物探在南水北調(diào)中線天津干渠勘探中的應(yīng)用

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0  前言

天津干渠是南水北調(diào)中線工程的重要組成部分，西起河北省徐水縣西黑山村，至天津外環(huán)河，全長約154Km。

南水北調(diào)中線工程是一項特大型跨流域調(diào)水工程，以丹江口水庫為水源，從陶岔渠首引水，向華北平原的豫、冀、京、津等省市供水，建成后將有效緩解華北地區(qū)日趨嚴重的水資源危機，促進華北地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，并對我國社會經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

    為滿足天津干渠初步設(shè)計階段的要求，需對渠線進行物探工作，以了解地表至設(shè)計渠底板以下20m范圍內(nèi)巖性分層（平原段注重砂性土與粘性土大層劃分）；遇基巖時，了解基巖面高程和巖性。

1  地質(zhì)概況及地球物理特征

    區(qū)內(nèi)由西向東跨越地貌單元有：山前丘陵、山前沖洪積傾斜平原、沖洪積平原和沖積海積平原。下面分述其巖性：

    (1) 山前丘陵：下部為薊縣系淺灰色硅質(zhì)條帶白云巖和青白口系頁巖、千枚巖、板巖等。上部為第四系紅棕色碎石粘土、棕黃色粘土、壤土等。主要分布在西黑山村附近及其西側(cè)。

    (2) 山前沖洪積傾斜平原：主要由沖積、湖積、洪積壤土、砂土、粉細砂等組成，有的地段粘性土夾有鈣結(jié)核或鈣、錳質(zhì)須狀物等。分布在西黑山村～京廣鐵路西側(cè)。

    (3) 沖洪積平原：為古河道和河間地塊分布，有河流相、湖相、湖沼相，顆粒組成以細粒為主，有粘土、壤土、粉細砂、細砂、中細砂等，一些地段為薄層細砂與壤土互層，且砂層具微型交錯層理。分布在京廣鐵路～霸州。

    (4) 沖積海積平原：為海、陸交互地層，以粘土、壤土為主，局部為砂、粘性土互層。分布在霸州以東～天津。

    渠線穿越匯水面積較大的河流共8條，這些河流均屬海河水系，且多為季節(jié)性河流，雨季行洪，旱季多斷流。

    由西至東，地下水位埋深逐漸減小(渠首20～30m，渠尾1～2m)。其水質(zhì)由淡水型變?yōu)楦叩V化度的微咸水，礦化度由京廣鐵路附近的370mg/L，到外環(huán)河附近則高達2670mg/L。

    綜上所述，由于線路較長，各巖層的沉積環(huán)境及其空間變化較大，加之地下水礦化度的巨大變化，致使測區(qū)巖層的地球物理特征復(fù)雜。經(jīng)綜合分析物探試驗、實測成果及地勘資料，得各巖層物性參數(shù)(見表1)。

表1   巖層物性參數(shù)表

巖 性

電阻率

(Ω·m)

縱波速度

(m/s)

密  度

(g/cm3)

波阻抗

(105g/cm2.·S)

雷達波速

(m/μS)

相對介電

常  數(shù)

壤土

(砂壤土)

15～60

300～800

1.55～1.80

0.46～1.44

50～150

4～40

粘土

5～30

600～1300

1.60～1.77

0.96～2.30

70～170

2.6～16

砂

40～600

500～1000

1.24～1.37

0.62～1.37

55～80

15～30

白云巖

350～2000

2800～4000

2.60～2.90

7.28～11.60

80～120

7～16

頁  巖

300～1800

2700～4000

2.60～2.85

7.02～11.40

80～115

7～16

    由表1知，基巖（白云巖、頁巖）與第四系地層間具有較大的電性和彈性差異，具備綜合物探的物理前提；粘土、壤土（砂壤土）、砂的電阻率、波阻抗、介電常數(shù)等具有一定的差異，可用電阻率法、地震法和地質(zhì)雷達探測。但第四系地層中有些巖層（如砂層）厚度太薄，且多為中間層展布，在電法或地震曲線上反映不明顯，難于準(zhǔn)確地劃分；同時，由于沿線地下水位埋深較淺，尤其是牛亡 牛河以東至天津外環(huán)河段地下水位埋深只有2～3m,礦化度較高，使得地下水位以下巖層的物性差異變小，物探分辨率相對降低。

2  物探方法與技術(shù)

2.1  電測深法

    采用對稱四極等比裝置(AB/MN=5)，且(AB/2)min=1.5m，(AB/2)max=200m，當(dāng)?shù)刭|(zhì)物探條件變化時，最大極距適當(dāng)調(diào)整。

