高密度电法在江源水库坝基右岸山体岩溶勘察中的应用

2022-08-16王兆龙

中国科技纵横 2022年13期

王兆龙

（湖南省矿产资源调查所，湖南郴州 423000)

0.引言

江源水库位于湖南省郴州市北湖区石盖塘镇光明村境内，受当时条件限制，工程地质勘察工作较少且施工技术相对落后，建成后存在不同程度的渗漏问题。蓄水到328.0m～330.0m段位时，坝基右岸与山体的结合部位出现了明显的漏水现象，在下游有明显流出口。因此，对水库渗漏区域及隐患位置开展检测和识别刻不容缓。水库渗漏的传统探测方法是钻探，该方法不仅费时、费力，还具有破坏性且结果只代表一处，很难广泛使用[1]。为避免安全隐患和治理修复的盲目施工，在调研分析原设计、施工、验收等资料，现场漏水点位置，以及渗漏区与围岩电性差异的基础上采用高密度电法等物探手段，并辅以钻探验证对水库坝体和基础渗漏情况进行分析。运用Geogiga Rimager、二维高密度电法分析、RES2DINV反演等软件对采集数据进行处理后综合分析正反演结果、钻孔资料，可查明主要渗漏通道的位置、埋深及空间发育规律[2]。

1.工程地质概况

1.1 水库概况

江源水库于2013年基本建成，是一座以城市供水为主，兼顾灌溉及防洪的中型水利工程。水库控制流域面积49.3km2，总库容1440×104m3，主要由大气降水和河水补给。大坝为浆砌石重力坝，坝顶高程343m，坝高63m。库区属低山峡谷地貌，河谷呈“U”字型，两岸山顶高程450m～500m，地形坡角25°～60°。

1.2 地层岩性

库区基岩在河床被第四系松散堆积物全部覆盖，两岸山坡局部露头较好，大多有第四系残坡积层覆盖。出露的地层为石炭系石蹬子组灰岩和测水组砂页岩，第四系为冲洪积层之砂卵石夹漂砾层和残坡积层红色粘土。现由老至新分述如下：

（1）石炭系石蹬子组（C1s）：以灰色及青灰色至深灰色厚至中厚层粉晶、泥晶、细晶灰岩为主，夹钙质页岩及泥质灰岩，受岩体侵入的影响，局部大理岩化。厚度368m～594m，岩体相较稳定，库区两岸均为此组岩石。与花岗岩呈侵入接触，接触面呈港湾状、不规则状。

（2）石炭系测水组（C1c）：为浅灰色至深灰色薄至中层细粒石英砂岩，局部含无烟煤。呈透镜状、扁豆状、局部似层状，层次和厚度都不稳定。该段厚度40m左右，主要分布在库区西北部、北部，库区东南部也有少面积出露，与下伏岩层呈整合接触。

（3）第四系（Q4）：冲、洪积层主要分布于河床及河漫滩中，为花岗岩滚石层，少量灰岩、砂岩卵砾石；坡残积层主要分布于两岸表层，由砂岩及灰岩块石夹粘土组成。

1.3 地质构造

库区构造位于南岭纬向构造带中段北缘，耒阳-临武南北向构造带东缘与茶陵-永兴新华夏系拗陷带的复合部位，该区主要表现为南北向构造即斗冲压性断裂和压扭性断裂。岩层倾向右岸稍偏下游，大致属纵向河谷，岩层产状对库区防渗不利。

2.水库渗漏分析

常见的水库大坝的渗漏类型有很多，如坝基渗漏、坝身渗漏、绕坝渗漏以及放水涵管渗漏等。主要是由于大坝渗漏的位置不同而导致出现不同程度的渗漏问题。

江源水库建坝时，清基开挖虽已把表面肉眼能够看到的溶蚀层清除，但坝基及周边浅深部仍然存在强溶蚀层。地表水和地下水对可溶性岩以溶蚀为主的长期地质作用形成了岩溶，溶蚀裂隙严重发育形成渗漏通道导致渗漏。另外施工质量若得不到很好的保障，填筑物料质量不达标或碾压不够密实导致孔隙率过大，以及防渗处理不到位，也会形成渗漏通道导致渗漏。江源水库蓄水达到一定水位后，库水会从坝基与右岸山体结合部渗漏出来，因此初步推断属于绕坝渗漏。

