2017, Vol. 32
2. 国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室, 桂林 541004
2. Karst Dynamics Laboratory, ML R & GZAR, Guilin 514004, China
岩溶渗漏往往影响水库的正常蓄水，对水库的正常工作产生不利影响，针对水库渗漏问题，国内外学者开展了不同程度的研究(Conant，2004；Anderson，2005；Karimi et al., 2007；Mozafari et al., 2012)，陈建生等(2005)利用虚拟热源法研究坝基裂隙岩体中存在的集中渗漏通道；王建强等(2007)应用连通试验查明了水库区岩溶地下水系统补给、径流、排泄关系, 确定库区地下分水岭的位置；董海洲和陈建生(2009)利用同位素示踪法确定了地层中强渗流带，利用温度示踪法判定水库是否存在渗漏.地球物理方法利用介质的物性差异进行探测，在水库渗漏研究中也具有较广泛的应用(薛建等，2001；葛双成等，2006；毛先进等，2008；甘伏平等，2010).郑灿堂(2005)利用自电电位曲线的特征推断出渗漏带的埋深、宽度、走向以及渗流的时空动态分布；董延朋和许尚杰(2012)利用综合物探方法确定了坝体渗水明流的进水口、渗漏带的发育深度及其平面位置；白云等(2015)利用地质雷达系统探测南门峡水库的渗流通道，确定了其主要渗漏路径.
桂林市全州县洛潭水库自1975年竣工以来，水库一直处于漏水状态，库底及库区东岸发育一系列近SN向的串珠状岩溶塌陷，库区下游有两个水量较大的出水口出露，水库渗漏问题严重.韩凯等(2015)利用大功率充电法、常规充电法、自然电场法、高密度电法以及跨孔地震声波透视法对水库开展物探定渗漏带的研究工作，并查明该库区可能存在3条岩溶渗漏发育带，但该库区下覆基岩碳质灰岩发育普遍，碳质灰岩、岩溶渗漏带、溶洞、岩溶破碎带等均呈现低电阻率值，电法勘探受碳质灰岩影响容易造成虚假异常，因此对于岩溶渗漏通道的分布及发育还存在多解性，为了消除岩溶渗漏通道分布和发育的多解性，笔者采用受碳质灰岩影响较小的地震反射法、地震折射法、微动法，并结合高密度电法、跨孔电阻率透视法及跨孔声波透视法对1、2号可能渗漏异常带进行详查除疑研究，查明该岩溶渗漏通道确实存在，且对其发育及分布位置进行了更精准的定位，为后续水库堵水截流帷幕灌浆工程设计与施工提供了地球物理依据.
1 库区地质概况 1.1 库区地貌库区位于全州县越城岭东部，总体地势为西北高，东南底.河谷高程220~230 m，山顶高程一般为350~370 m，相对高差120~150 m，主要为侵蚀剥蚀低山地貌，库区东部为岩溶峰丛地貌.区内沟谷纵横，多为“V”型谷.
1.2 地层与地质构造水库东侧地层为石炭系下统大塘阶石磴子段(C1d1)：岩性为深灰-灰黑色中厚层泥质、碳质灰岩夹泥岩.水库西侧地层为石炭系下统大塘阶测水段(C1d2)：岩性为深灰-灰黑色薄至中层砂质页岩、粉砂岩互层.库底多为第四系覆盖.水库位于一近南北向向斜构造的西翼，库区无大的断裂构造通过.
1.3 水文地质条件受岩性、构造的制约，地下水赋存类型为孔隙水、岩溶水.孔隙水赋存于含砾粘土中，主要分布在坝基、库底、岸坡等残积层孔隙中.岩溶水分布在灰岩裂隙溶洞中，由于区内灰岩岩溶较发育，在构造发育的部位，岩石比较破碎，属强透水区，地下水活动强.地下水受大气降水的补给，向就近沟谷排泄，地表径流大，地表水及地下水对水工建筑物无侵蚀性.
2 地球物理方法及测线布置 2.1 地球物理方法受库区场地条件所限，地球物理工作主要在库区的东侧开展，根据库区东侧地层的岩性特征，此次地球物理工作选择以受碳质灰岩影响较小的地震折射法、地震反射法及微动法为主，高密度电法、跨孔电阻率透视法、跨孔声波透视法为辅的综合物探方法对库区进行岩溶渗漏通道排查的地球物理勘探工作.
