黃志全，徐洋洋，袁廣祥，陳世仲，張瑞超

(1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450046;2.洛陽理工學(xué)院,河南 洛陽 471023;3.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長沙 410014)

在工程勘察階段，獲取目標(biāo)深度的巖體結(jié)構(gòu)特征，主要基于3個方面的數(shù)據(jù)：地表工程地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)和地球物理勘探數(shù)據(jù)。由于地表風(fēng)化、卸荷現(xiàn)象嚴(yán)重，與目標(biāo)深度的地質(zhì)環(huán)境差異很大，很難以地表工程地質(zhì)數(shù)據(jù)簡單地預(yù)測目標(biāo)深度巖體結(jié)構(gòu)[1]。鉆孔數(shù)據(jù)直接、真實(shí)，但數(shù)量有限，無法準(zhǔn)確評價(jià)遠(yuǎn)離鉆孔的巖體結(jié)構(gòu)[2]。地球物理勘探獲得的是巖體結(jié)構(gòu)的間接數(shù)據(jù)，但測試方便，可以利用多種方法，布置多條測線，獲得豐富的數(shù)據(jù)，而且?guī)r體的地球物理學(xué)性質(zhì)是巖體結(jié)構(gòu)的綜合反映。基于此，可以進(jìn)一步建立地球物理勘探數(shù)據(jù)與巖體結(jié)構(gòu)特征的對應(yīng)關(guān)系，探明地下巖體結(jié)構(gòu)分布特征。隨著地球物理勘探技術(shù)的迅速發(fā)展以及它的獨(dú)特優(yōu)勢，近些年來被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)深度巖體結(jié)構(gòu)的探測與評估中[3-7]。劉宏岳[8]在海域工程勘察中，采用高密度電阻率法探測淺海海底沉積層厚度以及基巖面起伏情況，取得了理想的探測結(jié)果。劉明輝等[9]在工程場地隱伏斷裂等地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測中，采用高密度電阻率法和瞬變電磁法等綜合物探方式，對斷層的地震活動性做出了科學(xué)的評價(jià)。李富等[10]將高密度電阻率法應(yīng)用到摩崗嶺滑坡勘察中，有效地確定了基巖面埋深、滑帶的厚度及深度，并預(yù)測了滑坡體的規(guī)模。馬宏新等[11]將高密度電阻率法和探地雷達(dá)兩種物探方法應(yīng)用于水庫壩體防滲檢測中，探測到壩體下游分布的若干低阻區(qū)域，為大壩加固防滲提供了依據(jù)。湯克軒等[12]利用瞬變電磁法與微動探測相結(jié)合，分析了某水利樞紐區(qū)域的巖溶發(fā)育特征。王瑞豐等[13]將高密度電阻率法與瞬變電磁法相結(jié)合，在河北承德地區(qū)巖體結(jié)構(gòu)探測中，精準(zhǔn)地圈定了基巖裂隙含水區(qū)的位置。從某種程度來講，地球物理勘探的研究水平與應(yīng)用發(fā)展已成為現(xiàn)代地質(zhì)勘察水平的重要衡量指標(biāo)。

利用電阻率法或電磁法獲得巖體的電阻率或視電阻率，不僅能反映巖石本身的性質(zhì)，也能反映巖體的孔隙、裂隙發(fā)育程度、含水性等。高密度電阻率法主要用于探測淺部不均勻地質(zhì)體的空間分布，在探測覆蓋層厚度、風(fēng)化界線、隱伏斷層分布等方面得到了普遍應(yīng)用[14-18]。瞬變電磁法通過直接測得的二次場，可以獲得地下地質(zhì)體的分布特征，由于其可以進(jìn)行近區(qū)觀測、受靜態(tài)位移的影響小、測地工作簡單高效等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程勘察中[19]。

