识别地下渗漏带的空间位置[12-13]，但地质雷达法在探测深度上比高密度电法更浅，井中CT法则需要适量的钻孔才能开展工作，这些都限制了这类方法的有效应用。音频大地电磁法作为电磁法的一种，勘探深度一般可达500 m以上，被广泛应用于中浅部地质结构构造的识别，在地层结构区分[14-15]以及地质构造划分[16-17]方面取得了较好的应用效果，其在水库渗漏中的应用仍少见相关文献报告。在水库渗漏探测实践中，由于不同地区水库地质条件和场地条件存在差异，目前没有一种万能的探测方法，水库渗漏探测工作需要结合地质资料和场地条件来选择物探方法并合理的布置测线，才能快速有效的解决问题。

本文以云南省文山市小河尾病害水库为例，阐述了在该水库渗漏探测中如何利用大功率充电法和音频大地电磁法资料来获得渗漏通道的走向以及渗漏带的空间位置信息，并结合地质资料对其渗漏原因进行了分析，以期为小河尾水库的渗漏治理提供技术支撑。本文研究成果可为岩溶区类似水库的渗漏探测工作提供一定的借鉴。

1 地质概况

1.1 水库概况

云南省文山州小河尾水库是文山市集中式饮用水水源地之一，承担着州政府片区，马塘镇、秉烈乡、德厚镇、红甸乡、东山乡5个乡镇以及砚山县平远镇、盘龙乡、稼依镇等乡镇约22万人的饮水供应。据水库管理方介绍，小河尾水库存在较为严重的水库渗漏问题，当无外源水补给时，水库水位每天下降约10 cm，渗漏量达10 000 m3/d(约116 L/s)，推测为集中式岩溶管道或强径流带渗漏。

1.2 岩性与构造

水库库区周边构造主要以北东向构造体系为主，此外，近东西向和北西向断裂也有发育，主要出露地层岩性及厚度由新到老如表1所列，地质简图及地理位置如图1所示。

表1 水库周边出露地层岩性特征

图1 测区地质简图及地理位置Fig.1 Geological map and geographical location of the survey area

经野外调查核实图中的北东向逆断层F1为压扭性逆断层，水库已知渗漏点都分布于逆断层的东侧，西侧未发现渗漏点，同时现场调查访问也发现岩溶塌陷主要分布于逆断层的东侧，西侧无塌陷发育，可确定该断层为一隔水断层，水库水不会向西渗漏，但往其他方向发生渗漏的可能从已知地质资料和地表线路调查上无法明确排除。

2 地球物理勘探技术

2.1 大功率充电法

2.1.1方法原理

充电法以不同岩性的电性差异为基础，研究对象是相对围岩为良导体或导电性较好的地质体。常用的充电法采用干电池供电，供电电流一般较小，信噪比较低。大功率充电法采用大功率发电机对地下供电，通过已知落水洞、天窗或塌陷坑等向岩溶渗漏通道中供以大电流，使岩溶渗漏通道中形成较强的电场，渗漏通道延伸方向上电位降低最小，这时通过在地表布置测线对电位及电位梯度进行探测，其中电位代表测线上测点与无穷远处的电位差，电位梯度代表测线上相邻两个测点的电位差，可根据电位极大值点及电位梯度近零值点异常来推断岩溶渗漏通道的地表位置[3]。

2.1.2测线布置及方法优缺点分析

根据地质条件分析，渗漏通道位于阻水断层的东侧，但渗漏通道具体走向未知，故充电法测线围绕着充电点布置了4条不同直径的环形测线，分别为1，2，3，4，测线整体上需覆盖整个阻水断层的东侧区域，受地表建筑和水库水域的限制，具体测线布置如图2所示。1线半径为70m，长度220 m；2线半径为130 m，长度380 m；3线半径为250 m，长度780 m；4线则覆盖了阻水断层东侧的全部范围，半径为470 m，长度1 960 m。与直线布设相比，环形测线的布置使测线上的每个测点与充电点的水平距离相同，并可在较大的范围内对渗漏通道进行追踪，但仍受地形起伏影响，主要表现有2点：① 测点在高程上存在着差异，② 测点与充点电之间的地形也不会一致。这都会导致不同测点与充电点在实际距离上的不同，在复杂的三维地形下这种影响很难被彻底消除。此外，充电法主要观测的是地表某测点与无穷远处的电位差以及相邻两测点间的电位差，无法得到关于渗漏通道的深度信息。

