地球物理勘查方法在水文地质工程中的运用研究

2018-02-16赵强

信息记录材料 2018年8期

赵强

（华北地质勘查局五一九大队河北保定 071051）

1 引言

岩土工程的主要工作是采用钻探和原位贯入的方法，取得地层的样本，然后进行工程力学的分类。采用地层性质分配试验的方法，例如圆锥贯入和标准贯入实验，对钻探和贯入实验的空间分辨率加以提高，得到了空间和量的测量范围。由于取样的范围较广，而且量测的空间较大，因此在地球物理的原位的测试上，往往采用传统的钻探和原位测量物理勘探的技术加以互补，对于钻探前的场址进行调研，得到了原位钻探和传统测试点的调查的结果。对于钻探和原位测试点的调查，已经延伸到了三维立体的信息阶段[1]。

2 地球物理勘查技术概述

地球物理勘查方法在水文地质工程中的应用采用的方法包括：自然电场法、激发极化法、高密度电法、瞬变电磁法、地质雷达法和地球物理测井法。每种方法都是较为有效的物探法，能够很好地达到水文地质的勘探精度要求。早期的岩土工程的地球物理勘查，利用跨孔震测、折射和下孔震测的方法，采用了双道面波频谱分析对于波速剖面进行了弹性的测量，土壤的动态承载变形得到了性质和模数的计算结果，采用不扰动的方式探测出了剖面深度的一维速度，对于边坡的厚度勘察的分布情况加以分析，一般是采用了三到四层不同的速度进行了勘察。土壤和地下水的污染以及地下水的资源等，被侦测到了岩土的弹性模量，使用直流电法以及电磁法等，获得了岩土的弹性模数，除了对于孔隙率和饱和度的差异进行了电阻率的获得，也获得了能够直接获得岩土的弹性模数的震测方法，由于物探的工程经过判断，是受到水质和温度等因素的影响因此在进行下孔和跨孔方法的实验的时候，工程师往往期盼要有很好的成效，但是在一般的工程应用中往往不够普遍[2]。

国内常使用的地球物理勘查方法已经拥有了许多新的应用方向，特别是在走时速度层析成像等新技术的应用上，利用电阻率层析成像的方法进行坝体的安全检测、工程师在计算机科技的帮助下进行地层内部的透视，土壤与地下水水文勘查采用多道瞬态面波等方法提供更详细的图像化结果，地基改良的质量管控等技术快速进展，主要包括地层土壤液化潜能评估等，显现出地表资源与环境的重要性，在多成功案例中，显示出对于浅地表地球物理勘查技术在地质工程应用的推广极其重要的作用，使得探测数据的客观性得到了进一步的提升，工程师认知上的差距得到了大幅度的降低，对地物性质与工程性质链接的不确定性问题、物探在工程中遇到的挑战与瓶颈，数据反演非唯一性问题、勘探深度与分辨率的限制、探测标准化与客观化的矛盾、实际条件违背反演基本假设等情况得到了进一步的解决，并拥有了很多实务对策.在提升地球物理勘探在工程的应用的合理性与普及性上取得了很大的进展[3]。

3 地表地球物理技术应用

3.1 采用走时层析成像法对某水利工程中水文情况进行检测。

该工程为一老旧混凝土拱形重力坝，为检视整体内部混凝土强度的状态，沿坝轴方向之垂直剖面进行弹性波层析成像勘探，得到了剖面测线剖面编号，共计规划五处。依据现场条件及需求，采用弹性波层析成像技术进行了探测，剖面则为水平走向进行检测，混凝土坝体利用走时层析成像法检测强度，横切坝体分布且向下游方向下倾之剖面，H1与H2震源设置于下游坝面，钻芯之成果均显，表明坝体表面强度不足，接收器则水平设置于上游坝面。案例水库为近期水库安全评估沿坝轴方向水平施测；H1剖面斜切垂直剖面L1与L2，水下之淤积库床上，而H2则斜切L3剖，下倾角度约为21.67°，震源设置于下游坝面，下倾角度约23.56°。

混凝土强度不足可采用橡胶锤作为人工敲击式震源，最低速区仍可达质量分类“可”之下界，勘探结果可合理说明水库额安全等级，坝轴方向如果发横波速降低，且呈现沿均匀带状分布，同时P波出现于下游坝面表层附近，则可以判断坝体内部弱化多仅限于1～2m范围，如果依测线相对位置及倾斜角度，则坝体P波速度层析成像结果一般为3.0～4.2范围之间，接收器为德国生产的28Hz速度型水中受波器，对P波速度与混凝土强度之经关系进行数据反演分析，如果安全评估中所获得之混凝土强度成果偏低，则勘探结果仅显示在坝体下游面表面施作坝体下游表面的整体波速，对于受到长时间风化的影响的严重程度，以及因破裂劣化造成之明显向内部延伸出现的弱带则无明显显示。

3.2 采用电阻率层析成像法对土石坝异常渗漏及土壤以及地下水污染情况进行勘查。

该方法的验证通过某一水库土石坝渗漏的案例进行分析，案例水库管理单位为解决异常渗水问题，加高前于左右坝座分别进行隔幕灌浆，但渗漏问题仍无法获得改善，经过检测，发现异常渗漏出现的地方多位于坝的左右山脊，该位置地质条件较为恶劣，针对坝面异常渗水之位置较接近左坝座的问题，采用再施作一道隔幕灌浆的方法，在左坝体加高蓄水超过原旧坝顶高程后，又在左坝座、坝顶和下游面通达道路三处布设实测布点，包括两处异常低电阻区，两处低电阻区上下链接的疑似渗漏路径，从地电阻影像的结果，断定两处对应的异常渗流路径，其数值的高低正好对应坝面主要渗漏位置，亦取决于地层材料的成分与粒径分布，低电阻区域仍远高于地下水位，经过低电阻位置信息与坝体水压计观测结果的对比，对两处低电阻区域进行了肯定，确定邻近同一断面经过整合，为异常渗流区域，工程人员推测为库水经左山脊渗漏至下游壳层，疑似受到地下含水饱和度的影响，坝体库容量加高，使得坝顶及下游坝面异常渗漏[4]。

3.3 采用音频大地电磁测深（EH4）方法在河谷地区确定第四系含水介质的岩性、厚度、埋藏深度及富水地段。

EH4是采用人工场和天然场结合的一种频率测深方法，俗称双源频率测深，其低频部分采用天然场，高频部分（500Hz以上）采用人工场，该方法勘探深度一般数十米～-1000米。本次工程采用EH4张量测量的工作方式。仪器首先以时间系列采集电磁脉冲。60ms一次，分14次。每60ms又分为三段，20ms-帧作一次付氏变换。左为20ms的时间域记录，分Hy,Ex,Ey,Hx四道，右为其付氏变换结果，一半为振幅，一半为相位，共八道。左边部分时间域数据存入X文件，每20ms、4096样点，2进制码。右边部分频率域数据存入Y文件，ASCⅡ码。根据电性特征整体剖面分析进而推测出测区第四系岩性浅部以砂砾石为主，中深部以砂砾石、中粗砂、粉砂夹粘土亚粘土互层为主，基底岩性以第三系，侏罗系为主。

经钻探验证实际情况与推测结果相符。事实证明EH4方法在该地区抗干扰能力强、信噪比大，曲线完整圆滑，分层能力较强，数据采集质量高，适宜于本测区水文地质勘探。