然而針對花崗巖地區(qū)，目前將此二種物探方式聯(lián)合應(yīng)用到巖體結(jié)構(gòu)探測當(dāng)中的相關(guān)研究成果甚少。因此，本文以河南五岳抽水蓄能電站上水庫單薄分水嶺花崗巖巖體為研究對象，針對五岳電站上水庫可能存在的滲漏問題，探明庫周范圍內(nèi)的構(gòu)造發(fā)育特征，特別是斷層和節(jié)理密集帶，選擇以高密度電阻率法為主，瞬變電磁法為輔的物探方法進(jìn)行探測，以期為花崗巖地區(qū)巖體結(jié)構(gòu)探測提供新的思路。

1 研究區(qū)概況

1.1 地層巖性

河南五岳抽水蓄能電站位于華北平原與大別山中段北麓的過渡帶上，屬潘新店—晏家河丘陵區(qū)。上庫為季節(jié)性流水的沖溝，庫內(nèi)及庫外邊坡地形坡度變化較大，庫內(nèi)邊坡坡度為21°～44°，局部為花崗巖陡崖，庫外邊坡地形坡度一般在25°～46°。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于信陽南部測區(qū)，如圖1所示。該區(qū)屬于秦嶺—大別造山帶東部的大別山地區(qū)，斷裂構(gòu)造的主要走向?yàn)榻麼WW～SEE，另有NW～SE和NE～SW斷裂數(shù)條。其中，控制該區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動的深大斷裂為桐柏—商城斷裂帶。上庫區(qū)內(nèi)無明顯斷裂特征顯示，根據(jù)前期調(diào)查推測，影響到研究區(qū)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的隱伏斷裂有3條，分別為F2、F3、F4。F2斷層走向70°～80°，傾向SE，傾角60°～75°，切割花崗巖巖體，由于地表大部分被植被覆蓋，巖石露頭很少，未見直接斷層證據(jù)，地貌上無明顯反映。F3斷層從東側(cè)穿過庫區(qū)，走向64°，傾向SE，傾角65°，由于地表大部分被植被覆蓋，巖石露頭很少，未見直接斷層證據(jù)，地貌上無明顯反映。F4斷層分布于研究區(qū)西部，走向340°～20°，傾向SW或NW，傾角65°～75°，切割牢山花崗巖巖體，沿?cái)鄬臃植加?個泉點(diǎn)。

圖1 信陽南部測區(qū)地質(zhì)圖

研究區(qū)的花崗巖以構(gòu)造成因的節(jié)理裂隙為主，傾角多大于54°，緩傾角節(jié)理在該區(qū)不太發(fā)育。根據(jù)走向，節(jié)理主要分為4組，分別為10°～35°、70°～85°、280°～290°和310°～355°；規(guī)模中等，延伸長度一般2～4 m，少數(shù)達(dá)4～10 m，極少數(shù)超過10 m，節(jié)理間距幾厘米至數(shù)米不等；在卸荷作用下，巖體淺表層裂隙部分呈張開狀態(tài)，張開寬度0.5～5.0 cm，充填風(fēng)化碎屑、泥或少量石英脈，部分連通性較好，可見明顯水蝕痕跡。此外，沿?cái)鄬訋У炔课还?jié)理發(fā)育程度有明顯的增加。

2 探測方法及測線布置

2.1 探測方法

巖石之間的電學(xué)性質(zhì)差異是應(yīng)用電阻率法研究地質(zhì)構(gòu)造的前提條件，作為一種陣列勘探方法，高密度電阻率法相較傳統(tǒng)電阻率法，其原理與之完全相同，但在方法技術(shù)上有較大進(jìn)步，且成本低，效率高，獲得地電斷面結(jié)構(gòu)特征信息豐富。它的主要特點(diǎn)是電極一次性布設(shè)完成，能夠進(jìn)行多種電極排列方式的測量，集電剖面與電測深于一體[20-22]；可以快速、有效、準(zhǔn)確地進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場資料整理，通過分析電阻率的變化情況，來實(shí)現(xiàn)對巖體結(jié)構(gòu)低阻異常區(qū)的有效探測。

