綜合物探方法在紅石巖堰塞體探測中的應用研究

吳學明， 高才坤， 王 俊， 戴國強， 徐 輝， 劉 杰

(中國電建集團 昆明勘測設計研究院有限公司 工程安全規(guī)劃設計院，昆明 650051)

0 引言

2014年8月3日16時30分，云南省魯?shù)榭h發(fā)生6.5級地震，造成兩岸山體崩塌，堵塞河道形成紅石巖堰塞湖。紅石巖堰塞湖應急處置完成后，為確保地震災區(qū)人民生命財產(chǎn)安全，除害興利，政府當即決定充分利用堰塞體和原紅石巖電站設施興建紅石巖堰塞湖水利樞紐工程，用于發(fā)電和引水灌溉。

文獻資料表明，堰塞壩內(nèi)部結構疏松，密實度差，一般呈松散～稍密狀態(tài)，其物理力學性質(zhì)較差，變形模量一般也較低。同時，堰塞體崩塌堆積體往往具有物質(zhì)組成、結構特征的不均一性，地形起伏較大，表面廣泛分布有大孤石、塊石，架空現(xiàn)象嚴重，堆積深厚，不同部位堆積體厚度的不等性等特點，影響壩體的安全和穩(wěn)定[1-2]。

國內(nèi)、外并不乏把堰塞體或者滑坡作為基礎或者部分壩體建壩的例子。據(jù)不完全統(tǒng)計，將堰塞湖直接改造成水庫的典型例子主要有，二千二百多年前形成的新西蘭韋克瑞莫納堰塞湖，滑坡形成的天然壩壩高約400 m，堰塞湖面積為56 km2，最大湖深為248 m，湖水庫容52×108m3 [3-4]。1935年至1950年間，新西蘭成功利用了400 m高的天然堆石壩，開發(fā)了韋克瑞莫納河的3座梯級電站，總裝機12.4×104kW，這是將堰塞壩改造成擋水建筑用于發(fā)電的第一個例子[5](國外)。1856年地震形成的重慶小南海堰塞湖，經(jīng)過人工改造形成水庫，并修建成引水灌溉渠[5]；1933年疊溪地震形成的疊溪海子堰塞湖，包括疊溪大、小海子堰塞湖[1, 3, 6]，2004年建成以小海子作為調(diào)節(jié)水庫的天龍湖水電站[5](國內(nèi))。然而，這幾個例子涉及的堰塞壩形成時間均比較長，在改造建壩時，堰塞壩已有擁有較長的沉降時間，最長的達二千多年，最短的也有七十年左右，而且國內(nèi)、外對堰塞體的地球物理探測研究還不多，可供借鑒的經(jīng)驗少。

通過文獻搜集與分析，專門針對堰塞壩的地球物理探測工作的相關資料很少。唐家山堰塞湖導流渠地層結構的地球物理探測[7]能查到的為數(shù)不多的中文文獻，該文僅對導流渠地層結構進行了探測。紅石巖堰塞壩由于沉降時間十分有限，且滑坡體的崩塌堆積有兩期，最大厚度超過120 m，對其進行地球物理探測面臨許多難題。因此，鑒于堰塞體的復雜特性研究適合的綜合物探探測方法具有十分重要的意義。

1 工程概況

1.1 紅石巖堰塞體概況

堰塞體位于原紅石巖水電站取水壩下游600 m處，在取水壩與廠房之間。航測資料及原始地形初步測算，堆積體高83 m～96 m，堰塞體頂部高程1 222 m，估算堰塞體總方量約1 000×104m3，堰塞體垂直河道方向迎水面為286 m，背水面為78 m，順河方向頂部寬度為753 m；為快速傾倒崩滑，其物質(zhì)均分別來自左右岸高處，顆粒大小總體較均勻，但左右岸的物質(zhì)組成存在一定的差異——在靠近河床左岸顆粒組成相對較細，右岸相對較粗。堰塞體地形起伏較大，表面廣泛分布有巨石、塊石，其余部分表面有薄層土壤和灌木分布，架空現(xiàn)象嚴重。堰塞體地形地貌及工作條件見圖1、圖2。

