物探在南水北调中线天津干渠勘探中的应用

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0  前言

天津干渠是南水北调中线工程的重要组成部分，西起河北省徐水县西黑山村，至天津外环河，全长约154Km。

南水北调中线工程是一项特大型跨流域调水工程，以丹江口水库为水源，从陶岔渠首引水，向华北平原的豫、冀、京、津等省市供水，建成后将有效缓解华北地区日趋严重的水资源危机，促进华北地区的经济发展，并对我国社会经济的发展产生深远影响。

    为满足天津干渠初步设计阶段的要求，需对渠线进行物探工作，以了解地表至设计渠底板以下20m范围内岩性分层（平原段注重砂性土与粘性土大层划分）；遇基岩时，了解基岩面高程和岩性。

1  地质概况及地球物理特征

    区内由西向东跨越地貌单元有：山前丘陵、山前冲洪积倾斜平原、冲洪积平原和冲积海积平原。下面分述其岩性：

    (1) 山前丘陵：下部为蓟县系浅灰色硅质条带白云岩和青白口系页岩、千枚岩、板岩等。上部为第四系红棕色碎石粘土、棕黄色粘土、壤土等。主要分布在西黑山村附近及其西侧。

    (2) 山前冲洪积倾斜平原：主要由冲积、湖积、洪积壤土、砂土、粉细砂等组成，有的地段粘性土夹有钙结核或钙、锰质须状物等。分布在西黑山村～京广铁路西侧。

    (3) 冲洪积平原：为古河道和河间地块分布，有河流相、湖相、湖沼相，颗粒组成以细粒为主，有粘土、壤土、粉细砂、细砂、中细砂等，一些地段为薄层细砂与壤土互层，且砂层具微型交错层理。分布在京广铁路～霸州。

    (4) 冲积海积平原：为海、陆交互地层，以粘土、壤土为主，局部为砂、粘性土互层。分布在霸州以东～天津。

    渠线穿越汇水面积较大的河流共8条，这些河流均属海河水系，且多为季节性河流，雨季行洪，旱季多断流。

    由西至东，地下水位埋深逐渐减小(渠首20～30m，渠尾1～2m)。其水质由淡水型变为高矿化度的微咸水，矿化度由京广铁路附近的370mg/L，到外环河附近则高达2670mg/L。

    综上所述，由于线路较长，各岩层的沉积环境及其空间变化较大，加之地下水矿化度的巨大变化，致使测区岩层的地球物理特征复杂。经综合分析物探试验、实测成果及地勘资料，得各岩层物性参数(见表1)。

表1   岩层物性参数表

岩 性

电阻率

(Ω·m)

纵波速度

(m/s)

密  度

(g/cm3)

波阻抗

(105g/cm2.·S)

雷达波速

(m/μS)

相对介电

常  数

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

白云岩

350～2000

2800～4000

2.60～2.90

7.28～11.60

80～120

7～16

页  岩

300～1800

2700～4000

2.60～2.85

7.02～11.40

80～115

7～16

    由表1知，基岩（白云岩、页岩）与第四系地层间具有较大的电性和弹性差异，具备综合物探的物理前提；粘土、壤土（砂壤土）、砂的电阻率、波阻抗、介电常数等具有一定的差异，可用电阻率法、地震法和地质雷达探测。但第四系地层中有些岩层（如砂层）厚度太薄，且多为中间层展布，在电法或地震曲线上反映不明显，难于准确地划分；同时，由于沿线地下水位埋深较浅，尤其是牛亡 牛河以东至天津外环河段地下水位埋深只有2～3m,矿化度较高，使得地下水位以下岩层的物性差异变小，物探分辨率相对降低。

2  物探方法与技术

2.1  电测深法

    采用对称四极等比装置(AB/MN=5)，且(AB/2)min=1.5m，(AB/2)max=200m，当地质物探条件变化时，最大极距适当调整。

2.2  地震反射波法

    采用单边激发三次覆盖观测系统。工作参数按展开排列确定，选用检波器间距1m，偏移距15m或28m。

2.3  地质雷达

    采用剖面法。使用瑞典RAMAC/GPR地质雷达系统。天线中心频率50MHz，收发天线间距2m。

3  资料解释与成果分析

3.1  电测深法

3.1.1定性分析

(1)  曲线类型

该渠线电测深曲线类型可划分为：H、K、QH、HK等主要类型。

H型曲线：主要分布在桩号0+000～8+700、40+000～48+300、65+300～78+900等渠段。其中第一段：曲线首支为表层较干燥或较密实的壤土（砂壤土），中部低阻为粘土或壤土，尾支呈45°角上升，为高阻的基岩（白云岩、页岩）反映。第二和第三段：曲线为第四系地层的反映，首支为较干燥或较密实的表层砂壤土（壤土），中部低阻为粘土或饱水壤土等，尾支一般为壤土类地层，多以15°～30°角上升。

K型曲线：主要分布在桩号48+500～49+400、51+300～52+000、55+500～56+300、57+580～64+330等渠段，均为第四系地层，其曲线首支为表层壤土（砂壤土），中部为地下水位以上的砂（粉、细、中砂），尾支为壤土。

QH型曲线：主要分布在桩号119+700～123+800、128+000～154+000等渠段，首支为表层砂壤土（壤土），中部为粘土，其后为饱水壤土，因其地下水矿化度很高，导致电阻