图2 物探测线布置及推测渗漏通道分布Fig.2 Layout of geophysical survey lines and distribution of inferred leakage channel

2.1.3数据采集与处理

大功率充电法采用加拿大凤凰公司的V8多功能电法仪，该仪器的发射系统配备了功率可达30 kW的发电机。以水库蓄水后形成的塌陷坑(图2中编号为3)为充电点，根据测线距充电点的距离分别对供电点供以4～10A的电流，通过大电流获得的强信号来提高信噪比。同时，为了保证数据采集质量，采取了如下措施：测量过程中向塌陷坑中不间断抽水以保证渗漏通道的良导电性；采用不极化电极作为测量电极，经过充分的盐水浸泡使每对不极化电极的极差小于2 mV；保证不极化电极与大地的良好接触，使接地的电阻小于2 kΩ；无穷远极布设在与测线相反的方向，即充电点的西测，距离充电点1.5 km以上，无游离电干扰，接地电阻小于1 kΩ。

对每条测线采集得到的数据分别用Excel成图处理，得到每条测线上电位和电位梯度随观测测点的变化曲线；把测线上的所有电位极大值点或梯度近零值异常点提取出来，结合地质资料和地形条件综合分析异常的真伪。

2.2 音频大地电磁法

2.2.1方法原理

音频大地电磁法是大地电磁法(MT)的一个分支，属于频率域电磁法，探测深度随频率降低而增大。它利用雷电活动所引起的天然音频大地电磁场作为场源，观测互相垂直的两个方向上若干频率的电场和磁场之比，通过研究地电断面的变化来达到了解地质构造、找矿、找水等地质目的。

2.2.2测线布置及方法优缺点分析

音频大地电磁法测线布设要建立在充电测线的基础上，垂直于充电法推断的渗漏通道走向布置，目的是了解地下渗漏带的发育规模和深度。相对于直流电法来说，音频大地电磁法探测深度更深，一般可达500 m以上，不足之处主要有以下3点：① 容易受到人工电磁干扰的影响，如高压线、民用电线等；② 存在着浅部探测盲区；③ 探测的纵向分辨率偏低。浅部盲区与地下介质的电阻率和最大探测频率有关，纵向分辨率主要取决于探测频点的个数以及频点间的间隔[18]。

2.2.3数据采集与处理

野外数据采集仪器为美国Geometrics公司和EMI公司联合生产的EH4连续电导率剖面仪，测量频率范围为10 Hz～100 kHz。本次工作采集了一对相互垂直的电场和磁场分量，电场沿测线方向，采取如下措施来保证数据采集质量：对电极浇水以降低接地电阻；磁棒埋入地下至少5 cm，磁棒远离房屋、电缆、大树等；保持磁棒与前置放大器的距离大于5 m，主机与前置放大器的距离大于20 m。

数据处理采用二维大地电磁资料处理和解释集成系统[19]，采集的原始时间域谱信号经过傅里叶变换成频率域电阻率和相位曲线，经过跳点剔除、静校正处理后，再设置适宜的反演参数进行二维反演成像，反演最大迭代次数设置为150，最小均方误差设置为5%，通过自动迭代得到地下电阻率的分布特征，最后结合实际地质资料对电阻率反演断面进行地质解译。

3 探测结果分析与讨论

3.1 渗漏通道的地表位置及走向

第1，2，3测线大功率充电法电位和电位梯度曲线如图3所示，第4测线大功率充电法电位和电位梯度曲线如图4所示，第1，2，3，4测线所有电位极大值点或梯度近零值点统计如表2所列。