2.2  地震反射波法

    采用單邊激發(fā)三次覆蓋觀測系統(tǒng)。工作參數(shù)按展開排列確定，選用檢波器間距1m，偏移距15m或28m。

2.3  地質(zhì)雷達

    采用剖面法。使用瑞典RAMAC/GPR地質(zhì)雷達系統(tǒng)。天線中心頻率50MHz，收發(fā)天線間距2m。

3  資料解釋與成果分析

3.1  電測深法

3.1.1定性分析

(1)  曲線類型

該渠線電測深曲線類型可劃分為：H、K、QH、HK等主要類型。

H型曲線：主要分布在樁號0+000～8+700、40+000～48+300、65+300～78+900等渠段。其中第一段：曲線首支為表層較干燥或較密實的壤土（砂壤土），中部低阻為粘土或壤土，尾支呈45°角上升，為高阻的基巖（白云巖、頁巖）反映。第二和第三段：曲線為第四系地層的反映，首支為較干燥或較密實的表層砂壤土（壤土），中部低阻為粘土或飽水壤土等，尾支一般為壤土類地層，多以15°～30°角上升。

K型曲線：主要分布在樁號48+500～49+400、51+300～52+000、55+500～56+300、57+580～64+330等渠段，均為第四系地層，其曲線首支為表層壤土（砂壤土），中部為地下水位以上的砂（粉、細、中砂），尾支為壤土。

QH型曲線：主要分布在樁號119+700～123+800、128+000～154+000等渠段，首支為表層砂壤土（壤土），中部為粘土，其后為飽水壤土，因其地下水礦化度很高，導(dǎo)致電阻

率降低，尾支雖有上升趨勢，但變化不明顯，同樣為壤土的電性反映。需要說明的是該曲線類型除受巖性影響外，受地下水（高礦化度）的影響尤甚。

HK型曲線：主要分布在樁號13+000～35+800等渠段，曲線首支為表層砂壤土（壤土），中部低阻為粘土或壤土，其后較高阻為地下水位以下砂層（粉、細、中砂），因其含水（礦化度低）及埋深相對較大，故在曲線上只反映出升高趨勢，尾支為壤土。

另外，還有少量的HKH型、KH型、D型和G型曲線，以及在均一結(jié)構(gòu)和電性差異甚小的地層中還有一些平直型曲線。

(2)  等視電阻率斷面圖

通過分析等視電阻率斷面圖，了解等值線形態(tài)起伏變化及地電特征，判斷地質(zhì)體的分布位置及其空間變化規(guī)律。

在渠首地段，等值線表現(xiàn)為：表層為較稀疏的等值線，且視電阻率多為40～70·m，中部為水平層狀的等值線，其視電阻率值較低，多為20～30·m，下部為高阻標(biāo)志層的白云巖或頁巖，等值線密集，其值較高。同時可從等斷面圖中判別出下伏基巖（白云巖、頁巖）頂板隨渠線樁號增大而變深。

在第四系地層中，除局部地段的表層電阻率變化較大外，一般渠線表層電阻率幅值變化較小，其等值線分布稀疏，反映了一定厚度的壤土（砂壤土）。若中部有砂分布，等值線幅值變化較大（含水時降低），等值線密集，并出現(xiàn)高阻閉合圈或半閉合圈，依此特征可定性判斷砂的空間展布特征及分布范圍。

(3)  中間層電阻率的確定

①由孔旁電測深曲線反求；②用二層量板從較厚層曲線上求取；③由等值原理范圍很窄的曲線上直接確定；④從均一結(jié)構(gòu)地層中的曲線中求取。

3.1.2  定量解釋方法

量板法結(jié)合孔旁測深曲線對比法。

3.2   地震反射波法

    采用美國EAVESDROPPER淺反處理軟件進行室內(nèi)資料的分析解釋，其處理步驟為：數(shù)據(jù)輸入→格式轉(zhuǎn)換→剔除壞道→動平衡→帶通濾波→初至切除→條帶切除→抽道集→常速度掃描→正常時差校正→迭加→時間剖面。解釋所用速度參數(shù)是由速度分析、速度掃描和正演擬合等方法求取。

    如樁號134+543～134+609段地震時間剖面，其中T1同相軸為上部粘土、下部壤土分界面的反射同相軸，其雙程反射時為28～34ms，以迭加速度700m/s計算，下伏壤土頂板埋深為9.8～11.9m。結(jié)果與電測深、地質(zhì)雷達解釋成果吻合。

3.3  地質(zhì)雷達

由野外實測獲得的雷達剖面，經(jīng)室內(nèi)濾波、平衡等處理后，根據(jù)各巖（土）層的雷達波速經(jīng)驗值來計算其深度，再與鉆孔資料對比劃分巖層。

