瞬變電磁法在巖溶土洞發(fā)育區(qū)的應(yīng)用

宋偉健，劉權(quán)斌，閆 涵，崔笑庚

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

0 引言

近年來(lái)，隨著水利水電工程的發(fā)展，工程區(qū)域的擴(kuò)大，對(duì)工程地質(zhì)勘測(cè)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，精度越來(lái)越高，深度越來(lái)越深，特別是對(duì)在建水利水電工程深埋的地下構(gòu)造、巖溶、土洞等一系列不良地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)，因?yàn)槌Ｒ?guī)電法受地形限制，勘測(cè)深度有限，已不適合解決這一問(wèn)題。瞬變電磁法由于儀器設(shè)備便于攜帶，不受場(chǎng)地限制，野外操作便捷，適合野外中、深部位的勘查，探測(cè)高阻背景中的低阻地質(zhì)體效果好，尤其是對(duì)地下水的反應(yīng)特別明顯，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工程地質(zhì)勘查中。這次廣西某水利樞紐工程就遇到了大規(guī)模的巖溶、土洞不良地質(zhì)現(xiàn)象，高密度電法由于場(chǎng)地限制，不能滿足探測(cè)深度要求，已不能有效的解決問(wèn)題，因此我們采用了瞬變電磁法對(duì)巖溶、土洞的規(guī)模和深度進(jìn)行探測(cè)，并通過(guò)驗(yàn)證，取得了很好的結(jié)果。

1 瞬變電磁法原理及工作方法

1.1 瞬變電磁法原理簡(jiǎn)介

瞬變電磁法是以地下介質(zhì)之間的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異為物理基礎(chǔ)，利用不接地回線（磁性源）或接地導(dǎo)線（電性源）向地下發(fā)送脈沖電磁場(chǎng)（一次場(chǎng)），地下地質(zhì)體中激勵(lì)起得感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)磁場(chǎng)（二次場(chǎng)）。由于二次場(chǎng)包含有地下地質(zhì)體豐富的地電信息，在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次場(chǎng)（磁場(chǎng)或電場(chǎng)響應(yīng)），通過(guò)對(duì)這些響應(yīng)信息的提取或分析，從而達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體的目的。

圖1 瞬變電磁原理圖

1.2 瞬變電磁法工作方法

這次瞬變電磁法主要用于地面15～80 m深度范圍內(nèi)的較大巖溶及溶蝕區(qū)探測(cè)。探測(cè)部位主要為某水利樞紐工程的左岸樞紐區(qū)。

由于現(xiàn)場(chǎng)較為惡劣的環(huán)境、復(fù)雜的干擾和復(fù)雜的地質(zhì)條件，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及地球物理?xiàng)l件（覆蓋層厚度、電阻率）選擇合適的線框邊長(zhǎng)及發(fā)射電流等參數(shù)。這次瞬變電磁法采用國(guó)產(chǎn)cugtem-8大電流瞬變電磁儀，重疊回線裝置線圈邊長(zhǎng)為2 m，發(fā)射線圈2匝、有效邊長(zhǎng)2.828 m，接收線圈為8芯4匝，有效面積為128 m2。發(fā)射電流經(jīng)試驗(yàn)選用50 A，發(fā)射脈寬為 10 ms，采樣率為 16 μs，采樣長(zhǎng)度為 65 536 μs。測(cè)點(diǎn)間距5m。為了消除隨機(jī)干擾，每個(gè)測(cè)點(diǎn)疊加采集15次，干擾嚴(yán)重的地區(qū)疊加采集30次。

2 工程概況

2.1 地形地質(zhì)簡(jiǎn)況

某水利樞紐工程位于廣西省桂平市境內(nèi)。樞紐是以防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等綜合利用的大（I）型水利樞紐工程。樞紐建筑物主要包括泄水、通航、發(fā)電、擋水、灌溉取水口、過(guò)魚(yú)等建筑物。

由于施工區(qū)純碳酸鹽巖包括灰?guī)r、燧石灰?guī)r及白云巖，呈大面積連續(xù)分布。灰?guī)r分布面積最廣，廣泛分布于上庫(kù)段，巖溶最為發(fā)育，巖溶現(xiàn)象不但數(shù)量多，而且個(gè)體大，垂向深，自開(kāi)工以來(lái)，開(kāi)挖揭露的溶溝、溶槽、溶洞等巖溶形態(tài)十分發(fā)育。已發(fā)生巖溶塌陷10余處，最大塌坑直徑25 m，下引航道渠坡揭露土洞2處，可見(jiàn)施工區(qū)存在較大的巖溶塌陷危險(xiǎn)性，危及施工安全。

2.2 物性參數(shù)

根據(jù)初設(shè)及技施階段物探工作資料，該區(qū)灰?guī)r電阻率在1 000～5 000 Ω·m之間；覆蓋層電阻率在10～200 Ω·m之間；巖溶及溶蝕區(qū)電阻率根據(jù)填充物類型，電阻率在10～500 Ω·m之間。較完整灰?guī)r與巖溶有較大物性差異，具備物探探測(cè)的基本條件。