表2 第1,2,3,4测线电位和电位梯度异常统计

图3 第1，2，3测线充电法电位与电位梯度曲线Fig.3 Potential and potential gradient curves of line 1，2，3

图4 第4测线充电法电位与电位梯度曲线Fig.4 Potential and potential gradient curves of line 4

第1测线地形起伏较小，整条测线高程差小于5 m，电位和电位梯度的异常点很吻合，异常显著且与周围测点存在显著的对比，在地质图上该测点位于榴江组碎屑岩处，其下伏地层仍为碳酸岩地层，推断130 m测点附近为渗漏通道在地表的投影。

第2测线存在一定的地形起伏，测点间高差可达30 m，电位和电位梯度异常比较吻合的为200，210 m和270 m测点且与周围测点对比明显。在地质图上200 m测点附近为碳酸岩地层与其上覆碎屑岩地层的分界带，270 m测点位于碳酸岩地层中，推断200～210 m测点，270 m测点附近为渗漏通道在地表的投影。130 m测点附近电位存在极大值，但电位梯度值相对较大，结合高程发现120 m与140 m测点高差约2 m，电位梯度受地形影响应该不大，推断电位异常可能是由于地形因素引起，曲线上可见110～150 m段测点电位值稍微偏高，可能与该段测点到充电点间的地形较平坦有关。

第3测线存在一定的地形起伏，高差可达100 m，小号测点(约0～300 m)位于山上，大号测点(350～780 m)地形相对平坦(最大高差约30 m)，曲线上可见0～300 m测点段电位值远比大号测点小，这是由于该段测点与供电点间的实际距离远比大号测点大，导致电位值相对偏小。460 m和490 m测点电位和电位梯度异常吻合得也较好，从地质图上来看，460 m测点位于榴江组碎屑岩处，490 m测点位于碳酸岩地层与其上覆碎屑岩地层的分界带附近，同样推断该两测点下方存在渗漏通道。590 m测点靠近碳酸岩地层与其下伏碎屑岩的界线，推断该处为深度相对较浅的渗漏通道。540～550 m测点位于碳酸岩地层中，550 m测点电位有极大值但梯度值偏大，540 m测点有梯度异常，电位值虽然较550 m测点小但相差并不大，结合530～560 m测点段地形相对平坦的条件，推断540 m测点下方的碳酸岩地层应存在渗漏通道。

第4测线地形起伏最大，穿越多座山体，测点间高差可达260 m，其中300～800 m测点段地形相对平坦，高差小于50 m，小号测点段(0～200 m)和大号测点段(1 500～1 930 m)位于山上。曲线上可见0～200 m以及1 500～1 900 m测点段电位值要比其他测点小，这是由于受高山影响，该两段测点与供电点实际距离远比其他测点大。在地形相对平坦段，630，650，710 m测点电位和电位梯度异常吻合良好，结合地质资料，630 m和650 m测点位于碳酸岩与上覆碎屑岩交界带附近，推断测点下方存在着渗漏通道；710 m测点位于碳酸岩与下伏碎屑岩交接带附近，推断该处为深度相对较浅的渗漏通道；还可以观察到660～690 m测点段电位值突然降低，这种电位突变现象一般都是由于复杂的地形因素引起。90 m测点位于阻水断层附近，电位虽有极大值但相对周围测点并不明显，电位梯度值也偏高，结合第3测线在小号测点断层附近并不存在异常点，推断断层东侧附近并不存在导水通道，90 m测点的电位异常可能是由于地形因素引起。320 m测点存在电位极大值异常，电位梯度值却偏高，该测点远离断层和岩性分界带，其异常也推断为地形因素引起。1 200，1 790，1 810，1 870 m测点处存在电位极大值异常但电位梯度值偏高，1 320 m测点处存在电位梯度异常但无电位极大值异常，结合这些测点都已经位于碳酸岩下伏碎屑岩地层处，周围又没有大的构造，推断这些异常也是由于复杂的地形因素引起。

