EH4在樂灘水庫引水灌區(qū)巖溶勘察中的應(yīng)用研究

黃基文，黃先波，羅繼勇

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院，南寧 530023）

EH4在樂灘水庫引水灌區(qū)巖溶勘察中的應(yīng)用研究

黃基文，黃先波，羅繼勇

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院，南寧 530023）

介紹了EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)在探測地下異常體的工作原理和測試方法。先對碳酸鹽巖區(qū)的已知地質(zhì)異常體進(jìn)行EH4探測試驗，總結(jié)其剖面布置、異常擴展效應(yīng)和點距選取的規(guī)律，確定工作參數(shù)，并將試驗取得的經(jīng)驗和參數(shù)應(yīng)用到后續(xù)在該區(qū)開展的樂灘水庫引水灌區(qū)工程TBM施工隧洞六浪出口段巖溶特征探測工作，并分析其應(yīng)用效果。

碳酸鹽巖地區(qū)；EH4；異常擴展效應(yīng)；樂灘水庫引水灌區(qū)；引水隧洞

廣西中部碳酸鹽巖地區(qū)，是強巖溶發(fā)育區(qū)，常伴生溶洞和斷層破碎帶等不良地質(zhì)體，來賓市樂灘水庫引水灌區(qū)工程引水隧洞恰好通過該地區(qū)，在隧洞施工中一旦遭遇水源豐富的大規(guī)模涌水、涌泥的溶洞，排水搶險極其困難，可能會造成人員和財力的巨大損失。因此，查明隧洞及其周圍的巖溶發(fā)育特征，結(jié)合地質(zhì)情況提出應(yīng)對措施，避免隧洞涌水就尤為重要。近年來，EH4電導(dǎo)率成像被廣泛應(yīng)用于尋找深部地下水、采空區(qū)以及水文地質(zhì)勘查中，該系統(tǒng)具有信噪比高、成像效果清晰、探測深度大等特點[1，2]。

1 EH4測試方法與技術(shù)

1.1 EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)原理及特點

野外原始數(shù)據(jù)采用美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合研制的EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)采集。該系統(tǒng)是結(jié)合了可控源與天然源特點的一種高頻大地電磁測深系統(tǒng)，工作頻率范圍在10 Hz～100 kHz。通過連續(xù)多點觀測交變電磁場互相垂直的4個分量（Ex、Ey、Hx、Hy），分析研究地面波阻抗隨頻率的變化，了解視電阻率，根據(jù)測區(qū)內(nèi)卡尼亞視電阻率的變化情況，達(dá)到探測地下異常體的目的。

在電磁理論中，將大地看作水平介質(zhì)，這時大地電磁場則是垂直投射到地下的平面電磁波，在地面上可測量到相互正交的電場和磁場分量，從而可確定介質(zhì)的電阻率值，如式（1）所示[3]：

其中 f為頻率，ρ為視電阻率，它表征均勻各向同性大地介質(zhì)條件下地面電磁測量與大地電阻率的關(guān)系，而EH4的探測深度在理論上是趨膚深度，表示為：

這表明，電磁波的透射深度隨電阻率的增加和頻率的降低而增大，也即高頻率部分反映淺部的電性特征，低頻率部分反映深部的電性特征。

EH4電磁成像系統(tǒng)采用的是人工場源與天然場源相結(jié)合的工作方式，既彌補了天然場源在個別頻率的不連續(xù)，又更好地解決了淺部地質(zhì)問題。測量系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)輕便，易觀測，具有較高的分辨率。并且不受高阻蓋層影響，在基巖或玄武巖大面積覆蓋的地區(qū)依然能夠有效地探測地下深部地質(zhì)構(gòu)造。