圖1 紅石巖堰塞湖區(qū)航拍圖Fig.1 Aerial map of the Hongshiyan quake lake

根據(jù)地質(zhì)資料，在“8.03”地震之前，該河段左岸有規(guī)模較大的古滑坡，形成于一千多年前，古滑坡也曾造成該段河道堵塞。這次地震的崩滑體覆蓋在古滑坡和現(xiàn)代河床之上堵江形成新的紅石巖堰塞湖。因此，地震之后該河段的地層關系如圖3的橫剖面圖所示。

圖2 堰塞體及堰塞湖Fig.2 The damming body and Hongshiyan quake lake

圖3 紅石巖堰塞壩中段橫剖面示意圖Fig.3 The Schematic diagram on the cross section of the middle section for the Hongshiyan barrier dam

1.2 探測目標

本次物探工作的主要目標就是探測堰塞體古滑坡和的規(guī)模，分析其物質(zhì)組成不均勻分布和相對密實度。

2 工作難點與對策

本次物探工作的探測對象地質(zhì)、地球物理特征特殊、復雜，大多數(shù)常用的物探方法均不具備開展工作的地球物理前提和環(huán)境條件，而且由于勘察周期短，鉆探、豎井、地質(zhì)等專業(yè)與物探同時在有限的場地中開展工作，對物探工作干擾因素較多。針對物探工作面臨的難點，根據(jù)以往經(jīng)驗和現(xiàn)場試驗，采取了相應的對策，盡最大努力完成物探探測任務。

2. 1 工作難點

2.1.1 堰塞體

1)接地、導電條件極差。堰塞體為快速傾倒崩滑堆積，地形起伏較大，表面廣泛分布有大孤石、塊石，架空現(xiàn)象嚴重，堆積深厚，且物質(zhì)組成不均勻性明顯，不具備高密度電法、大地電磁法和探地雷達法的工作條件。

2)堰塞體物質(zhì)組成不均勻、無明顯層狀結構和彈性波速分層，不具備淺層折射波法、淺層反射波法、折射層析成像法的工作條件。

3)堰塞體靠右岸的區(qū)域由于安全原因無法開展物探工作。

2.1.2 古滑坡體

1)接地、導電條件差。古滑坡淺表部巖溶發(fā)育，巖體破碎，多見溶孔，溶隙，且塊體大小不一，表面大部分區(qū)域分布有大孤石、塊石，局部表面有薄層土壤和灌木分布，架空現(xiàn)象較嚴重。絕大部分區(qū)域不具備高密度電法、充電法、自然電場法、大地電磁法和探地雷達法的工作條件。

2)古滑坡體靠近上游紅石巖村附近的區(qū)域，滑坡體表層植被較發(fā)育，物質(zhì)組成相對均勻，且含土較多，相對較密實。古滑坡體中部及靠近下游的區(qū)域滑坡體物質(zhì)組成不均勻性，無明顯層狀結構和彈性波速分層，不具備淺層折射波法、淺層反射波法、折射層析成像法的工作條件。

3)古滑坡局部地形陡峭、大粒徑塊石堆積，無法開展物探工作。

2.1.3 干擾因素

1)地表孤石多，架空嚴重，起伏大。

2)局部區(qū)域孤石多，坡陡，灌木人生，施工難點大。

3)現(xiàn)場的鉆探施工，以及豎井施工大功率電機、大噸位夯錘的影響。

4)天然采石場，破碎機，大型運輸車輛。

5)現(xiàn)場堆放的金屬施工材料、建材等。

2.1.4 地球物理特征的不利因素

1)堰塞壩和古滑坡體內(nèi)部結構以疏松為主，密實度差，物質(zhì)組成、結構特征不均一，地形起伏較大，表面廣泛分布有大孤石、塊石，架空現(xiàn)象嚴重，且堆積深厚，最大厚度超過120 m。堰塞體和古滑坡的地球物理特征決定了能夠有效開展的物探方法較少。

2)從物性上看，河床沖積層與上覆的古滑坡體沒有明顯的差異，所以應用物探手段還無法將河床沖積層與上覆滑坡體分開。

3)堰塞體的崩塌堆積體與下伏現(xiàn)代河床沖積層之間沒有明顯的彈性波差異和電性差異，應用物探方法很難將兩者分開；在堰塞體與古滑坡體相互接觸的區(qū)域兩者之間的彈性特征和電性特征也不明明顯，很難將兩者分開；在古滑坡體與古河床相互接觸的區(qū)域兩者之間的彈性特征和電性特征也不明明顯，同樣很難將兩者分開。

