0 前言

充电法最早由Schlumberger在1920年提出，20世纪的50年代以后开始被广泛地应用到良导金属矿和水文、工程地质调查中。在此期间充电法的应用及资料解释均得到极大的发展^[1-3]。国内对充电法的应用也可以追溯到20世纪50年代^[4-5]，但是直到80年代后其才得到较快的发展，并先后被用于岩溶地下水管道探测^[5-6]、金属矿勘探^[7-8]等方面。

在追索地下暗河、探测岩溶含水通道和联通性方面，相比其他物探方法，充电法具有灵活的野外工作方式、简单直观的数据处理流程、定位准确率高等特点。最近随着水文地质和工程地质的需要，充电法开始越来越多地在寻找地下水和岩溶含水管道或裂隙带中得到应用^[9-10]。

我国自20世纪50年代开始，已在岩溶地区修建了大量的水利工程^[11-14]；但是在岩溶发育强烈的西南地区，岩溶水库的渗漏问题普遍存在，这不仅影响着水库的正常蓄水，也将危及水库的安全运行及稳定。利用其他地球物理方法虽然也可以对水库渗漏情况进行探测^[15]，但大功率充电法具有信号强、抗干扰能力强、分辨率高、效率高等优点，可以在较大范围内对地下岩溶含水通道发育情况进行追踪；同时，“多源”的大功率充电法测量相比“单源”能更好地排除假异常的干扰，从而确定出异常的分布特征。因此，本文尝试利用多源大功率充电法对岩溶含水通道进行定位，以期对岩溶区地下含水通道探测和渗漏水库治理提供可靠的依据。

1 地质背景 1.1 水库概况

洛潭水库位于桂林市全州县越城岭东侧，是一座以灌溉为主的小型水库。水库于1975年竣工后未能正常蓄水，也未能发挥工程效益。其原因是：在水库东岸及库底，存在一系列近南北向串珠状的塌陷，并可见多处渗漏点；在库坝外侧下游，明显的岩溶通道出水口有两处，其中1#出水口常年渗漏，2#出水口为季节性渗漏，渗漏流量大于1#出水口。因此，水库存在着严重的岩溶渗漏问题，这也是水库运行安全的一大隐患。水库管理单位虽然对整个水库大坝的坝体及下方岩溶比较发育的基岩进行了灌浆加固，但是水库渗漏的情况至今仍未改善。这表明该地区的岩溶地质条件十分复杂，可能存在绕坝渗漏的情况。

1.2 地形地貌

测区属岩溶盆地(谷地)与岩溶峰丛地貌过渡带。库区以西为岩溶谷地，地形起伏较为平坦，有零星石灰岩孤峰出现，地面多为第四纪浮土覆盖。而水库东岸为岩溶峰丛地貌，边坡平缓，山顶浑圆，分水岭不明显，低山呈南北走向，与地层走向一致；在低山与谷地接触带(水库东岸)，地面塌陷、落水洞十分发育，也呈南北向、串珠状分布，地面可见库水灌入地下，推测可能存在地下暗河或岩溶管道。区内河谷呈“U”型，河道平坦，水流缓慢。测区高程变化在210~270 m，总体地势为北高、南低，东高、西低，最高点位于测区东侧山顶。

测区的岩溶盆地，整体呈长条形展布，主要受近北东向区域大断裂和可溶岩地层分布的控制。

1.3 区域地质构造背景

水库地区主要发育上古生代石炭纪地层，以浅海碳酸盐岩相为主，次为滨海或海陆交互相碎屑及含煤碎屑沉积。水库库底以第四纪沉积岩为主，局部出露石炭系下统大塘阶测水段(C₁d²)紫色粉砂岩，基岩为石炭系下统大塘阶石磴子段(C₁d¹)灰岩；水库东侧以石炭系下统大塘阶石磴子段(C₁d¹)灰岩为主，部分夹炭质，厚度10余cm不等；水库西侧主要出露石炭系下统大塘阶测水段(C₁d²)紫色粉砂岩。