综合上述结果并结合地层资料，共推断了2条主要渗漏通道的走向，Ⅰ号岩溶渗漏通道通过1线130 m测点、2线200～210 m测点、3线460～490 m测点、4线630～650 m测点；Ⅱ号岩溶渗漏通道通过2线270 m测点、3线590 m测点、4线710 m测点附近。Ⅰ号渗漏通道分布于分水岭组灰岩与上覆硅质岩接触带附近，Ⅱ号渗漏通道分布于分水岭组灰岩与下伏硅质岩接触带附近，渗漏通道走向为北东东向，如图2所示。由于都是通过同一充电点得到的异常，可推断两个渗漏通道具有一定的水力联系。

3.2 渗漏带空间位置

在第1～4测线大功率充电法结果的基础上布置了第5测线(见图2)，第5测线布设在下游方向处的开阔地带，距离水库约200 m，与第3测线存在着交点，在测点位置上5线410 m测点与3线630 m测点距离最小，约为4 m。测线垂直于渗漏通道走向和地层走向布置，方位为340°。测线穿越整个分水岭组灰岩并向两侧硅质岩方向延伸，全长440 m，测点距为5～10 m。地形整体上平坦，高差小于20 m。第5测线大功率充电法和音频大地电磁法综合成果图如图5所示。

图5 第5测线大功率充电法和音频大地电磁法综合成果Fig.5 Comprehensive results of high power mise-a-la-masse method and audio frequency magnetotelluric method for line5

图5(a)为电位与电位梯度曲线，电位极大值点分别为460，525 m和545 m测点，电位梯度近零值点分别为460，525，530 m以及545 m测点。电位和电位梯度的异常点很吻合，异常显著且与周围测点存在显著的对比。在地质图上525～545 m测点位于碳酸岩与上覆碎屑岩交界带附近，推断该测点段下方存在渗漏通道。460 m测点靠近碳酸岩与其下伏碎屑岩交界带，推断该处为深度相对较浅的渗漏通道。提取3线630 m测点和5线410 m测点上的电位和电位梯度数据进行对比分析，如表3所示。

表3 第3和第5测线重合处电位和电位梯度值统计

电位测量的是该点与无穷远的电位差，由于两点位置基本重合，无穷远又是一样的，所以电位值差别不大，可见数据采集重复性较好。电位梯度测量的是测线上前后2点的电位差，5线测量的是400 m与420 m测点，3线测量的是620 m与640 m测点，这种电位梯度上的差异是由测量点与渗漏通道的距离差异以及测量点与充电点距离的差异共同引起。

图5(b)为音频大地电磁法电阻率二维反演断面；图5(c)为根据地质资料和物探结果联合推断的地质解译成果图。可以看到，榴江组硅质岩的电阻率值远比坡折落组硅质岩低，推测这是由于榴江组硅质岩主要位于浅地表，风化程度高，而坡折落组(D2pz)的硅质岩埋深较大，岩石比较完整，因此电阻率值远比地表硅质岩高。同样可以看到，浅地表处坡折落组硅质岩的电阻率值也偏低，如图5(b)中260～400 m测点的浅地表段。笔者同时也观察到分水岭组灰岩电阻率值也较低，与上覆地层榴江组硅质岩并没有明显的电性差异，推测为分水岭组灰岩岩石破碎、风化严重、溶蚀现象较发育所致。

结合第5测线的电位和电位梯度曲线，可推断第I渗漏通道还通过第5测线525～545 m测点之间，第Ⅱ渗漏通道经过第5测线450 m附近。图5(b)中2条明显的电阻率相对低值带推断为分水岭组灰岩中的溶洞发育带或裂隙密集带，其对应的地表范围分别在450～480 m测点段以及510～580 m测点段，与充电法推断的渗漏位置吻合良好，2个电阻率相对低值区间解译为地下水水位或水压不同时的渗漏径流带，渗漏带的深度可达约地下110 m。