2.2 有利條件

1)崩塌堆積體與下伏基巖之間存在著明顯的彈性波差異和電性差異，同時在崩塌堆積體內(nèi)部由于物質(zhì)組成的不均勻性，也存在彈性波差異和電性差異，這為物探探測提供了基本的地球物理條件。

2)古滑坡體與下伏基巖之間存在著明顯的彈性波差異和電性差異，在滑坡體內(nèi)部由于物質(zhì)組成的不均勻性，同樣存在明顯的彈性波差異和電性差異，這為物探探測提供了較好的地球物理前提。

3)從物性上看，全、強風化或較破碎的巖體的物性參數(shù)與完整巖體的物性參數(shù)有一定差異，應用物探方法能夠大致判斷完整巖體與破碎巖體。

2.3 對策

1)采用綜合物探方法對堰塞體和古滑坡體進行探測。

2)開展包括彈性波類、電性類的多種物探方法對于堰塞體和古滑坡體探測適宜性充分的研究與實驗，在此基礎上選擇最優(yōu)方法、確定工作方案。

3)將3S與三維建模與可視化技術應用于物探資料的解釋與分析，提高物探成果的展示與應用效果。

3 方案設計與實施

3.1 物探方法適宜性試驗

根據(jù)探測目標，在分析堰塞體、古滑坡的地質(zhì)、地球物理特征和常用物探方法的適用條件后，我們在堰塞體、古滑坡上主要就淺層反射法、被動源面波法、瞬變電磁法、高頻大地電磁測深法等方法的適宜性開展了試驗工作。試驗結果表明：

1)淺層反射法。在堰塞體上試驗結果表明，反射波波組雜亂，多次反射明顯，無明顯同相軸，連續(xù)性差，也不能有效追蹤目的層，不具備該方法的適用條件。在古滑坡相對密實，有植被、土層分布的區(qū)域試驗結果表明，地震反射波經(jīng)地層反射，能達到目的層深度，反射波同相軸連續(xù)性好，有效探測深度可達30 m～80 m，能有效追蹤目的層。在堰塞體上開展地震反射試驗，不能形成有效反射界面，探測達不到目的層深度，該方法不可行；在古堰塞體局部區(qū)域采用地震反射法能夠探測到目的層深度是可行的。

2)被動源面波法。根據(jù)現(xiàn)場條件，采用36道檢波器的三角排列和直線排列，在堰塞體和古滑坡上探測是可行的，探測深度為80 m～120 m，能較好地反映堰塞體和古滑坡體的地下速度分布情況，但對于淺部20 m以內(nèi)的探測效果不好，其成果可用于判定堆積體的底界面、巖體完整性等，相速度還可用于評價堆積體的相對密實程度。

3)高頻大地電磁法。根據(jù)試驗成果和接地條件，可以在古堰塞體局部植被少量發(fā)育的區(qū)域開展大地電磁法測試工作；新堰塞體由于是新的崩塌碎石堆積體，巨大石很多，內(nèi)部架空現(xiàn)象嚴重，表層沒有土層，不宜開展大地電磁測深法工作。

4)納米瞬變電磁法。在堰塞體和古滑坡體上利用納米瞬變電磁法進行探測是可行的，其成果可與被動源面波的速度成果用以分析堆積體的底界面、相對密實程度、巖體完整性等。

3.2 綜合物探方法選擇

根據(jù)試驗成果與結論，針對探測目的及任務，我們確定的工作方案如下：

1)堰塞體和古滑坡體物質(zhì)不均勻分布、相對密實情況。以被動源面波法和納米瞬變電磁法為主要方法，鉆孔全景彩色數(shù)字成像為輔助方法。

2)泄洪后堰塞體上游堆積物和河床沖積層厚度探測。以淺層反射波法為主要方法，高密度電法為輔助方法。

3)古滑坡體深部電性特征、古滑坡體邊界、軟質(zhì)巖帶、隱伏構造。以高頻大地電磁測深法為主要方法，被動源面波法和納米瞬變電磁法為輔助方法。

4)古滑坡體厚度和規(guī)模。以被動源面波法和納米瞬變電磁法為主要方法，淺層反射波法為輔助方法。

確定以上方案后，被動源面波法和瞬變電磁法基本覆蓋了堰塞體和古滑坡體整個工作范圍；淺層反射波法的工作區(qū)域為古滑坡靠近上游的區(qū)域以及泄洪之后堰塞體上游河床；高頻大地電磁僅在古滑坡地表接地條件較好的區(qū)域開展了工作。由于物探外業(yè)工作期間，余震不斷右岸邊坡不時有崩塌體滾落，堰塞體靠右岸區(qū)域未能開展物探探測工作(圖4)。