1.2 EH4數(shù)據(jù)采集和處理

野外采集數(shù)據(jù)前，首先進(jìn)行平行試驗，檢測儀器是否正常工作，觀測兩個對應(yīng)的電場和磁場通道的波形和強度是否一致。其次，進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，它包括地表交變電磁場X、Y方向的電場（Ex、Ey）和磁場（Hx、Hy）水平分量的時間序列。然后，采用IMAGEM軟件對采集獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過傅立葉變換和復(fù)雜的函數(shù)計算可得到地下交變電磁場的自功率譜和互功率譜，從而從而計算出大地電磁場的頻率響應(yīng)，即隨頻率變化的電阻率、阻抗相位值以及相關(guān)系數(shù)等，這時應(yīng)注意剔除干擾信號，由于信號采集過程中出現(xiàn)了隨機干擾或者固定干擾信號，使得視電阻率曲線上個別頻點發(fā)生跳躍，因此我們應(yīng)對時間序列信號進(jìn)行人工編輯，剔除畸變信號和個別跳躍頻點。隨后，野外采集的電場信號（Ex、Ey、Hx、Hy）經(jīng)過濾波、放大等處理，再利用IMAGEM軟件進(jìn)行二維反演。反演時，應(yīng)選擇合理圓滑系數(shù)，一般在0.05～10之間，可進(jìn)行多次圓滑系數(shù)的選擇，挑出最合理的作為最終結(jié)果。最后，進(jìn)行地形校正和插值處理，一般采用每個測點的實際高程為二維反演文件中的第一個頻點的高程，其他頻點的高程做簡單的加減計算，得到校正后的文件。對于深部缺失數(shù)據(jù)的部分，采用最深的兩點的數(shù)據(jù)線性關(guān)系計算深部未知點的視電阻率，也即外延法。最終在Surfer軟件下經(jīng)過插值處理，形成精美視電阻率二維等值線剖面圖[4]，結(jié)合地質(zhì)資料對剖面圖進(jìn)行綜合解釋。EH4系統(tǒng)工作流程具體見圖1。

2 EH4設(shè)備試驗結(jié)果分析

2.1 EH4剖面布置試驗

為研究和總結(jié)EH4剖面布置規(guī)律，采用10 m點距對已知地質(zhì)異常體（即已開挖的加旦～良馬隧洞）進(jìn)行EH4試驗，隧洞洞徑約為8 m，隧洞軸線高程為105 m，相對背景區(qū)（以灰?guī)r為主的圍巖）呈高阻[5]。共布置了5條剖面，剖面（a）、（b）、（c）長均為190 m，分別在隧洞頂部、平行偏移隧洞5 m、10 m布置；（d）、（e）剖面分別垂直隧洞軸線90 m、110 m處布置，剖面長均為60 m，隧洞均在（d）、（e）剖面的30 m處通過。

圖1 EH4系統(tǒng)工作流程

圖2 加旦～良馬隧洞1#、2#線視電阻率等值線圖

從圖2結(jié)果中得出，剖面（a）、（b）、（c）在隧洞軸線正上方和平行偏移隧洞軸線5 m、10 m布置的剖面探測范圍內(nèi)巖溶裂隙異常形態(tài)一致性較好，但剖面探測范圍內(nèi)未見隧洞的高阻電性反映，推測為已知地質(zhì)異常體與背景區(qū)電性差異不明顯所致。剖面（d）、（e）垂直隧洞軸線90 m、110 m處布置的剖面在105 m高程附近視電阻率等值線呈高阻閉合現(xiàn)象，為隧洞通過部位，與實際情況相吻合。

通過以上探測試驗說明垂直已知地質(zhì)異常體走向布置探測剖面效果較在隧洞軸線正上方或平行偏移隧洞軸線布置的效果明顯，這也與物探剖面的布置原則相一致。

2.2 EH4異常擴展效應(yīng)分析

對已知地質(zhì)異常體（即已開挖的古火～果遂隧洞、上古嶺隧洞）進(jìn)行EH4異常體積效應(yīng)探測試驗，采用10 m或20 m點距。隧洞洞徑約為8 m，隧洞軸線高程為105 m。

圖3中（a）、（b）剖面分別垂直古火～果遂隧洞、上古嶺隧洞布置，剖面長分別為100 m、200 m，隧洞分別在（a）剖面50 m處、（b）剖面100 m處通過。

圖3 古火～果遂隧洞古甲段、上古嶺隧洞視電阻率等值線圖

圖3（a），在剖面49～63 m高程97～83 m段，等值線近似扁平橢圓狀高阻閉合，與周圍電性差異明顯，為隧洞引起的異常位置，但異常位置埋深偏淺，異常大小偏大。圖3（b），在剖面93～112 m高程112～98 m處，等值線上部呈高阻閉合，與周圍電性比較差異明顯，為隧洞通過部位，但異常大小偏大。

