電磁測深技術(shù)在卡邦波水電項目上的應(yīng)用

(中國水利水電第十一工程局有限公司， 河南 鄭州 450000)

電磁測深技術(shù)在卡邦波水電項目上的應(yīng)用

趙新澤

(中國水利水電第十一工程局有限公司， 河南 鄭州 450000)

電磁測深技術(shù)多運用于地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)的大地電磁測深法勘探，在卡邦波水電項目中采用該技術(shù)來查明場區(qū)內(nèi)河床及兩岸覆蓋層厚度、巖體風(fēng)化程度與分層狀況，為后續(xù)大壩設(shè)計、施工提供地球物理依據(jù)，取得了理想效果。本文從測點布置、測試方法原理及其特性特點等方面的應(yīng)用要點進行研究，為今后水電項目的同類測試提供借鑒。

電磁測深技術(shù)；水電項目；應(yīng)用

1 概 況

1.1 工程簡介

卡邦波水電站位于贊比亞西北省索洛韋茲和穆尼龍嘎區(qū)交界的卡邦波河上?？ò畈ê邮琴澅任魃嫌魏酉档闹饕Я?。工程主要建筑物包括碾壓混凝土大壩、引水洞、地下廠房、尾水洞等，裝機40MW。

1.2 工程物探勘測目的與要求

該次勘測的目的是通過工程物探，查明卡邦波水電站大壩場區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度、兩岸巖體風(fēng)化程度與分層，為后續(xù)大壩設(shè)計、施工提供地球物理依據(jù)。主要任務(wù)如下：

a. 查明大壩場區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度(特別是河床覆蓋層厚度)。

b. 查明大壩場區(qū)內(nèi)兩岸巖體的風(fēng)化程度及分層。

c. 查明上游、下游圍堰處的河床覆蓋層厚度等。

1.3 工程物探勘測方法

采用EH4電磁測深法查明該測區(qū)覆蓋層、強風(fēng)化層、弱風(fēng)化層層位的形態(tài)及規(guī)模。

1.4 完成的工作量

根據(jù)勘測目的及場地實際條件進行測線布設(shè)，測線以EH4電磁法為主，其中布置勘探線5條，受場地地質(zhì)條件所限，測點以手持GPS定點，用羅盤、皮尺輔助放線，實際完成工作量見表1。

表1 工程物探工作量統(tǒng)計

2 場地地質(zhì)概況及地球物理條件

2.1 場地地質(zhì)概況

大壩場區(qū)地貌成因類型為剝蝕丘陵，地貌類型為緩傾斜丘陵地貌，勘測高程范圍在1245.00～1305.00m之間。場區(qū)植被較發(fā)育，主要為草本植物、灌木等。

2.2 地球物理條件

大壩場區(qū)上覆松散覆蓋層為殘坡積土、孤石等，下伏基巖主要以片麻巖、石英片巖為主。

場區(qū)上覆覆蓋層、下伏基巖、彈性波速、電阻率均存在著較明顯的差異，這為工程物探勘察提供了較好的物性條件。場區(qū)巖土體參數(shù)表見表2。

表2 場區(qū)區(qū)域巖土體參數(shù)

3 測深技術(shù)方法及工作布置

3.1 測點的布置

受場地條件所限，選用GPS差分定位直接放點的測量方法，實施該項目物化探工作的測網(wǎng)(剖面)布設(shè)，達到快速、經(jīng)濟，并且質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 方法原理、特點

3.2.1 EH4電磁測深儀工作原理

EH4是利用大地電磁的測量原理，測量TE/TM兩個模式的電阻率。配置磁偶極子發(fā)射源，發(fā)射頻率從1～70kHz，以彌補大地電磁場1～5kHz寂靜區(qū)信號不足，加強高頻段的儀器抗干擾能力，當(dāng)天然交變電磁場入射大地，在地下以波的形式傳播時，地面電磁場的觀測值由于電磁感應(yīng)作用，包含地下介質(zhì)的電阻率分布信息。由于不同頻率的電磁場信號具有不同穿透深度，因此大地電磁測深通過研究地表采集的電磁數(shù)據(jù)能夠反演出地下不同深度介質(zhì)電阻率分布的信息。

3.2.2 EH4基本參數(shù)

正交的電場分量(Ex,Ey)和磁場分量(Hx,Hy)的時間序列。然后通過傅立葉變換將時間域的電磁信號變成頻譜信號，得到Ex、Ey、Hx、Hy，最后計算卡尼亞電阻率。EH4裝置如圖1所示。

圖1 EH4裝置示意圖

3.2.3 EH4電磁測深儀工作特點

EH4是大地電磁(TM)測深方法中的一種觀測系統(tǒng)(裝置)。巖(礦)石(層)、水等之間的電阻率差異是投入此方法的物質(zhì)基礎(chǔ)。有如下主要特點：

a. 觀測速度快，操作簡便，可以不需施加人工場源。

b. 探測深度一般可達1000m；在地電和干擾滿足一定條件的情況下，能探明1500m深度以內(nèi)、具有一定規(guī)模和電阻率差異的地質(zhì)體的垂向形態(tài)及分布特征。