渗漏区域介质含水量比围岩大因而电阻率通常极低，介质之间存在明显的电性差异是进行高密度电法勘探的前提。根据现场踏勘，下游出露较多漏水点且分布集中，说明渗漏区发育规模较大，满足高密度电法勘探分辨率的要求。溶蚀裂隙内填充物有水或土时视电阻率一般呈现出低阻异常，无填充或部分填充时一般呈现高阻异常，异常形态上通常表现为团块状、条带状等。从电场的角度来分析，由于渗漏通道被水充填，通常表现为相对高阻背景中的低阻异常，根据电阻率的异常特性可推断渗漏的通道。

3.高密度电法适用性、工作原理及装置选择

3.1 适用性分析

高密度电法是根据视电阻率的高低分布情况来判断场地的地下环境特征，因此合理且精确的视电阻率数据是极其重要的[3]。根据对江源水库初步地质勘查，区内主要为中低山地貌，地层结构较简单，且无地表水系穿越，良好的地质环境有利于数据的采集和正确解译。根据高密度电法原理相关参数和地质环境特征综合分析得出高密度电法适用于该区域。

3.2 工作原理

高密度电法是以岩土体的电性差异为基础，研究在人工外加电场作用下地中传导电流的分布规律[4]，通过积分变换（如Radon变换、Fourier变换等）、迭代反演、重建地质体内部结构图像，从而探明地下地质结构，实际上是一种阵列式电阻率勘探方法[5]。该方法能揭示地下二维空间的地电信息，反映地质结构[6]。

3.3 装置选择

排列装置的选择是影响勘探效果的重要因素，不同的装置对于不同的探测目标具有不同的分辨率和探测深度。工作中常用的几种装置，单极-单极装置的异常幅值最小，但信号的震荡却出现最早；偶极-偶极装置的异常幅值较大，分辨能力虽强，但信号震荡却很激烈；温施装置异常幅值不大，但是信号震荡较激烈；温纳装置异常幅值不大，信号震荡较小。因此，本次探测选择了抗干扰能力强、对渗漏低阻异常分辨效果好的温纳装置。

4.资料处理与解释

根据渗漏区域发育位置、大坝走向、地球物理前提、工作目的及施工条件，围绕坝基右岸与山体结合部位处共布设6条高密度电法测线。根据物探测试结果，对推测的岩溶发育区进行钻探验证，共布置验证孔6个。高密度电法测线、钻孔位置及推测渗漏通道如图1所示。

图1 高密度电法测线、钻孔位置及推测渗漏通道图

4.1 高密度电阻率法的测试成果与分析

根据渗漏区域发育位置，以水库坝基右岸与山体的结合部位为中心，布置多条物探剖面，尽可能多地采集地电信息。物探线根据施工便利性方向为：自北向南，从低到高。根据以往工作经验可知，在层状介质下RES2DINV反演相对较好，在不均匀介质下（特别是地下洞穴探测）RES2DINV反演光滑作用较强。因此数据解译分析时以实测电阻率为主，反演电阻率为辅。通过物探测试溶蚀裂隙发育区在电法剖面上显示为低阻异常，根据裂隙发育区在电法剖面上的显现特征，对其物探成果进行对比分析，坝基与右岸山体结合部的重点区域物探成果如图2～图7所示。

图2 物探W2线视电阻率等值线图

图3 物探W2线视电阻率反演图

图4 物探W3线视电阻率等值线图

图5 物探W3线视电阻率反演图

图6 物探W5线视电阻率等值线图

图7 物探W5线视电阻率反演图

物探W2线0m～30m主要为测水组地层，30m～450m主要为石磴子组地层，第四系风化残坡积物较薄，部分区域有灰岩出露地表且灰岩含炭较高，浅部强风化区溶蚀裂隙比较发育。

24m～144m，160m～200m位置发现低阻异常体存在，结合反演结果和地层情况推测为溶蚀裂隙发育区，部分区域存在溶洞且存在渗漏通道。其中96m～130m位置为重点探测区域，推断该区域下方5m～15m处溶蚀裂隙发育，200m～450m位于重点探测区之外，部分区域电阻相对较低，推断为含炭灰岩区所致。