再結(jié)合圖2（d）剖面30～41 m高程112～102 m處，等值線呈高阻閉合，與周圍電性差異明顯，為隧洞通過部位，與實際情況相吻合，但異常位置略偏大號方向且埋深偏淺，異常大小偏大。圖2（e），在剖面17～31 m高程108～97 m處，等值線呈高阻閉合，與周圍電性差異明顯，為隧洞通過部位，基本與實際情況相吻合，但異常位置略偏小號方向且埋深偏深，異常大小偏大。

通過以上探測試驗說明EH4異常存在擴展效應(yīng)問題，解譯的異常位置及異常規(guī)模與已開挖隧洞揭露的實際情況略有偏差，但在總體把握上比較準(zhǔn)確，在成果解釋時應(yīng)結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析。

2.3 EH4點距大小選取試驗

在已知地質(zhì)異常體（即已開挖的加旦～良馬隧洞、古火～果遂隧洞）基礎(chǔ)上，采用10 m、20 m點距進(jìn)行EH4試驗。

圖4中（a）、（b）的1#、2#測線分別采用10 m、20 m點距垂直加旦～良馬隧洞布置，剖面均為60 m長，隧洞分別在1#線35 m處、2#線30 m處通過。異常大?。? m）與埋深（50）比為1/7。

圖4（c）兩個剖面分別采用10 m、20 m點距垂直古火～果遂隧洞布置，剖面長分別為100 m、90 m，隧洞均在剖面50 m處通過。異常大?。? m）與埋深（260）比為1/33。

從圖4中（a）、（b）、（c）的6個剖面，比較10 m、20 m點距探測效果看出：采用10 m、20 m點距探測均出現(xiàn)明顯的高阻閉合異常，為隧洞通過部位，與實際情況相吻合，但異常位置、埋深、大小略有偏差。采用10 m點距探測得出的高阻閉合等值線在均勻性和收斂性方面優(yōu)于采用20 m點距探測，更接近實際地質(zhì)情況，說明10 m點距更適合該研究區(qū)域的探測，但總體而言20 m點距探測也能探測到大部分10 m點距探測到的異常。

通過以上探測試驗說明，探測工作中可先選大點距工作，遇到異常位置就沿剖面方向在異常位置前后加密探測。

3 TBM施工隧洞六浪出口段實例分析

TBM施工隧洞六浪出口段屬于廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)一期工程的北干渠部分，工區(qū)內(nèi)可溶巖分布較廣，地貌景觀的主要特征為：峰叢洼地、谷地等，地形起伏、險峻，隧洞沿線覆蓋層分布廣泛，主要為第四系紅粘土覆蓋。下伏基巖有石炭系上統(tǒng)下部地層，巖性主要為灰?guī)r、含燧石條帶灰?guī)r夾薄層硅質(zhì)巖等。含水或含泥的溶洞及斷層破碎帶與完整灰?guī)r間形成明顯的電性差異，該區(qū)具備開展大地電磁法探測的電性條件[6]。

借鑒前期探測試驗取得的經(jīng)驗和參數(shù)開展TBM施工隧洞六浪出口段巖溶特征探測工作，本次EH4剖面沿隧洞軸線布置，采用20 m點距，沿剖面方向在異常出現(xiàn)位置前后采用10點距加密探測，在成果解釋時結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析，使解釋異常位置、埋深、大小更接近實際情況。

圖4 加旦～良馬隧洞1#、2#線、古火～果遂隧洞視電阻率等值線圖

圖5 TBM施工隧洞六浪出口段視電阻率等值線圖

圖5中，剖面0～540 m對應(yīng)樁號B25+632～26+172，分析該剖面視電阻率等值線圖：

（1）在剖面160～300 m高程200～70 m，低電阻率異常呈帶狀，從小號往大號傾斜，縱向梯度明顯變化，推測為巖溶裂隙發(fā)育密集帶或巖溶裂隙發(fā)育區(qū)所致巖體破碎的電性反映。隧洞施工過程在樁號B25+811附近遇到大溶洞，約對應(yīng)剖面175 m處，由此可見，溶洞位置處于物探解譯異常范圍之內(nèi)，異常位置與實際情況基本吻合。

（2）在剖面450～540 m高程110～40 m，視電阻率梯度變化明顯，存在電性差異，為一視電阻率較低異常體，推測此處為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)所致巖體破碎的電性反映。隧洞施工過程在樁號B26+072附近遇到大量涌水、涌泥現(xiàn)象，約對應(yīng)在剖面445 m處，涌水、涌泥位置處于物探解譯異常的小號方向約5 m附近，解譯與實際情況大致吻合，解譯異常位置略偏大號方向。