瞬變電磁法是利用電磁感應(yīng)原理尋找地下良導(dǎo)體的地球物理方法，通過不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法，感應(yīng)磁場的大小取決于地下介質(zhì)的導(dǎo)電性[23]。

2.2 高密度電阻率法測線布置

本次勘探工作采用中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司研制的DUK-2B高密度電阻率法測量系統(tǒng)。根據(jù)地質(zhì)任務(wù)對勘探深度的要求，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，本次高密度電阻率法使用60道采集設(shè)備，供電電源為200 V直流電，供電脈寬為0.5 s，供電周期為1 s。采用四極觀測方式中的溫納裝置(Wenner)進(jìn)行探測，最大隔離系數(shù)設(shè)為19層，每條小剖面采集570個數(shù)據(jù)。此次共布置2條測線(剖面):第1條測線A(黃色)由9條小測線組成，編號為1000、1002、…、1016；第2條測線B(藍(lán)色)由10條小測線組成，編號為2000、2004、…、2018。測線布置情況如圖2所示，測線布置參數(shù)見表1。

圖2 物探測線布置圖

表1 測線布設(shè)參數(shù)

本次高密度電阻率法的測量工區(qū)地形復(fù)雜，地表接地條件較差，出露大量巖石。在正式檢測之前，應(yīng)對各個電極進(jìn)行接地電阻檢測，確保各個電極的接地電阻率都在1 kΩ以內(nèi)，電阻率較大的采取用水澆灌電極的方式改善接地條件，或稍微變動一下電極位置。

2.3 瞬變電磁法測線布置

儀器選用瞬變電磁法T4專用發(fā)射機(jī)，采用外置電池組，工作電壓36 V，發(fā)射電流7～9 A。接收裝置采用PHOENIX V8瞬變電磁儀，該儀器為3電道3磁道的主接收裝置，除了記錄自身數(shù)據(jù)外，還可用來監(jiān)控其他輔助接收裝置的數(shù)據(jù)。

根據(jù)前期研究結(jié)果以及高密度電阻率法的探測結(jié)果，圈出低阻異常區(qū)3個。受限于工作區(qū)域的地形地貌條件，應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)一步探測地下巖體結(jié)構(gòu)特征，布設(shè)工作區(qū)域用紅色矩形框標(biāo)識，測線編號為L1、L2、L3，如圖2所示，具體布設(shè)參數(shù)見表2。

表2 測線布設(shè)參數(shù)

3 探測結(jié)果分析及驗(yàn)證

3.1 物探結(jié)果分析

由于物探測量工區(qū)地形復(fù)雜，此次結(jié)果解譯基于兩種物探方法反演得到的電阻率斷面圖，如圖3—6所示。結(jié)合踏勘認(rèn)識和其他先驗(yàn)信息，得出如下結(jié)論。

圖3 東側(cè)埡口附近測線2002高密度電阻率法反演電阻率斷面圖

圖4 南側(cè)埡口附近測線2016高密度電阻率法反演電阻率斷面圖

圖5 西南探槽附近測線2018高密度電阻率法反演電阻率斷面圖

圖6 瞬變電磁法反演電阻率斷面圖

1)由圖3可以看出：該區(qū)域地表接地條件相差較大，測線前半段紅色矩形圈出處埋深20 m附近有相對顯著的高、低阻分界面，且該界面較為連續(xù)；分界面下大部分為低阻區(qū)，但界面多為閉合，推測有斷裂存在和節(jié)理發(fā)育跡象。在該點(diǎn)位布設(shè)瞬變電磁測線L1進(jìn)一步探測(圖2)，剖面反演結(jié)果如圖6(a)所示。

由圖6(a)可知，測線后半段中深部存在顯著高電阻值，推測是深部基巖的反映，在30 m左右埋深處存在高、低阻分界面，分界面上方低阻異常區(qū)為較厚的覆蓋層。瞬變電磁法L1測線在該區(qū)域測量時，因降雨量較大，反演結(jié)果顯示剖面整體電阻率偏低(圖6(a))，電阻率最低約17.8 Ω·m，探測深度可達(dá)80 ms，約70 m，兩種物探方法反演結(jié)果基本一致。