率降低，尾支虽有上升趋势，但变化不明显，同样为壤土的电性反映。需要说明的是该曲线类型除受岩性影响外，受地下水（高矿化度）的影响尤甚。

HK型曲线：主要分布在桩号13+000～35+800等渠段，曲线首支为表层砂壤土（壤土），中部低阻为粘土或壤土，其后较高阻为地下水位以下砂层（粉、细、中砂），因其含水（矿化度低）及埋深相对较大，故在曲线上只反映出升高趋势，尾支为壤土。

另外，还有少量的HKH型、KH型、D型和G型曲线，以及在均一结构和电性差异甚小的地层中还有一些平直型曲线。

(2)  等视电阻率断面图

通过分析等视电阻率断面图，了解等值线形态起伏变化及地电特征，判断地质体的分布位置及其空间变化规律。

在渠首地段，等值线表现为：表层为较稀疏的等值线，且视电阻率多为40～70·m，中部为水平层状的等值线，其视电阻率值较低，多为20～30·m，下部为高阻标志层的白云岩或页岩，等值线密集，其值较高。同时可从等断面图中判别出下伏基岩（白云岩、页岩）顶板随渠线桩号增大而变深。

在第四系地层中，除局部地段的表层电阻率变化较大外，一般渠线表层电阻率幅值变化较小，其等值线分布稀疏，反映了一定厚度的壤土（砂壤土）。若中部有砂分布，等值线幅值变化较大（含水时降低），等值线密集，并出现高阻闭合圈或半闭合圈，依此特征可定性判断砂的空间展布特征及分布范围。

(3)  中间层电阻率的确定

①由孔旁电测深曲线反求；②用二层量板从较厚层曲线上求取；③由等值原理范围很窄的曲线上直接确定；④从均一结构地层中的曲线中求取。

3.1.2  定量解释方法

量板法结合孔旁测深曲线对比法。

3.2   地震反射波法

    采用美国EAVESDROPPER浅反处理软件进行室内资料的分析解释，其处理步骤为：数据输入→格式转换→剔除坏道→动平衡→带通滤波→初至切除→条带切除→抽道集→常速度扫描→正常时差校正→迭加→时间剖面。解释所用速度参数是由速度分析、速度扫描和正演拟合等方法求取。

    如桩号134+543～134+609段地震时间剖面，其中T1同相轴为上部粘土、下部壤土分界面的反射同相轴，其双程反射时为28～34ms，以迭加速度700m/s计算，下伏壤土顶板埋深为9.8～11.9m。结果与电测深、地质雷达解释成果吻合。

3.3  地质雷达

由野外实测获得的雷达剖面，经室内滤波、平衡等处理后，根据各岩（土）层的雷达波速经验值来计算其深度，再与钻孔资料对比划分岩层。

如桩号134+400～134+600段雷达时间剖面，其中T1为一很强的反射同相轴，但至测点300以后上覆地层的反射变得复杂（多层），且T1同相轴的幅值变小，但仍连续可辨。经与钻孔对比认为T1应为上部粘土、下部壤土界面的反射同相轴，其双程反射时为265～295ns，取上覆粘土的雷达波速0.07m/ns，则下伏壤土顶板埋深为9.2～10.3m，与电测深、地震反射解释结果吻合。

3.4  成果分析

(1)  探测深度内有基岩发育的渠首段约占渠线长度的1.39%。基岩岩性为蓟县系白云岩或青白口系页岩。上覆松散堆积物（壤土、粘土）厚度为0～30.0m，为多层结构，其岩性层序为壤土—粘土—白云岩或页岩。

物性与岩性的关系：壤土电阻率，波速Vp=350～510m/s；粘土电阻率，波速Vp=650～850m/s；白云岩或页岩电阻率，波速Vp=2700～4000m/s。上述岩层以粘土电阻率最低，但波速居中；壤土电阻率居中，但波速最低；白云岩或页岩电阻率最大，为高阻标志层，其波速也最高。

(2)  探测深度内为第四系松散堆积物的渠段长度约占渠线长度的98.61%，其岩性为壤土（砂壤土）、粘土、砂。土体中均一结构的岩性为壤土（砂壤土）；双层结构的岩性层序为：砂—壤土（砂壤土）、粘土—壤土（砂壤土）；多层结构的岩性层序为：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。

物性与岩性的关系：壤土（砂壤土）电阻率，波速Vp=320～550m/s；粘土电阻率，波速Vp=670～1100m/s；砂电阻率，波速Vp=680～800m/s。在分析上述各岩层的物性特征时应注意其所处渠线的位置及地下水质的变化，尤其是靠近天津区划时地下水矿化度增高对测试参数（ρ）的影响较大。一般情况下，地下水位以上的包气带土层较干燥，测试参数（ρ）较高，变化范围也很大。而地下水位以下尤其是位于高矿化度水质的饱水带中各岩层的参数（ρ）变化及差异不是很大。

(3)  沿线砂层主要分布在第四系冲洪积层内，其空间展布特征为层状或透镜体，层厚3～18m，一般5～11m。分布桩号为：17+850～22+445、25+000～31+500、32+700～46+100、48+300～64+050等渠段，总长约54.62km，占渠线长度的35.42%。

4  结语

南水北调中线天津干渠的物探工作，根据测区地形、地质及地球物理条件，采用综合物探方法，并结合地质单元的变化，采取了相应的技术措施。同时物探资料解释过程中对比了相应钻探资料，又与地质分析紧密结合，因而提高了物探成果的解释精度(见表2)，基本查清了渠线和建筑物地层岩性及其厚度，满足了任务要求，取得了良好的应用效果。

表2    部分钻探与物探成果对比表

 桩  号

孔  号

终 孔   深 度

（m）

岩  性

厚  度   (m)

钻  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