物探W3线0m～150m主要为主要为测水组地层，150m～600m主要为石磴子组地层，第四系风化残坡积物较薄，其中0m～72m处为水田，电法剖面上显示为低阻，72m～180m处有碎石堆，电法剖面上显示为高阻区，测线中后段有灰岩出露，浅部强风化区溶蚀裂隙比较发育。

180m～340m位置发现低阻异常体存在，结合反演结果和地层情况推测为溶蚀裂隙发育区，部分区域存在溶洞且存在渗漏通道。其中230m～250m位置为重点探测区域，推断该区域下方5m～16m处溶蚀裂隙发育，340m～600m位于重点探测区之外，部分区域电阻相对较低，推断为含炭灰岩区所致。

物探W5线主要为石磴子组地层，第四系风化残坡积物较薄，0m～48m处靠近水库排水渠，140m～240m处有大面积的灰岩出露，电法剖面上显示为低阻，浅部强风化区溶蚀裂隙比较发育。

120m～240m位置发现低阻异常体存在，结合反演结果和地层情况推测为溶蚀裂隙发育区，部分区域存在溶洞且存在渗漏通道。其中140m～160m位置为重点探测区域，推测该区域240m～450m位于重点探测区之外，部分区域电阻相对较低，推断为含炭灰岩区所致。

4.2 钻探验证

根据物探推测的溶蚀裂隙范围，共布置6个钻孔进行验证。钻孔验证情况如下：

物探W1线24m～60m异常段约35m位置经钻孔ZK5验证节理裂隙发育且有方解石脉呈网状分布，岩芯较完整，该位置钻探时无漏水现象，钻探验证结果与高密度电法探测结果一致。

物探W2线24m～144m异常段约123m位置经钻孔ZK2验证节理裂隙发育且有方解石脉呈网状分布，岩芯破碎且含炭较高。钻孔5m～7m处灰岩含炭高，7.3m～7.5m溶蚀裂隙严重发育，该位置钻探时有漏水现象，钻探验证结果与高密度电法探测结果一致。

物探W3线180m～340m异常段约237m位置经钻孔ZK1验证节理裂隙发育且有方解石脉呈网状分布，岩芯破碎且含炭较高。7.4m～15.8m处钻探进尺较快，局部区域有小晶洞，该位置钻探时有明显漏水现象，钻探验证结果与高密度电法探测结果一致。

物探W4线0m～120m异常段约15m位置经钻孔ZK2验证溶蚀裂隙严重发育，该位置钻探时有漏水现象。由于钻孔位置位于测线起点附近，收集到的数据较少，但该位置下方明显呈低阻趋势，因此钻探验证结果与高密度电法探测结果基本一致。

物探W5线120m～240m异常段约147m位置经钻孔ZK4验证节理裂隙发育，岩芯破碎且溶蚀面小晶洞发育，深约14m处存在溶洞，深约24m溶蚀小晶洞发育，钻探时有漏水现象；约155m位置经钻孔ZK6验证溶蚀裂隙发育且有方解石脉呈网状分布。钻探验证结果与高密度电法探测结果一致。

物探W6线120m～230m异常段约167m位置经钻孔ZK3验证节理裂隙发育且有方解石脉呈网状分布，岩芯局部呈破块状出现且含炭质，3m～3.5m、5m～5.2m处溶蚀裂隙严重发育，钻探时有明显漏水现象，钻探验证结果与高密度电法探测结果一致。

4.3 三维成果图解译

通过制图软件可以将数据成果集成于一个交互的三维立体空间，得到可视化的三维成果数据。不同深度、不同方向上的地层电阻率变化规律及特征可在三维立体空间上直观地展示出来。从三维栅栏图（见图8）可看出：大坝与山体结合部存在1条贯通性渗漏通道，渗漏通道规模较大，且随着渗径的延长，规模进一步扩大符合渗漏通道的空间发育规律。把此渗漏通道展示在工区平面图中发现，渗漏通道沿大坝与山体结合部向下投影区域内有漏水点，与物探、钻探结果相互印证。水库高水位时坝基右岸与山体结合部下游区域有漏水现象但大坝主体部位未见漏水，水库低水位时未发现漏水现象，因此该区域性低阻异常基本可判定为水库绕坝渗漏通道。