2.2 测线布置根据可能的岩溶渗漏带发育位置，在水库于坝之间布设第7-2线，测线方位角为85°，测线长度245 m(编号450~745 m)(图 1)，开展地震折射法、反射法，微动法及高密度电法等地面物探工作，查明确定岩溶渗漏带位置，在坝上对应的异常段开展跨孔电阻率透视及跨孔声波透视等井中物探工作.
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图 1 库区物探测线布置实际材料图 Figure 1 Material map of geophysical survey line positions in Luotan reservoir |
地震波传播在遇到不同岩性、不同岩石结构、构造带、溶洞或管道时也会产生速度变化，往往含水岩溶构造及断裂带速度较小，利用速度可以绘制出地下的速度剖面图，从而推断地下的地质结构、岩溶发育和构造.折射波法观测系统是记录一条剖面下面岩层岩性的变化，根据远炮，近炮初至时间斜率的变化划分出各层之间的分界面的位置关系.
3.1.1.1 仪器及野外工作参数采用瑞典Terraloc MK6地震仪进行野外数据采集.野外工作参数为：(1) 采样率：250 μs；(2) 采样点：16384；(3) 采样道数：44道；(4) 道间距：5 m；(5) 炮点数：15炮.
3.1.1.2 地震折射法资料分析由图 2可知，在高程185 m以下，519~530 m测点段出现漏斗状的相对低速带，在高程207~230 m之间，655~672 m测点段出现“U”型低速异常带，结合实际材料图(图 1)推断该两处均为岩溶破碎带，且分别为1号岩溶渗漏通道和2号岩溶渗漏通道发育分布的位置.在高程180~190 m之间，540~572 m测点段出现相对低速区，在高程207~230 m之间，582~592 m测点段出现“V”型低速异常带，推断为1号岩溶渗漏带的延伸发育段.
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图 2 第7-2测线地震折射波速度等值线剖面图 Figure 2 Seismic refraction wave velocity contour map for survey line 7-2 |
地震反射法(又称地震映像法)是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅层地层勘探方法.当地震波传播遇到不同岩性、不同岩石结构、构造带、溶洞或管道时，地震映像时间剖面图中同相轴会发生变化(如同相轴畸变、错断、向下倾斜等)，可据此特征来判断地下岩性变化、构造及是否发育有岩溶管道或判断地下结构的含水性.
3.1.2.1 仪器及野外工作参数选择等偏移地震反射法，采用瑞典Terraloc MK6地震仪进行野外数据采集.野外工作参数为：(1) 采样率：100 μs；(2) 采样点：4096；(3) 采样道数：1道；(4) 道间距：1 m；(5) 偏移距：6 m.
3.1.2.2 地震反射法资料分析由图 3可知：490~500 m测点段，40 ms以后同相轴有向下倾斜趋势，推断该区域下方为泥岩或砂质页岩、粉砂岩分布段；516~534 m测点段，初至波、反射波及面波同相轴均出现先向下倾斜后向上倾斜的“回转波”，走时先增加后减小，推断该段为1号岩溶渗漏通道发育分布位置；554~570 m测点段从初至波、反射波、面波，同相轴均出现错断，且初至同相轴时间变小，结合地震折射速度剖面，推断该区域为1号岩溶渗漏通道的延伸段.
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图 3 第7-2测线地震反射波时间剖面图 Figure 3 Time profile of seismic reflection data for survey line 7-2 |
地球表面时时刻刻都存在振动，这种与地震无关的微弱振动，往往携带着地下地质结构、构造方面有用的信息.地微动法就是通过在地面放置检波器，接受地面三个分量的振动信号，分析其振动模式、频谱特征，从而推断地下地质结构特性的一种地球物理方法.
3.1.3.1 仪器及野外工作参数采用意大利TROMINO多通道地震仪.野外工作参数为：(1) 点距：5 m，局部加密至2.5 m；(2) 采样频率：128 Hz；(3) 采样时间：20 min.
3.1.3.2 微动法资料分析由图 4可知，在频率为6.5~12 Hz段，521~536 m测点段在H/V谱上存在高值闭合能量团，在频率为8~15 Hz段，652~665 m测点段在H/V谱上存在点状至串珠状高值闭合能量团，均与地下岩石破碎程度相关，推断为岩溶破碎发育段，分别对应为1号与2号岩溶渗漏带发育位置.