3.3 設(shè)備投入及技術(shù)要求

3.3.1 主要儀器設(shè)備

主要儀器投入：電法儀(Stratagem)主機及其配套設(shè)備一套、手持GPS一臺、地質(zhì)羅盤等相關(guān)設(shè)備。

3.3.2 儀器性能檢測

用平行測試方法來檢測儀器性能。平行測試是指將兩個電極相互平行擺放(如X方向)，兩個磁棒也朝同一方向擺放(如Y方向)。

該次物探勘測工作中，儀器工作正常，所測得的時間序列圖Ex與Ey，Hy與Hx的信號一致，所計算的視電阻率曲線也一致。

3.3.3 觀測技術(shù)要求

數(shù)據(jù)采集：EH4的數(shù)據(jù)采集是通過記錄測點號、測量參數(shù)、記錄測量數(shù)據(jù)來完成。張量模式采集EX、HX、EY、HY四組數(shù)據(jù)；標(biāo)量模式采集EX(EY)、HY(HX)兩組數(shù)據(jù)。

裝置參數(shù)：電極距50m。工作參數(shù)：采集模式H(高頻)，采集頻段低、中、高三個，濾波50Hz，相關(guān)度0.5、0.8，疊加8次。觀測技術(shù)要求：沿測線為X極(方向)，垂直測線為Y極(方向)，X極與測線方向夾角、與Y電極夾角誤差不大于±2°，不同方向的電極線插到前置放大器(AFE)相應(yīng)的孔中。

3.3.4 儀器設(shè)備的現(xiàn)場安放

主機放于距前置放大器(AFE)和磁棒大于10m處。

磁棒距離前置放大器(AFE)不小于5m，“X”磁棒平行測線(“X”與測線平行的誤差不大于±2°)，“Y”磁棒垂直測線(“Y”與測線的直角誤差不大于±2°)，X、Y磁棒距離不小于2m, 均要求水平放置(磁棒水平線的夾角不大于±2°)，為減少風(fēng)的干擾，埋置于土中，連接磁棒的線插到前置放大器(AFE)相應(yīng)孔中。工作過程中，所有人員、動物距磁棒不小于5m，有磁性的物體距磁棒、前置放大器(AFE)不小于20m。

在觀測過程中，隨時觀測信號強弱，根據(jù)信號在時間序列圖振幅寬度判斷并調(diào)節(jié)增益，使信號振幅約為1/2行寬。如EX、EY信號弱，增益調(diào)節(jié)到最大以無法使信號振幅約為1/2行寬時，調(diào)整和改善電極接地電阻，可通過加鹽水、增加電極根數(shù)或其他方法。

3.3.5 現(xiàn)場干擾的排除

注意各種干擾，如果干擾難以保證最終結(jié)果精度，應(yīng)重新觀測或多次觀測并儲存合格的觀測結(jié)果，且詳細記錄。

3.3.6 現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄

儀器雖具記錄存儲功能，但當(dāng)天工作結(jié)束后，應(yīng)及時回放并輸出觀測結(jié)果，保存在電腦和磁盤各一份。在數(shù)據(jù)回放時，要對當(dāng)天采集的數(shù)據(jù)進行初步分析處理，以便及時發(fā)現(xiàn)觀測過程中可能存在的問題或錯誤，并及時進行處理或糾正。

3.3.7 數(shù)據(jù)的檢查與校驗

采用在某測點不同時間重新布極觀測，如果二次觀測的視電阻率-頻率和相位-頻率曲線形態(tài)基本一致，即合格；否則，不合格?；虿捎迷谀硿y線不同時間，重新布極觀測，如果二次觀測的視電阻率曲線形態(tài)基本一致，即合格；否則，不合格。

3.4 工作布置

根據(jù)任務(wù)要求，該測區(qū)設(shè)計施工5條測線，共計20個物理點。該測區(qū)地質(zhì)原因較為復(fù)雜，測深點無法均勻分布，但完全滿足施工需要及任務(wù)要求?？ò畈◢{水電站工程測點布置圖如圖2所示。

圖2 卡邦波峽水電站工程測點布置

3.5 質(zhì)量保證措施

該次測探嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量檢查點為2%，視電阻率曲線形態(tài)基本一致(見圖3)，觀測精度及觀測誤差均符合質(zhì)量要求。

圖3 EH4測深質(zhì)量檢測

4 資料處理

4.1 原始數(shù)據(jù)處理

將采集的數(shù)據(jù)及時傳輸至電腦儲存，并進行整理歸類。將各類整理好的數(shù)據(jù)資料，按要求形成紙質(zhì)資料并裝訂成冊，編制封面、目錄和簡要說明。

4.2 資料預(yù)處理

利用Excel等軟件進行數(shù)據(jù)歸類整理，核對點號和線號，剔除畸變點，進行各項改正計算及插值、圓滑濾波等預(yù)處理。

4.3 綜合研究和提交成果

4.3.1 數(shù)據(jù)處理與二次信息提取

利用重磁電數(shù)據(jù)處理與解釋軟件系統(tǒng)——RGIS，對電磁測深(EH4)采集數(shù)據(jù)，實施數(shù)據(jù)處理，盡可能消除干擾信息，提取有用信息；盡可能在平面、垂向劃分出地層、礦(化)體及其形態(tài)特征。