测区位于扬子板块和华夏板块的碰撞结合带，该区域先后经历了四堡运动、广西运动、东吴运动、印支运动和燕山运动，其中广西运动、印支运动和燕山运动均对研究区造成了强烈的影响^[16-17]。区内的主要断裂有近SN的白石断裂和NNE向的桂林—来宾断裂^[17]，它们共同控制了区内的构造演化特征。

2 野外工作布置 2.1 测线布置

由于测区岩溶地质条件复杂，岩溶渗漏通道走向未知，前期防渗处理过程中发现可能存在绕坝渗漏现象，故本次野外探测遵循从已知到未知的思路，分别布设了4条环形测线(L1—L4)和3条与坝轴线平行的测线(L5—L7)，并在水库东侧落水洞密集分布的区域布设了L8线和L9线(图 1)。

环形测线可以消除正常场影响，并可在较大范围内对岩溶含水通道的走向进行追踪定位；3条平行测线主要是为了追索与水库渗漏相关的绕坝岩溶渗漏通道走向、定位坝轴线及库内异常位置，便于水库防渗处理；L8线及L9线的布设是为了确定与库内落水洞相关的岩溶渗漏通道在库内的走向。

9条测线总长度3 220 m，测线点距为10 m，异常地段加密至5 m。测点采用RTK Trimble 5800 GPS系统布设，精度满足探测要求。

2.2 仪器及野外数据采集

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，在接地电阻比较理想的状态下可以发送出几十安培的电流，在较大的范围内产生比较强的信号，大大地提高了探测的范围和精度。

野外数据采集时，根据测线距充电点的距离分别对供电点供以3~8 A的电流，通过强信号提高信噪比。同时为了保证数据采集质量，还做了如下措施：无穷远极布设距离大于1 km，接地电阻小于1 kΩ；采用不极化电极作为测量电极，保证不极化电极的稳定性，且每对不激化电极的极差小于1 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，岩石裸露的地方不大于5 kΩ；做好数据的检查测量，对有问题数据进行补充测量。

3 数据处理 3.1 正常场改正

假设地下为均匀各向同性半空间，当对地下供入点电流，在地表进行观测时，地表观测电位为

式中：U为地表观测电位；ρ为均匀各向同性半空间的电阻率；I为供电电流；r为观测点到供电点的距离^[18]。

从式(1)可以看出，当观测测线为直线时，不同测点距离充电点的距离r是不同的，不同测点观测获得的正常场电位也是不同的。那么，当地下存在异常体时，观测点A和B的电位值为：

式中：U_SA、U_SB分别为A、B点的实测电位；U_A、U_B分别为A、B点的正常场电位；ΔU_A、ΔU_B分别为A、B点的异常电位；r_A、r_B分别为A、B点到充电点的距离。在式(3)两端同时乘以r_B/r_A，式(3)变为

则

此时，式(5)中的U_A为测线上某一固定点A点的观测电位值，其他均为已知，故可把异常提取出来。

图 2为L6线和L8线归一化电位进行正常场校正前后的对比图。从图 2可以看出，进行正常场校正之后，异常得到了有效恢复。

3.2 Fraser滤波

在对数据进行正常场改正后，由于数据依然是正常场与异常场的叠加，为了能更好地消除正常场的影响，还需对数据进行Fraser滤波处理。Fraser滤波是1969年由Fraser提出的一种低通平滑算子^[19]，其实质是利用滤波算子使数据的拐点或“零 值点”变为更加易于区分的极值点。该滤波算子可以表示为

式中：f_n,n+1为滤波后数据，数据记录点为n和n+1之间；M_n-1—M_n+2为相邻4点的原始数据。如图 3所示，电位的“极值点”在滤波后变为了“零值点”，而电位梯度的“零值点”变为“极值点”，可以看出滤波后明显的异常依然存在，而小的异常也变得更加容易辨别。

