我国云贵等西南地区岩溶强烈发育,对工程建设尤其水利水电工程影响较大。库区诸如暗河、岩溶湖等不良地质对库首及堤坝的防渗极为不利,因此在岩溶地区水文、工程地质调查中,需采用适宜的方法进行岩溶发育形态调查及追索。

某水库工程位于贵州省,主要用于灌溉、供水等,推荐碾压混凝土重力坝方案。初步设计阶段发现水库区岩溶发育强烈,岩体裂隙发育,覆盖型岩溶形态如暗河、出露泉等在右岸有出露。强烈发育的岩溶地貌,促使地下暗河成为了库区地表、地下水最低排泄基准面,库区内的岩溶发育对水库的渗漏问题影响较大。电法作为物探方法的重要分支,可通过土岩电阻率差异查明地质体的规模及空间位置等。在该水库坝址上游地区采用充电法及高密度电法探测暗河,在坝址下游区探测了岩溶湖的水源补给方向,为成库论证及岩溶防渗提供了依据。

当被探测地质体具有良好的导电性时,将电源的一个极直接接到到点地质体上,而将另一极置于无限远的地方,这样,良导地质体便成为带有积累电荷的充电体(近似等位体),带电等位体的电场与其本身的形状、大小和埋深有关。通过研究充电体在地表的位置及其随距离的变化,便可推断这个充电体的形状、走向、长度等^[1,2,3]。

充电法中主要有电位法、电位梯度法和直接追索等位线法三种观测方式。

电位法是将一个测量电极N固定在远离测区的“无穷远”处,作为电位零值点。另一测量电极M则沿测线逐点移动,观测其相对于N极的电位差,作为M极所在测点的电位值U。同时观测供电电流I,从而计算归一化电位值U/I。

电位梯度法是使测量电极M和N保持一定距离(通常为1~2个测量点距)沿测线一起移动,逐点进行电位差ΔU和供电电流I的观测,计算归一化电位梯度值ΔU/(MN·I)。记录点为MN的中点。由于电位梯度值有正、负之分,故观测时要注意电位差ΔU的符号变化^[4]。

高密度电阻率法是20世纪80年代中期发展起来的电法勘探技术^[5]。它与常规直流电法的基本原理相同,是以地下目标体与围岩之间的电性差异为基础,利用人工建立的稳定地下直流电场,依据预先布置的若干道电极选定装置排列方式进行扫描观测,获得地层横向和纵向地电断面机构特征等地质信息,从而查明和研究相关地质问题的一种勘探方法。与传统电法相比,该方法的最大优点是提高了工作效率,反映的地电信息量更大。

库区两岸山体雄厚,阶地少见,为基本对称的“V”型纵向谷。坝址区出露地层有三叠系中统个旧组第三段(T₂g^c)灰岩类、个旧组第四段(T₂g^d)白云岩类;第四系残积土层为黄色碎石土及河流冲洪积砂卵砾石层。本区地下水主要为岩溶水,并具有多个含水岩组,受大气降水补给,赋存于岩溶裂隙、溶洞、地下暗河中,含水不均,常形成管状流、线状流,并向地下暗河系统内排泄。

依据前期地质调绘资料,坝址上游河水及附近地下水均向右岸地下暗河汇流,致使坝址上游0.5 km左右附近河流断流,形成在坝址上下游约500 m河段大部分时间为干涸,但地下暗河的空间位置依然无法得知。

图1中所示位置位于主坝上游,由于地下暗河的存在致使该区域河道干涸,实地查勘发现存在两个潜伏点(即图中所示F1及F2),分别以潜伏点F1为地面充电点布置测线CDⅤ-CDⅤ'、CDⅢ-CDⅢ'及CD9-CD9',以潜伏点F2为地面充电点布置测线CD10-CD10'及CD16-CD16'。测量结果显示:① 所有平行河床延展的充电法测线CDⅢ-CDⅢ'及CDⅤ-CDⅤ'都于积水附近见极大值异常,且右岸异常幅值明显大于左岸CDⅤ-CDⅤ'测线异常幅值(见图2~图3);② 下游平行布置的CD9-CD9'、CD10-CD10'和CD16-CD16'均未见明显异常。以上成果表明,地表积水无向下游漫延趋势且下游垂直河床的充电法电位曲线未见有明显异常,说明该处积水未从河床下方向下游渗流;而潜伏点F1右岸测线异常呈条带状连接,可断定潜伏点下方至右岸存在良导电体,推测为排泄通道。