2.3 任務(wù)目的

在左岸樞紐區(qū)永久建筑物地基做物探工作，為調(diào)查與巖溶塌陷相關(guān)的大型淺表巖溶形態(tài)、土洞發(fā)育情況和地下水的集中排泄通道等巖溶發(fā)育規(guī)律提供資料。

2.4 工作方法及布置

這次工作選用瞬變電磁法。根據(jù)要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在左岸樞紐區(qū)共布置42條測(cè)線。選擇其中一條WT09進(jìn)行舉例說(shuō)明。

在船閘區(qū)布置WT09瞬變電磁剖面，其長(zhǎng)度為40 m，測(cè)點(diǎn)距為5 m。

3 成果分析

將現(xiàn)場(chǎng)采集的二次場(chǎng)衰減數(shù)據(jù)曲線導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中，首先預(yù)處理剔除壞點(diǎn)數(shù)據(jù)。將預(yù)處理過(guò)得數(shù)據(jù)導(dǎo)入專門(mén)的處理軟件Cugtem9，設(shè)定采集參數(shù)、歸一化處理、數(shù)據(jù)疊加后，對(duì)二次場(chǎng)衰減曲線使用三點(diǎn)濾波，對(duì)多測(cè)道圖采用手動(dòng)濾波。時(shí)間道選擇36道，時(shí)間區(qū)間選擇200（1 000）～11 200 μs進(jìn)行反演。最后利用surfer成圖軟件，將反演數(shù)據(jù)生成每個(gè)剖面的卡尼亞電阻率等值線圖。

3.1 瞬變電磁法成果分析

瞬變電磁法探測(cè)深度較大，但是在理論上存在一定深度范圍的淺部盲區(qū)，（實(shí)際探測(cè)結(jié)果盲區(qū)范圍內(nèi)的低阻地質(zhì)體依然會(huì)反應(yīng)在其剖面位置的正下方），因此用于船閘中深部（15～30 m）的巖溶探測(cè)，其形成的卡尼亞電阻率等值線圖在一定程度上反應(yīng)了巖溶分布情況。對(duì)于開(kāi)挖至建基面的部位，基巖淺表部的巖溶在剖面圖上實(shí)際反映在其正下方，對(duì)其予以深度修正后按低阻異常區(qū)識(shí)別解譯。

地下水遇到發(fā)射線圈產(chǎn)生的一次場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次場(chǎng)，因此充水的溶洞在電阻率等值線圖上表現(xiàn)為低阻異常區(qū)。填充物為淤泥、粘土的溶洞與地下水產(chǎn)生的二次場(chǎng)相似，也會(huì)在電阻率等值線圖上表現(xiàn)為低阻異常區(qū)。瞬變電磁法在橫向位置上結(jié)果較準(zhǔn)確，在瞬變電磁電阻率等值線圖上劃定異常，一般通過(guò)兩個(gè)步驟。

1）卡尼亞電阻率與周?chē)尘爸迪啾冉档?0%以上可定為低阻異常區(qū)，與周?chē)尘爸迪啾忍岣?00%以上可定為高阻異常區(qū)。

2）電阻率值線密集，暨電阻率梯度變化最大的內(nèi)部界限可定異常區(qū)邊界。

由瞬變電磁電阻率等值線圖（圖略）可知，在水平距離10～15 m處的藍(lán)色低阻狹縫解譯為巖溶發(fā)育區(qū)，結(jié)合鉆孔資料，經(jīng)過(guò)深度修正后，其埋深范圍為高程-15～-30 m。

4 成果結(jié)論

由瞬變電磁測(cè)試成果顯示，WT09剖面巖溶發(fā)育區(qū)在剖面水平距離10～15 m處，深范圍為高程-15～-30 m。已探測(cè)出其位置及規(guī)模，達(dá)到探測(cè)目的。

5 結(jié)語(yǔ)

這次工程中，樞紐區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶性質(zhì)多樣，規(guī)模不等。根據(jù)開(kāi)挖及鉆探結(jié)果，該區(qū)發(fā)育的巖溶按形態(tài)分類有溶溝、溶槽、溶洞及落水洞等。易引發(fā)管涌及塌陷地質(zhì)災(zāi)害。常規(guī)電法由于場(chǎng)地及測(cè)試條件限制，已經(jīng)不能解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題。而瞬變電磁法作為一種新技術(shù)，是解決該問(wèn)題一種有效的嘗試，其效果顯著。瞬變電磁法在未來(lái)的生產(chǎn)中將會(huì)發(fā)揮出更大的作用。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］劉國(guó)興主編.電法勘探原理與方法［M］.北京：地質(zhì)出版社，2003.

［2］牛之璉主編.時(shí)間與電磁法原理［M］].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2007，7.