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图 4 第7-2测线微动H/V比值谱等值线图 Figure 4 Microtremor H/V ratio spectrum contour map for survey line 7-2 |
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图 5 第7-2测线高密度电法视电阻率等值线断面图 (a)α2装置视电阻率等值线断面图; (b)β装置视电阻率等值线断面图. Figure 5 Inversion results for electrical resistivity techniques applied to survey line 7-2 (a)Contours of apparent resistivity section using device α2; (b)Contours of apparent resistivity section using device β. |
高密度电法是以岩土体的电性差异为基础的一种物探方法，高密度电法在对岩性破碎带或者充水溶洞、管道等低阻构造带进行探测时，会在视电阻率断面图上呈现出低阻异常圈闭或低阻带.
3.1.4.1 仪器及野外工作参数采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-3性高密度电阻率测量系统，包含WDJD-3型多功能数字直流激电仪、WDZJ-3多路电极转换器.野外工作参数为：(1) 采集装置：β排列(偶极装置ABMN)，α2排列；(2) 供电电压：540 V；(3) 电极距：5 m(4) 道数：60；(5) 采集层数：20.
3.1.4.2 高密度电法资料分析综合偶极装置(β装置)及α2装置电测深视电阻率反演等值线断面图可知，在7-2测线528~592 m，660~730 m测点段出现低阻异常带，且具有圈闭的趋势，推测该两段分别为1号与2号岩溶渗漏通道的发育位置.
由α2装置与β装置视电阻率等值线断面图可知，α2装置在480~620 m及660~730 m测点段均出现低阻异常，β装置在528~592 m及660~730 m测点段均出现低阻异常，综合对比地震折射、反射及微动资料分析可知，受低阻碳质灰岩影响，高密度电法对低阻异常体辨识度降低，且反演异常范围容易被放大；β装置解译的渗漏发育段与上述物探方法的解译范围较为接近，α2装置偏差较大.因此，碳质灰岩区，α2装置对低阻异常体的分辨率小于β装置.
3.1.5 讨论坝上ZK1~ZK3钻孔资料揭示下方均为碳质灰岩：ZK1钻孔下方22.6~39.5 m段石英脉发育，岩芯破碎；ZK2钻孔下方17.6~37.0 m石英脉发育，岩芯破碎；ZK3钻孔下方岩芯较完整，多呈柱状，钻孔资料说明岩溶渗漏通道主要发育于钻孔ZK1~ZK2之间.综合以上地面物探方法的资料可知：1号渗漏通道在7-2测线上的发育位置为515~534 m测点段，对应坝上的钻孔位置为ZK1~ZK2之间，与钻孔资料揭示的岩溶渗漏带位置吻合，另外，由地面物探资料推测534~592 m测点段为渗漏通道的隐患发育带.
坝上ZK6~ZK9钻孔资料揭示下方均为碳质灰岩：ZK6钻孔岩芯石英脉发育，多呈长柱状，58.3~70 m段岩芯石英脉发育且破碎，58.3 m后出现冲洗液渗漏，部分返水现象；ZK7钻孔岩芯多呈长柱状，0~34.3 m岩芯石英脉发育，36.8~37.2 m、39.7~40.3 m岩芯较破碎，60.8~61 m进尺快，漏水，不返水；ZK8钻孔岩芯石英脉发育，多呈长柱状，其中54.7~55 m进尺快，岩芯有明显水流迹象，溶蚀现象发育，漏水，不返水；ZK9钻孔岩芯完整，多呈长柱状，钻孔资料说明岩溶渗漏通道主要发育于钻孔ZK6~ZK8之间.综合以上地面物探方法的资料可知：2号渗漏通道在7-2测线上的发育位置为655~672 m测点段，对应坝上的钻孔位置为ZK7~ZK8之间，与钻孔资料揭示的岩溶渗漏带位置吻合，另外，在7-2测线655~672 m测点段与钻孔ZK7~ZK8之间发育有3个落水洞，进一步证明2号岩溶渗漏通道发育位置的可靠性.
3.2 井中物探由地面物探工作可知，7-2线查明的可能渗漏异常带对应坝上的钻孔位置位于ZK1~ZK3，ZK6~ZK9之间，分别对以上钻孔进行井中物探工作.
3.2.1 跨孔声波透视法不同岩石的地震声波传播速度并不相同，而且当同一种岩石的破碎程度不同，或者地下存在溶洞、裂隙、岩溶管道时，地震声波的传播速度均会产生变化.当存在溶洞时，因声波的绕射或折射，会使平均波速及振幅降低.
3.2.1.1 仪器及野外工作参数采用瑞典Terraloc MK6地震仪及德国Geotomographie跨孔地震成像系统与波速测试系统.野外工作参数为：(1) 采样率：250 μs；(2) 采样点：4096；(3) 采样道数：12道；(4) 道间距：1 m.