于潜伏点F2处及其下游布设高密度电法测线GM9-GM9'及GM10-GM10'(详见图1),两条测线平行布设,采用温纳装置(该装置对于剖面纵横方向的分辨能力均较强,受地形起伏影响较小)进行现场采集,电极距2 m。室内采用瑞典Res2dinv反演软件进行二维反演并添加地形信息,电阻率反演剖面见图4、图5。由图可知:两条测线电阻率分层明显且界面平缓,纵向均分为两层,近地表层电阻率一般为10~200 Ω·m,为第四系覆盖层的反映,厚度从左向右逐渐加厚,2.1~9.5 m不等;下伏地层电阻率一般为150~6 000 Ω·m,推测该层为弱风化灰岩。测线GM9-GM9'中部跨越河道位置为潜伏点F2,测线GM10-GM10'中部跨越河道位置为下水点下游,两测线中部均未见低阻通道,因此可推测地表水并非通过溶蚀裂隙向下渗流,而是通过砂卵砾石层后沿土岩界面向右岸排泄。

通过充电法及高密度电法成果可知,两种方法结论一致:地表水于潜伏点F1及F2处干涸,并非通过河床溶蚀裂隙向下渗流,而是通过右岸渗流通道或土岩界面向右岸排泄。

该区域位于坝址下游,本次探测主要查清岩溶湖的水源补给方向,现场以岩溶湖为充电点并在其左右岸及上游分别布置了9条测线,详见图6。

TDⅠ-TDⅠ'测线(图7)电位梯度曲线75 m左右出现零值异常,经复测异常位置一致。TDⅡ-TDⅡ'测线电位梯度曲线在19~21 m、87~89 m出现零值异常,19~21 m附近电位梯度曲线陡而窄,是该处高压线塔产生流散电流所致,后采用电位法对87~89 m异常进行复测,发现对应位置出现极大值异常。TDⅢ-TDⅢ'(图8)位于TDⅠ-TDⅠ'与TDⅡ-TDⅡ'之间,其电位梯度曲线共有3处零值异常,其中79~80 m异常经电位法验证得以确认。3条测线及其复测复核测线初步确定了岩溶湖上游侧条带状良导地质体的连通关系及平面位置。

TD1-TD1'测线靠近左岸,于测线334~335 m处(图9)见有一零值电位梯度异常,该处与天然水井相距14 m,后经电位法验证(图10)异常较吻合。TD3-TD3'测线与TD1-TD1'测线平行,共见有4处零值电位梯度异常,经电位法验证4处异常不明显但仍有极值趋势,且现场测量时该地段地表水沟较多,无法断定该异常的可靠性。

TD2-TD2'测线靠近右侧山体,该测线共见有3处零值电位梯度异常,经电位法验证3处异常较为吻合。TD4-TD4'测线平行于TD2-TD2',该测线见有3处零值电位梯度异常,后经电位法曲线验证74~77 m异常吻合。TD5-TD5'测线(图11)与TD4-TD4'测线斜交,主要为了控制岩溶湖上游及右岸的良导体异常,最后仅于测线83~84 m见有一零值电位梯度异常,经电位法曲线验证异常吻合,推测岩溶湖上游及右岸的补给通道在此处汇聚。

综合电法探测结果可知,岩溶湖3个方向(上游、左岸及右岸)上的电位梯度曲线零值规律分布,异常位置即补给通道的分布,且经连通实验及出露泉季节性水位得到验证。值得一提的是,探测过程中游离电及浅表径流的存在也会导致电位梯度零值异常,应予以甄别。

本文以贵州某水库为例,经电法综合探测及工程地质论证,追索地下暗河及渗流通道的成果较为准确,为成库条件提供地质论证,为防渗处理提供依据:

1) 充电法可以用于探测渗流通道及追索地下暗河,尤其电位梯度装置,更能突出异常,且一般不受地貌条件影响,但浅表径流及游离电流影响较大。

2) 通过对电位的极大点、极小点或电位梯度的零值点、极大点以及突变点、可疑点、转折点等进行重复观测,电位剖面曲线的极大值、电位梯度剖面曲线的“零”值可作为评定地下良导地质体存在的基本依据^[7]。

3) 高密度电法尤其温纳装置对于剖面纵横方向的分辨能力均较强,反演后可通过视电阻率等值线图有效判断低阻异常存在与否,进而可用以推测岩溶通道的赋存状态。

4) 通过观察染色剂到达下游观察口的时间并结合流速,有效验证了岩溶通道的连通关系,通过出露泉季节性水位及连续雨天水质观测情况等水文地质现象证明,电法成果准确可靠,为成库地质论证及岩溶防渗提供了依据。