如樁號134+400～134+600段雷達時間剖面，其中T1為一很強的反射同相軸，但至測點300以后上覆地層的反射變得復(fù)雜（多層），且T1同相軸的幅值變小，但仍連續(xù)可辨。經(jīng)與鉆孔對比認為T1應(yīng)為上部粘土、下部壤土界面的反射同相軸，其雙程反射時為265～295ns，取上覆粘土的雷達波速0.07m/ns，則下伏壤土頂板埋深為9.2～10.3m，與電測深、地震反射解釋結(jié)果吻合。

3.4  成果分析

(1)  探測深度內(nèi)有基巖發(fā)育的渠首段約占渠線長度的1.39%?；鶐r巖性為薊縣系白云巖或青白口系頁巖。上覆松散堆積物（壤土、粘土）厚度為0～30.0m，為多層結(jié)構(gòu)，其巖性層序為壤土—粘土—白云巖或頁巖。

物性與巖性的關(guān)系：壤土電阻率，波速Vp=350～510m/s；粘土電阻率，波速Vp=650～850m/s；白云巖或頁巖電阻率，波速Vp=2700～4000m/s。上述巖層以粘土電阻率最低，但波速居中；壤土電阻率居中，但波速最低；白云巖或頁巖電阻率最大，為高阻標(biāo)志層，其波速也最高。

(2)  探測深度內(nèi)為第四系松散堆積物的渠段長度約占渠線長度的98.61%，其巖性為壤土（砂壤土）、粘土、砂。土體中均一結(jié)構(gòu)的巖性為壤土（砂壤土）；雙層結(jié)構(gòu)的巖性層序為：砂—壤土（砂壤土）、粘土—壤土（砂壤土）；多層結(jié)構(gòu)的巖性層序為：壤土（砂壤土）—砂—壤土（砂壤土）、壤土（砂壤土）—砂— 壤土（砂壤土）—砂—壤土（砂壤土）、壤土（砂壤土）—砂—粘土—壤土（砂壤土）、壤土（砂壤土）—粘土—壤土（砂壤土）、粘土—壤土（砂壤土）—粘土—壤土（砂壤土）、壤土（砂壤土）—粘土—砂—壤土（砂壤土）、壤土（砂壤土）—粘土—壤土（砂壤土）—粘土—壤土（砂壤土）、砂—粘土—壤土（砂壤土）等。

物性與巖性的關(guān)系：壤土（砂壤土）電阻率，波速Vp=320～550m/s；粘土電阻率，波速Vp=670～1100m/s；砂電阻率，波速Vp=680～800m/s。在分析上述各巖層的物性特征時應(yīng)注意其所處渠線的位置及地下水質(zhì)的變化，尤其是靠近天津區(qū)劃時地下水礦化度增高對測試參數(shù)（ρ）的影響較大。一般情況下，地下水位以上的包氣帶土層較干燥，測試參數(shù)（ρ）較高，變化范圍也很大。而地下水位以下尤其是位于高礦化度水質(zhì)的飽水帶中各巖層的參數(shù)（ρ）變化及差異不是很大。

(3)  沿線砂層主要分布在第四系沖洪積層內(nèi)，其空間展布特征為層狀或透鏡體，層厚3～18m，一般5～11m。分布樁號為：17+850～22+445、25+000～31+500、32+700～46+100、48+300～64+050等渠段，總長約54.62km，占渠線長度的35.42%。

4  結(jié)語

南水北調(diào)中線天津干渠的物探工作，根據(jù)測區(qū)地形、地質(zhì)及地球物理條件，采用綜合物探方法，并結(jié)合地質(zhì)單元的變化，采取了相應(yīng)的技術(shù)措施。同時物探資料解釋過程中對比了相應(yīng)鉆探資料，又與地質(zhì)分析緊密結(jié)合，因而提高了物探成果的解釋精度(見表2)，基本查清了渠線和建筑物地層巖性及其厚度，滿足了任務(wù)要求，取得了良好的應(yīng)用效果。

表2    部分鉆探與物探成果對比表

 樁  號

孔  號

終 孔   深 度

（m）

巖  性

厚  度   (m)

鉆  探

物  探

1+634

TQZK5

18.0

壤  土

7.0

7.3

粘  土

未揭穿

>24.0

壤  土

13.0

12.2

11+516

TQZK25

20.0

砂

5.9

5.6

壤  土

未揭穿

>20.0

壤  土

4.3

4.3

18+555

TQZK41

16.0

砂

4.1

4.7

壤  土

未揭穿

>25.0

壤  土

5.8

6.5

25+546

TQZK57

20.0

砂

5.6

5.9

壤  土

未揭穿

>23.0

壤  土

2.5

2.4

60+000

TQZK133

16.5

砂

7.6

7.8

壤  土

未揭穿

>26.0

壤  土

2.5

2.9

70+080

TQZK153

21.0

粘  土

6.5

6.5

壤  土

未揭穿

29.0

壤  土

3.0

2.8

70+908

TQZK155

21.0

粘  土

5.2

5.3

壤　土

未揭穿

27.0