3.2.1.2 跨孔声波透视法资料分析从图 6、图 7可知：ZK1~ZK3跨孔声波透视波速差异不明显，未见明显的低速异常带，而对应的7-2线地面物探工作在该段渗漏异常明显，主要原因为水库早年间对ZK1~ZK3进行了帷幕灌浆处理，另一方面，此次跨孔声波透视的道距为1 m，而该渗漏带可能主要为裂隙渗漏，因此ZK1~ZK3未见明显的低阻异常.ZK6~ZK9低速异常区主要分布在ZK6~ZK8，但未见明显的低速圈闭，推测ZK6~ZK8为可能渗漏带，且以裂隙渗漏为主.
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图 6 ZK1~ZK3跨孔声波透视速度等值线剖面图 Figure 6 Cross-hole seismic acoustic perspective velocity contour map for ZK1 to ZK3 |
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图 7 ZK6~ZK9跨孔声波透视速度等值线剖面图 Figure 7 Cross-hole seismic acoustic perspective velocity contour map for ZK6 to ZK9 |
跨孔电阻率透视法是利用探测目标与周围介质之间的电性差异来研究确定目标体位置形态、大小及物性参数的一种井中物探方法.由于完整的岩石电阻率相对较高，破碎的岩石电阻率相对较低，当岩溶通道中含水或充填物时，电阻率将进一步减小.
3.2.2.1 仪器及野外工作参数采用西安澳翔勘探技术开发有限公司的Flash-RES-UNIVERSAL超高密度电阻率层析成像采集系统.野外工作参数为：(1) 电压：120 V，350 V；(2) 供电时间：1 s；(3) 断电时间：0.5 s；(4) 道数：64道；(5) 道间距：2 m.
3.2.2.2 跨孔电阻率透视法资料分析从图 8、图 9可知：低阻异常主要发育在ZK6~ZK9之间，明显的低阻圈闭在ZK7~ZK8之间，推断为主要渗漏段，与地面物探资料解译的2号岩溶渗漏通道位置吻合.由ZK7~ZK8钻孔资料可知，该段碳质较为发育，对跨孔电阻率透视影响较大，结果存在多解.ZK1~ZK3虽在早年间进行过帷幕灌浆处理，但由图 8可知ZK1~ZK2之间低电阻率现象依然明显，未见明显低阻圈闭(钻孔ZK2下方32~37 m虽出现了低阻圈闭，与钻孔揭示的岩芯破碎有关)，推测ZK1~ZK3仍存在渗漏隐患，且以裂隙渗漏为主.
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图 8 ZK1~ZK3跨孔电阻率透视电阻率等值线剖面图 Figure 8 Cross-hole resistivity perspective resistivity contour map for ZK1 to ZK3 |
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图 9 ZK6~ZK9跨孔电阻率透视电阻率等值线剖面图 Figure 9 Cross-hole resistivity perspective resistivity contour map for ZK6 to ZK9 |
综合跨孔声波透视及跨孔电阻率透视可知：地面物探与井中物探吻合性较好.由于碳质灰岩的影响，跨孔电阻率透视在低阻异常渗漏段易产生圈闭现象.ZK1~ZK3虽进行过帷幕灌浆处理，但仍存在渗漏隐患.1、2号渗漏通道对应在坝上的发育位置为ZK1~ZK2，ZK7~ZK8之间，且以裂隙渗漏为主.
4 结论 4.1受碳质灰岩影响，高密度电法对低阻异常体辨识度降低，且反演异常范围变大；碳质灰岩区，α2装置对低阻异常体的分辨率小于β装置.
4.2受碳质灰岩影响，跨孔电阻率透视在低阻异常段电阻率等值线形成圈闭现象，对异常的分辨率降低.
4.3在碳质灰岩地区，地震折射法、地震反射法及微动法受碳质影响小，采用其组合的方式能较好的确定岩溶渗漏带发育的位置.
4.41号岩溶渗漏带分别通过7-2测线515~534 m测点段及大坝钻孔ZK1~ZK2，7-2测线534~592 m测点段为1号渗漏带隐患区；2号渗漏带分别通过7-2测线655~672 m测点段及大坝钻孔ZK7~ZK8，ZK6~ZK7段为2号渗漏带隐患区.1、2号渗漏带主要为裂隙渗漏.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | Anderson M P. 2005. Heat as a ground water tracer[J]. Ground Water, 43(6): 951–968. DOI:10.1111/gwat.2005.43.issue-6 |
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