4.3.2 數(shù)據(jù)編號和解譯

按統(tǒng)一格式對該區(qū)域進行編號分類，并結(jié)合各個測深點數(shù)據(jù)及其他信息進行推斷解譯。

5 成果分析

圖4為1線1號測深點—4號測深點視電祖率測深剖面圖。

該測線電阻率呈階梯狀，由淺部至深部電阻率逐漸升高，層次較為清晰，部分地區(qū)無覆蓋層。根據(jù)該區(qū)域巖土體物性參數(shù)及電阻率測深曲線分析，該測線覆蓋層埋深在0～5m范圍，厚度為2～5m；強風(fēng)化層埋深在0～7m范圍(局部出露地表)，厚度為2～7m；中、弱風(fēng)化層埋深在8～40m范圍，厚度為20～40m。

圖4 1號點—4號點視電阻率剖面

圖5為2線5號測深點—8號測深點視電祖率測深剖面圖。

根據(jù)視電阻率曲線分析，該測線8號測深點90m位置出現(xiàn)相對低阻體，與地表風(fēng)化巖層視電阻率基本相似，且部分地區(qū)無覆蓋層。根據(jù)該區(qū)域巖土體物性參數(shù)及電阻率測深曲線分析，該測線覆蓋層埋深為0～4m，厚度為1～4m；強風(fēng)化層埋深為0～14m，厚度為4～14m；中、弱風(fēng)化層埋深為7～35m，厚度為20～30m。

圖5 5號點—8號點視電阻率剖面

圖6為3線9號測深點—12號測深點視電祖率測深剖面圖。

該測線電阻率差異較為明顯，部分地區(qū)無覆蓋層。根據(jù)該區(qū)域巖土體物性參數(shù)及電阻率測深曲線分析，該測線覆蓋層埋深在0～7m范圍，厚度為2～7m；強風(fēng)化層埋深在0～12m范圍，厚度為4～12m；中、弱風(fēng)化層埋深在10～70m范圍，厚度為40～60m。

圖6 9號點—12號點視電阻率剖面

圖7為4線13號測深點—16號測深點視電祖率測深剖面圖。

該測線電阻率差異較為明顯，地表基本無覆蓋層。根據(jù)該區(qū)域巖土體物性參數(shù)及電阻率測深曲線分析，該測線覆蓋層埋深在0～3m范圍，厚度為0.5～3m；強風(fēng)化層埋深在0～10m范圍，厚度為5～10m；中、弱風(fēng)化層埋深在5～70m范圍，厚度為30～60m。

圖7 13號點—16號點視電阻率剖面

圖8為5線17號測深點—20號測深點視電祖率測深剖面圖。

該測線電阻率差異較為明顯，地表覆蓋層較厚。根據(jù)該區(qū)域巖土體物性參數(shù)及電阻率測深曲線分析，該測線覆蓋層埋深在0～17m范圍，厚度為2～17m；強風(fēng)化層埋深在0～27m范圍，厚度為3～27m；中、弱風(fēng)化層埋深在20～60m范圍，厚度為20～50m。

圖8 17號點—20號點視電阻率剖面

6 結(jié) 論

a. 根據(jù)該地區(qū)電阻率測深剖面圖解釋與分析，可推出：該地區(qū)第四系覆蓋層平均埋深為0～10m，平均厚度為0.5～10m；強風(fēng)化層平均埋深為0～15m(部分地段無覆蓋而直接出露地表)，平均厚度為2～15m；中、弱風(fēng)化層埋深為8～70m，平均厚度為20～60m。

b. 該次工程物探勘測數(shù)據(jù)良好，反演后解釋成果合理，但地球物理勘測為間接測量手段，其成果為推斷成果而存在多解性。

EH4電磁測深技術(shù)初次運用于水電項目進行勘探測試，為大壩設(shè)計施工提供了地球物理依據(jù)，取得了理想效果。該技術(shù)測試出的數(shù)據(jù)與后續(xù)選點鉆孔勘探所揭露出的地質(zhì)情況基本吻合。

ApplicationofelectromagneticsoundingtechniqueinKabompoHydropowerProject

ZHAO Xinze

(SinohydroBureau11Co.,Ltd.,Zhengzhou450000,China)

The electromagnetic sounding technology is mostly applied to magnetotelluric sounding method exploration of geology and mineral resources industries. The technology is adopted in kabompo Hydropower Project to find out field riverbed and coverage layer thickness at both banks, rock mass weathering degree and layering condition, thereby providing geophysical basis for subsequent dam design and construction. Ideal effects are obtained. In the paper, the measurement point layout, test method principles, features, characteristics and other application keys are studied, thereby providing reference for similar tests in future hydropower projects.

electromagnetic sounding technology; hydropower project; application

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.015

TV221

B

1005-4774(2017)012-0060-06