综合上述物探成果以及地质资料，推断小河尾水库渗漏机理如下：地下水流在分水岭组灰岩与上覆地层榴江组硅质岩以及下伏地层坡折落组硅质岩的接触面上受阻，流线密集于灰岩与硅质岩的交界面上，使得灰岩发生溶蚀作用，经过长期的溶蚀形成了岩溶裂隙和小溶洞，灰岩与硅质岩接触带附近成为地下水的径流通道，也即小河尾水库水的渗漏通道。

验证钻孔ZK01打在5线525 m测点处，钻探进尺85.1 m，柱状图如图6所示。

柱状图详细说明如下：0～5.6 m为第四系覆盖层；5.6～24.9 m为泥盆系榴江组硅质岩，风化严重，呈砂状；24.9～56.4 m为泥盆系分水岭组灰岩层，溶蚀较发育，岩芯破碎，局部见有溶洞；56.4～85.1 m为泥盆系坡折落组硅质岩，弱风化。在24.9～26.9，31.3～32.0，35.1～35.7，36.0～36.6，44.3～44.8，45.5～46.0，47.1～47.7，48.9～50.2 m和52.4～56.4 m共10处位置发生掉钻或卡钻现象，其中24.9～26.9 m泥盆系分水岭组灰岩与榴江组硅质岩岩性界线处溶洞完全充填，胶结致密，但附近27.3 m处岩心见有溶蚀孔洞，52.4～56.4 m分水岭组灰岩与下部坡折落组交界处溶洞半充填，上部未充填，底部56.1～56.4 m充填泥。

验证钻孔揭露了大范围破碎灰岩和溶洞，上部的硅质岩为强风化，下部的硅质岩风化程度低，主要地层也能大致对应，这些较好地验证了物探地质解译的可靠性。同时，建议对小河尾水库渗漏进行帷幕灌浆处理，帷幕灌浆需贯穿整个分水岭组灰岩段，长度范围建议为410～590 m段，灌浆深度从410～590 m逐渐增大并到达下伏硅质岩地层，最大灌浆深度要大于推断的低阻渗漏带发育深度，如图5(c)所示。

回访结果表明：小河尾水库的渗漏治理工作按照建议开展，由于涉及到土地赔偿等诸多问题，帷幕灌浆并未在物探线上进行，实际帷幕灌浆工作沿着水库下游一条近北北东向小路边进行，同样穿越整个分水岭组灰岩段；灌浆长度220 m，采用双排孔布置，共布置钻孔141个，孔距间隔最小2 m，最大5 m，排拒1.5 m，由南向北孔深逐渐增大，最北边孔深148.76 m，最南边孔深16.18 m。目前帷幕灌浆已完成，总灌浆量约16 708.8 t，水库蓄水到设计水位后已无渗漏现象。

4 结 论

(1) 利用大功率充电法对岩溶区水库渗漏通道进行探测，具有信号强、测量范围大、结果直观等特点，大功率充电法能准确定位渗漏通道的地表投影，多条不同半径的圆弧型充电测线的异常位置较好地指示了渗漏通道的走向。音频大地电磁法探测深度深，对低阻渗漏空间识别能力强，结合地质资料可较好地划分渗漏带的发育规模及深度。

(2) 测区主要存在2条位于灰岩与硅质岩接触带附近的北东东向渗漏通道，渗漏通道由可溶岩与非可溶岩长期的接触溶蚀作用形成，分水岭组灰岩中岩溶很发育，渗漏带可达地下110 m深度。钻探和帷幕灌浆结果证实了探测成果的可靠性。

(3) 大功率充电法和音频大地电磁法可以形成优势互补，先利用大功率充电法快速识别渗漏通道的地表位置和走向，在此基础上再利用音频大地电磁法探测渗漏通道的空间分布以及渗漏底界信息，从而指导水库的渗漏治理工作。