4 大功率充电法资料分析 4.1 1#出水口

对1#出水口进行大功率充电，获得了L1—L9这9条测线的大功率充电法电位及电位梯度数据，并对其进行了数据校正。对校正后的环形测线L1—L4数据进行分析，电位及电位梯度探测结果均显示，测区内共有3条岩溶含水通道与1#出水口相连通(图 1，4)。

确定了岩溶含水通道的分布，还需要分别追索它们在坝轴线及库内的走向，确定其是否与水库渗漏有关。于是利用大功率充电法对与坝轴线平行的3条测线L5—L7及L8线、L9线进行了探测，并对测量结果进行了数据校正，成功地确定出Ⅰ号和Ⅱ号岩溶含水通道在坝轴线上及库内的异常位置，如图 4所示。由图 4可知，经过数据校正后，弧形测线和直线测线确定的Ⅰ号和Ⅱ号岩溶含水通道走向基本一致；说明经过数据校正后异常得到了很好的恢复。

利用进行数据校正后电位梯度异常点由“零值点”变为“极小值点”的特征，绘制了对1#出水口充电的L1—L9线电位梯度平面等值线图(图 5)。从图 5可以清晰地分辨出3条岩溶含水通道的平面分布特征和走向。分析对比3条岩溶含水通道的分布情况后，可以推测Ⅰ号和Ⅱ号岩溶含水通道与水库渗漏关系密切，二者在水库中汇聚成一条岩溶含水通道；其中Ⅰ号岩溶含水通道规模最大，与1#出水口的连通性最好。

4.2 2#出水口

为了确定2#出水口与1#出水口及水库渗漏的关系，对2#出水口进行了大功率充电，分别在L1—L7线进行观测，测量结果如图 6所示。根据测量结果可以看出，与2#出水口相连通的岩溶含水通道同样有3条，分布特征与1#出水口探测结果基本一致，其中Ⅰ号和Ⅱ号岩溶含水通道在具体走向上略有差别，Ⅲ号岩溶含水通道的走向和1#出水口测量结果是一致的；说明2个出水口之间具有连通关系。

利用改正后的电位梯度数据，绘制了2#出水口充电获得的L1—L7线电位梯度平面等值线图(图 7)。从图 7可以看出，3条推测的岩溶含水通道中，Ⅱ号和Ⅲ号岩溶含水通道异常特征比较明显，而Ⅰ号岩溶含水通道与2#出水口的连通性并不好。对图 6和图 7进行对比分析后认为：1#出水口和2#出水口是相互连通的；Ⅰ号岩溶含水通道与1#出水口的连通性较好，Ⅱ号和Ⅲ号岩溶含水通道与2#出水口的连通性更好。

4.3 3#充电点

经过上面的分析后认为，推测的3条岩溶含水通道中，Ⅰ号和Ⅱ号岩溶含水通道与水库渗漏的关系密切。为了对此进行进一步验证，在库内落水洞布置了3#充电点，在L6—L9线进行大功率充电法观测，测量结果如图 8所示。从图 8可以看出，异常在L6线比较集中，越靠近库内异常越分散。经过与之前探测结果对比后发现，异常位置与推测的Ⅱ号岩溶含水通道是比较一致的，而推测的Ⅰ号岩溶含水通道所在位置没有异常体现；说明两条通道中目前仅有Ⅱ号岩溶含水通道与库内落水洞相连，该通道在库内呈现出分散状，至L6线集中为一条通道。

5 水库渗漏情况分析

经过多源大功率充电法验证后认为，Ⅰ号岩溶含水通道原来应为水库渗漏的一个通道，但是经过对大坝进行钻孔注浆工作以后，目前已经被封堵，不是作为水库渗漏的主要原因；目前水库渗漏的主要通道是Ⅱ号岩溶含水通道。另外，根据地质调查，Ⅲ号岩溶含水通道连接邻侧山谷，与水库无明显的水力联系，而区内无明显的构造发育，不存在库水向邻谷渗漏的可能。可以确定，Ⅲ号岩溶含水通道是一条独立的岩溶地下水系统，其上游发育3个规模较大的落水洞和1个间歇性泉，3个落水洞的高程与水库的正常水位高差52~72 m，间歇性泉的高程与水库的正常水位高差49 m。因此，认为Ⅲ号岩溶含水通道与水库渗漏没有直接关系。