圖4 綜合物探探測工作現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 The photos of the comprehensive geophysical exploration working field(a)淺層反射波法；(b)被動源面波；(c)高頻大地電磁法；(d)納米瞬變電磁法

4 資料解釋與成果分析

4. 1 資料解釋

圖5～圖8分別為淺層反射法、被動源面波法、瞬變電磁法、高頻大地電磁測深法的典型剖面圖。

堆積體底界面、基巖頂面深度解釋：采用多

種物探方法的探測成果，結合地質(zhì)、鉆探和測繪資料，對堰塞體、古滑坡體的底界面深度及其物質(zhì)不均性和相對密實情況進行綜合解釋。對堰塞體采用被動源面波法與納米瞬變電磁法相結合的方法；在古滑坡體上采用被動源面波法與淺層反射波法為主，納米瞬變電磁法為輔的方法進行解釋。

圖5 淺層反射波法波形圖Fig.5 The waveform of the passive source wave method

圖6 被動源面波法波速圖Fig.6 The wave velocity map of shallow reflection wave method

圖7 高頻大地電磁法視電阻率斷面圖Fig.7 The apparent resistivity section of the high frequency magnetotelluric sounding

4.2 成果與分析

4.2.1 堰塞體規(guī)模

堰塞體厚度一般在30 m～70 m之間，最大厚度為78.1 m，平均厚度為41.9 m。整體上看，堰塞體迎水面和背水面較薄，厚度在10 m～30 m之間，背水面尾部最??；中部最厚，厚度在50 m～70 m；河床部位厚，左、右兩岸薄(圖9)。

圖8 瞬變電磁法視電阻率斷面圖Fig.8 The apparent resistivity section of the transient electromagnetic method

依據(jù)測量邊界和物探解釋成果推算，堰塞體覆蓋范圍面積約25.2×104m2，方量約1 056×104m3。

4.2.2 古滑坡體規(guī)模

在古滑坡體邊界范圍內(nèi)，古滑坡體(含河床沖積層和全強風化層)厚度一般在50 m～ 110 m，最大厚度為154.7 m，平均厚度為65.6 m?；麦w的厚度分布總體上是古滑坡的中部，厚度在80 m～ 140 m，邊緣區(qū)域較薄，厚度在100 m以下(圖10)。

在古滑坡體邊界范圍內(nèi)，推測古滑坡體上游邊界延伸長度約1 100 m，古滑坡體(含河床沖積層和全強風化層)厚度一般在50 m～110 m，平均厚度為65.6 m；古滑坡體覆蓋范圍面積約85.9× 104m2，方量約5 636×104m3。

4.2.3 物質(zhì)組成不均勻性和相對密實情況

由于被動源面波的波速與崩塌堆積體的密實度的變化有著較好的一致性，波速較小的區(qū)域堆積體松散，波速高的地方堆積體相對較密實。需要應引起重視的是，除了松散的崩塌堆積體外，密實程度好、阻水性較好的粘土，其面波波速也會在500 m/s以下，應結合其他資料綜合判定。視電阻率的大小與巖體的相對密實度沒有相關性。

圖9 堰塞坡體厚度等值線圖Fig.9 The thickness contour map of the Hongshiyan damming body

圖10 古滑坡體厚度等值線圖Fig.10 The thickness contour map of the ancient landslide

根據(jù)工程經(jīng)驗，結合工區(qū)地質(zhì)地球物理特征，崩塌堆積體的相對密實度的確定按表1的標準來劃分。

1)堰塞體相對密實情況。根據(jù)實測面波波速結果對堰塞體的相對密實度作定性分類，較密實(波速大于800 m/s)的僅有極少量零星分布，中等密實的(波速為500 m/s～800 m/s)區(qū)域占總體積的70%以上，較松散的(波速小于500 m/s)的區(qū)域占總體積的近30%，主要分布在表層。