2)由圖4可知，測線前半段對應(yīng)南部埡口，低阻區(qū)明顯貫通下切基巖，圖中用紅色矩形框圈出，推斷該區(qū)域節(jié)理密集帶較發(fā)育或有斷裂存在。在該位置應(yīng)用瞬變電磁線L2進(jìn)一步探測(圖2)，測線后半段的淺表地層有低阻異常區(qū)顯示，結(jié)合現(xiàn)場勘探，此處為覆蓋層。由圖6(b)瞬變電磁測線L2反演斷面圖可知：該區(qū)域從地面向下約35 m范圍，低阻異常明顯；電阻率最低約34.7 Ω·m，探測深度可達(dá)80 ms，約70 m，結(jié)合前期踏勘工作，可斷定南側(cè)埡口區(qū)域存在較大范圍的低阻區(qū)。

3)由圖5可見：高、低阻分界面連續(xù)，中深部基巖完整性好；測線中后部存在大片低阻區(qū)(圖中用紅色矩形框圈出)，但低阻分界面較為連續(xù)，測線末端有連續(xù)高阻區(qū)，現(xiàn)場踏勘斷定為山脊裸露完整基巖，推測該測線中后部區(qū)域存在節(jié)理密集發(fā)育帶或有小斷裂。在該位置布設(shè)瞬變電磁測線L3進(jìn)一步探測(圖2)，剖面反演結(jié)果如圖6(c)所示。由圖6(c)可知，該區(qū)域整體呈現(xiàn)明顯的低電阻率值，電阻率最低約23.5 Ω·m，探測深度可達(dá)80 ms，約為70 m，與高密度電阻率法的探測結(jié)果一致，推測該區(qū)域節(jié)理密集帶發(fā)育。

3.2 鉆探結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證此次物探成果的可靠性，在3個低阻異常區(qū)域布設(shè)了鉆孔，低阻異常區(qū)的位置已在反演的高密度電阻率斷面圖(圖3—5)中圈出，鉆孔ZK1、ZK2、ZK3的布設(shè)位置對應(yīng)瞬變電磁測線位置(圖2)。結(jié)合鉆探結(jié)果與物探成果進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果見表3，部分鉆孔巖芯實(shí)際照片如圖7所示。

表3 物探成果與鉆探結(jié)果對比

圖7 部分鉆孔巖芯

從鉆探結(jié)果來看，對比巖芯的節(jié)理裂隙發(fā)育情況，巖體的風(fēng)化程度以及節(jié)理裂隙較發(fā)育的位置均與物探結(jié)果較吻合。

4 結(jié)論

將高密度電阻率法和瞬變電磁法相結(jié)合，對河南五岳抽水蓄能電站上水庫花崗巖巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，得到結(jié)論如下：

1)此次高密度電阻率法測線布置基本上環(huán)庫周，圈定了3個低阻異常區(qū)域：第1處為東側(cè)埡口，寬約40 m，深約65 m；第2處為南側(cè)埡口，寬約40 m，深約60 m；第3處為西南部探槽附近，寬約50 m，深約70 m。判斷此3個異常區(qū)域節(jié)理密集帶較發(fā)育或有小斷層。

2)在高密度電阻率法圈定的3個異常區(qū)域補(bǔ)充瞬變電磁法進(jìn)行探測，結(jié)果顯示，異常區(qū)域整體電阻率值偏低，說明高密度電阻率法探測結(jié)果是可靠的。因探測條件限制，瞬變電磁法反演得到的電阻率剖面低阻區(qū)下邊界精度不夠，但整體效果足以驗(yàn)證高密度電阻率法的探測結(jié)果。

3)通過現(xiàn)場鉆探，鉆孔巖芯顯示確實(shí)存在節(jié)理密集帶，驗(yàn)證了物探成果的可靠性，為下一步解決水庫滲漏問題提供了依據(jù)，亦為類似的水利水電工程勘察工作提供了參考方案。