在确定Ⅱ号岩溶含水通道是目前水库渗漏的主要通道后，还需要对Ⅱ号岩溶含水通道进行钻探及示踪法验证，以验证该渗漏通道的准确性，并探明其发育的位置及宽度。根据大功率充电法确定的异常范围，在已有1—5号钻孔的情况下，增加布设6—9号钻孔；结合库区岩溶发育情况及前期钻探情况，钻孔深度以底界面低于高程160 m为准。经过钻探及压水试验发现：6号钻孔下部虽有岩心破碎的情况，但是并无岩溶发育，压水试验证明该孔不漏水；而7—9号钻孔下方均有不同程度的岩溶发育，钻探过程中不返水，压水试验显示无压力，说明该段的下部岩溶比较发育。

综合考虑到示踪剂的吸附性、经济性和环境破坏性后，本次示踪试验采用工业盐作为示踪剂，通过在1#出水口定时采样来检测水体中氯离子的质量浓度，以验证推测通道的连通性。

在投放工业盐示踪剂之前，分别对水库内水体和出水口处的水体进行了采样，测得水体中的氯离子质量浓度均为0.15 mg/L。每次示踪试验均在0.5 h内投放500 kg工业盐，在投放示踪剂的同时开始在1#出水口进行定时采样，图 9显示了1#出水口监测点水体中氯离子质量浓度随时间变化的曲线。从图 9可以看出3条曲线均在10 h开始出现变化，其中：8号钻孔和9号钻孔示踪曲线比较一致，在12~13 h到达最高点之后开始快速下降；而7号钻孔示踪曲线在11 h和14 h出现两个极大值点，14 h候开始缓慢下降。对比分析3条示踪曲线后，可以推测3个钻孔均与1#出水口相连通，其中：9号钻孔与1#出水口的连通性最好，其次为8号钻孔，而7号钻孔与1#出水口的连通性较差。

钻探和示踪试验的结果表明，综合物探方法推测获得的Ⅱ号岩溶含水通道与水库渗漏密切相关，通道边界的一侧在6号钻孔和7号钻孔之间，另一侧位于9号钻孔外围，宽度大于40 m，主通道靠近9号钻孔。

另外根据示踪试验结果可知，示踪剂从投放开始10 h后才到达1#出水口，而示踪剂投放点与1#出水口的直线距离仅230 m左右；可估算出地下水流最大流速为23 m/h。水流速度很缓慢，推测地下岩溶发育情况比较复杂、通道较宽或存在多个分支，也有可能局部存在较大的溶洞、溶潭，使示踪剂被稀释而导致延迟流出。

6 结论

1) 利用多源大功率充电法对水库大坝的渗漏情况进行探测，具有信号强、测量范围大、受地形影响小、分辨率高等优点；通过“多源”追索测量，可以很好地分辨出地下暗河、岩溶管道的走向、特征及连通性，并能够对真假异常进行甄别。

2) 为了克服点源场的干扰，采用环形测线进行充电法测量，获取地下暗河、岩溶管道的走向及分布数据，进行正常场校正可以恢复有效异常。但由于地下暗河、岩溶管道与金属矿体等良导体在规模、电性等方面存在差异对比，虽然经正常场校正后有效异常得到了恢复；但充电法异常仍较微弱，需要对数据进一步处理。经Fraser滤波处理后，有效微弱异常得到了明显增强，突出了异常的分辨率。其处理结果证明，该方法效果明显，值得推广应用。

3) 通过对洛潭水库3个充电点的探测成果进行分析对比后发现，测区内共存在3条岩溶含水通道，而Ⅱ号岩溶含水通道是目前导致水库渗漏的主要通道之一。