（3）在剖面450～540 m高程110～40 m，視電阻率梯度變化明顯，存在電性差異，為一視電阻率較低異常體，推測此處為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)所致巖體破碎的電性反映。隧洞施工過程在樁號B26+157附近遇到溶洞、塌方，約對應(yīng)在剖面530 m處，溶洞、塌方位置處于物探解譯異常范圍之內(nèi)，異常位置與實際情況基本吻合。

TBM施工隧洞六浪出口段在施工過程中，樁號B25+811、B26+072、B26+157三處遇到溶洞、涌水、塌方現(xiàn)象，其中B25+811和B26+157在物探解譯異常范圍之內(nèi)，B26+072處物探解譯位置略偏大號，物探解譯的異常位置及異常規(guī)模與實際情況略有偏差，但在總體能夠比較準(zhǔn)確查明隧洞及其周圍的巖溶發(fā)育特征等問題，為施工地質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

開展探測工作前通過在碳酸鹽巖區(qū)進(jìn)行EH4試驗，總結(jié)規(guī)律和確定工作參數(shù)，將取得的經(jīng)驗和參數(shù)應(yīng)用到同在該區(qū)的TBM施工隧洞六浪出口段的探測工作中，取得較好探測效果。通過此次探測得出如下結(jié)論：

（1）EH4電磁成像系統(tǒng)可以提供高分辨率的電阻率成像，清晰地區(qū)別了含水或巖溶破碎帶和其他地層，在巖溶隧洞勘查中是一種有效的、實用的勘探方法。

（2）由于該系統(tǒng)受高阻蓋層影響小，在高阻蓋層區(qū)域也夠比較準(zhǔn)確查明隧洞及其周圍的巖溶發(fā)育特征等問題，為施工地質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

（3）雖然EH4解譯的異常位置及異常規(guī)模與已開挖隧洞揭露的實際情況仍有差異，但在總體把握上比較準(zhǔn)確，對巖溶問題可進(jìn)行一定的超前宏觀預(yù)測。

[1] 王燁，曹哲明，湯井田，等.鐵路隧道工程勘察高頻大地電磁測深應(yīng)用效果研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2005（3）：424-428.

[2] 曹哲明.音頻大地電磁法在宜萬鐵路隧道勘察中的應(yīng)用效果[J].鐵道勘察，2004（1）:53-54.

[3]勞雷公司.EH4操作手冊[Z].

[4] 于愛軍，黃輝.EH4電磁系統(tǒng)用于金礦找礦的效果--以山東山后和甘肅陽山礦區(qū)為例[J].黃金地質(zhì)，2002，8（1）:51-55.

[5] 廣西水利電力勘測設(shè)計研究院.廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)一期工程施工詳圖階段物探報告[R].南寧:廣西水利電力勘測設(shè)計研究院，2012.

[6] 廣西水利電力勘測設(shè)計研究院.廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)一期工程招標(biāo)設(shè)計階段TBM施工隧洞北泗～六浪段大地電磁法探測報告[R].南寧:廣西水利電力勘測設(shè)計研究院，2010.

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Application of EH4 in karst survey in Letan Reservoir irrigation zone

HUANG Ji-wen,HUANG Xian-bo,LUO Ji-yong
（Guangxi Water and Power Design Institute,Nanning 530023,China）

An introduction was made on the operating principle and testing method of EH4 conductivity imaging system used for survey of underground anomalies.Testing survey of EH4 was conducted first with known geological anomalies in carbonate area.The rules of profile arrangement,anomaly spreading effects and receiving space were summarized,and the working parameters were determined.Experience and parameters out of test were applied in karst survey for the Liulang outlet section of TBM construction tunnel of Letan Reservoir irrigation project.

Carbonate area;EH4;anomaly spreading effect;Letan Reservoir irrigation zone;diversion tunnel

P631.8

B

1003-1510（2016）02-0029-05

2016-01-22

廣西水利廳科技項目（編號：KY-201302）資助

黃基文（1983-），男，廣西欽州人，廣西水利電力勘測設(shè)計研究院工程師，碩士，主要從事工程物探工作。