2)古滑坡體相對密實情況。根據(jù)實測面波波速結果對古滑坡體的相對密實度作定性分類，較密實(波速大于800 m/s)的僅有極少量零星分布，中等密實的(波速為500 m/s ～800 m/s)區(qū)域占總體積的85%以上，較松散的(波速小于500 m/s)的區(qū)域占總體積約10%，主要分布在古滑坡體中部以及與堰塞體接觸的區(qū)域。

表1 堆積體相對密實度分類表

5 結論

筆者針對紅石巖堰塞湖整治工程的物探探測目標，在充分開展了物探方法適宜性試驗的基礎上，制訂了綜合物探探測方案對堰塞體和古滑坡進行探測，取得了較好的效果。根據(jù)紅石巖堰塞湖整治工程綜合物探開展情況及其成果分析，可得出如下結論：

1)紅石巖堰塞湖整治工程綜合物探工作的主要成果與地質(zhì)、鉆探等資料較為吻合，確定的物探工作方案是有效的，合理的。

2)提出的對紅石巖堰塞體和滑坡體的探測方案，以及對堆積體相對密實度的評價方法，仍需進一步完善。

3)以被動源面波、瞬變電磁法作為主要方法，高頻大地電磁法、淺層反射法等作為輔助方法，對堰塞體和古滑坡進行探測，方案可行，基本查明了堰塞體古滑坡和的規(guī)模，并對其物質(zhì)組成不均勻分布和相對密實度進行了分析，完成了探測目標。這也是首次將被動源面波法用于深厚堰塞體探測的成功案例。

參考文獻：

[1] 柴賀軍, 劉漢超, 張倬元, 等. 天然土石壩穩(wěn)定性初步研究[J]. 地質(zhì)科技情報, 2001, 20(1): 77-81.

CHAI H J, LIU H C, ZHANG Z Y, et al. Preliminary study on the stability of natural earth rock dam[J]. Geological Science and Technology Information，2001, 20(1): 77-81. (In Chinese)

[2] 吳學明，徐輝，王俊，等. 云南省牛欄江紅石巖堰塞湖整治工程初步設計階段綜合物探報告[R]. 中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司, 2015.

WU X M, XU H, WANG J, et al. The Report of the comprehensive geophysical survey on the preliminary design phase in the Hongshiyan quake lake of Niulanjiang in Yunnan province[R]. POWERCHINA Kunming Engineering Corporation Limited, 2015.(In Chinese)

[3] 柴賀軍, 劉漢超. 大型崩滑堵江事件及其環(huán)境效應研究綜述[J]. 地質(zhì)科技情報, 2000, 19(2): 87-90.

CHAI H J,LIU H C.The study on the environment and environmental effects of the collapse and closure of the Yangtze river [J]. Geological Science and Technology Information, 2000, 19(2): 87-90. (In Chinese)

[4] 聶高眾，高建國，鄧硯. 地震誘發(fā)堰塞湖的初步研究[J]. 第四紀研究, 2004, 24(3): 293-301.

NIE G Z,GAO J G,DENG Y. The preliminary study on earthquake induced dammed lake [J]. Quaternary Research, 2004, 24(3): 293-301. (In Chinese)

[5] 付湘寧. 國內(nèi)外堰塞湖的治理與合理利用[J]. 水利水電快報, 2008, 29(10): 4-5.

FU X N. Management and rational utilization of the domestic and foreign quake lakes (in Chinese) [J]. The Bulletin of Water conservancy and hydropower, 2008, 29(10): 4-5. (In Chinese)

[6] 洪時中. 疊溪地震考證與研究的最新進展[J]. 西南交通大學學報, 2014, 49(2): 185-194.

HONG S Z. The latest progress in the textual research of the Diexi earthquake[J].Journal of Southwest Jiao Tong University, 2014, 49(2): 185-194. (In Chinese)

[7] 陸二男, 張建清, 胡志虎. 唐家山堰塞湖導流渠地層結構的地球物理探測[J]. 人民長江, 2008, 39(22): 55-56.

LU E N, ZHANG J Q, HU Z H. The geophysical detection of the diversion channel formation structure of the Tangjiashan Quake Lake [J]. The Changjiang River, 2008, 39(22): 55-56. (In Chinese)