物探技術(shù)在引洮工程斷層探測中的應(yīng)用研究*1

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

物探是地球物理勘探的簡稱，它是以地下地質(zhì)體的物性差異為基礎(chǔ)，通過儀器觀測自然或人工物理場的變化，經(jīng)過專用軟件的分析和處理，確定地下地質(zhì)體的空間大小、形狀、埋深等，達到解決工程地質(zhì)問題的一種物理勘探方法。近年來，在水利水電工程地質(zhì)勘察中得到了廣泛的應(yīng)用，解決了一系列工程地質(zhì)問題，取得了良好的勘探效果。物探方法主要包括可控源音頻大地電磁法、聲波法、高密度電法、地質(zhì)雷達法、地震勘探法等，解決的主要問題有地下水、斷層、覆蓋層、風(fēng)化層、基巖面起伏、滑坡、場地類別劃分等工程地質(zhì)問題。

1 工程概況

甘肅省引洮供水工程(簡稱引洮工程)是解決中部干旱地區(qū)11個國家扶貧重點縣城鎮(zhèn)及工業(yè)用水、農(nóng)村人畜飲水、生態(tài)環(huán)境用水問題，兼有灌溉、發(fā)電、防洪等綜合利用功能的大型跨流域調(diào)水工程。引洮供水二期工程區(qū)涉及甘肅中東部4個市、8個縣區(qū)，二期工程總干渠接引洮一期渠尾，自隴西縣馬河鎮(zhèn)的大營梁南坡起，沿祖厲河與渭河兩流域分水嶺由西向東，再折向北東，止于會寧縣太平鎮(zhèn)大山川，渠線以隧洞為主，連接段采用渡槽、暗渠等建筑物，總長95.21km。

引洮供水二期工程于2016年正式開工建設(shè)，截至2018年底總干渠已完成總工程量的2/3以上，大部分隧洞已經(jīng)貫通。該工程前期勘察過程中大量使用了工程物探技術(shù)，特別是在總干渠16號和31號隧洞隱伏斷層探測中，使用可控源音頻大地電磁法對斷層F2、F3和F7進行了有效探測，確定了斷層的洞身位置，提供了重要的地質(zhì)依據(jù)，為順利施工提供了重要保障。目前總干渠16號和31號隧洞已均貫通，正在進行二襯工作。

2 隱伏斷層的特性及探測手段

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和工程地質(zhì)測繪工作可知，引洮供水二期工程總干渠上16號隧洞穿過馬河斷裂(F3)和興隆山南緣大斷裂(F2)，31號隧洞穿過會寧—義崗大斷裂(F7)。這三條斷裂均為活動性斷裂，因此，總干渠施工過程中能否順利通過這三條斷裂帶是該工程的主要制約因素和工期保證的瓶頸，故需要對這三條斷裂進行合理有效的勘察和探測工作。

馬河斷裂(F3)為一大致平行柴家河斷裂延伸的反向逆沖斷裂，上盤為新近系泥巖，下盤為中上更新統(tǒng)黃土類土。興隆山南緣大斷裂(F2)產(chǎn)狀NW330°～315°NE∠60°～80°，晚更新世明顯活動，其上盤為前震旦系片麻巖混合巖，下盤為新近系粉砂質(zhì)泥巖。會寧—義崗大斷裂(F7)產(chǎn)狀NW310°～320°NE∠50°～70°，具左旋逆沖性質(zhì)，造成了古近系含礫砂巖、砂礫巖仰沖于新近系泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖之上，水系被左旋錯斷，斷層陡坎、地震滑坡、溫泉、地震液化現(xiàn)象多見。

結(jié)合三個斷層的特性、地形地貌以及埋深等情況，物探工作選擇了可控源音頻大地電磁法對斷層進行探測。

3 測區(qū)內(nèi)地球物理特征

工作區(qū)內(nèi)地層巖性的電性差異特征是開展可控源音頻大地電磁測深勘察的地球物理基礎(chǔ)和依據(jù)，根據(jù)在工作區(qū)實測的部分巖石露頭電阻率參數(shù)，結(jié)合鄰區(qū)以往電阻率參數(shù)資料進行了統(tǒng)計歸類。其電性參數(shù)主要表現(xiàn)為：第四系馬蘭黃土、粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土電性變化很大，電阻率變化范圍在10～200Ω·m，當(dāng)馬蘭黃土、粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土含水時，電阻率較低，但由于該地區(qū)十分干旱，因此電阻率一般較高。新近系具有2個電性層，其中粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖電阻率較低，在7～50Ω·m左右，另一較高阻電性層由砂礫巖組成，電阻率在40～300Ω·m；前震旦系系片麻巖、混合巖電阻率普遍較高，電阻率在140～1000Ω·m；花崗巖體為該區(qū)基底高阻電性層，電阻率一般大于300Ω·m。 由此可知區(qū)內(nèi)地層巖石電阻率具有明顯的差異，具備地球物理工作的前提條件，可以開展工程物探工作，能夠達到探測目的。

4 可控源音頻大地電磁法探測成果

可控源音頻大地電磁法的最大特點是采用人工場源,大大增加了電磁信號強度,彌補了天然場源信號微弱、不易觀測等缺點。該方法工作效率高,利用一個偶極發(fā)射可以在兩側(cè)扇形區(qū)域內(nèi)測量，分辨率較高、勘探深度大，穿過高阻電性層的能力較強。

本次探測工作使用GDP-32Ⅱ型多功能電法工作站，發(fā)電機功率為10kW。根據(jù)探測目標(biāo)體的大概位置，共布置了探測剖面3條，總長度1680m，電測深點共87個，采用沿測線多道同時觀測排列的測量方式。

4.1 野外工作過程及技術(shù)要求

開工前和收工后，對所有儀器設(shè)備必須進行一次全面檢查、維護校準(zhǔn)和標(biāo)定。觀測相位參數(shù)時，發(fā)射機的AB極性、接收機的MN極性、磁傳感器的接收方向和相對發(fā)射機的放置方向在全測區(qū)應(yīng)保持一致。

接收站應(yīng)避免布置在強磁場、強干擾源的地方，測量電極M、N以及磁傳感器所處的布設(shè)條件應(yīng)盡量一致。磁傳感器與接收機的距離應(yīng)不小于10m，其水平誤差和方向誤差均不得超過3°，風(fēng)天要挖坑埋設(shè)地下。

AB、MN應(yīng)埋設(shè)牢固、接觸良好。盡量垂直高壓線、暗埋管道和電桿，實現(xiàn)最小耦合，并限制噪聲。每個測點觀測完畢后，操作員應(yīng)對數(shù)據(jù)和曲線全面檢查，合格后方可搬站。確定r距的原則是確?？碧缴疃群头直婺芰Φ臈l件下宜小不宜大，r>3H,AB≤0.5r，MN≤0.1r，記錄點選在MN的中心。

檢查觀測點數(shù)不得少于總數(shù)的3%，電阻率的均方相對誤差小于5%。

4.2 數(shù)據(jù)處理與反演過程

本次采用GDP-32儀器配置的scsinv處理軟件進行數(shù)據(jù)分析處理，在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，觀測數(shù)據(jù)進行了畸變點剔除、曲線圓滑等工作。數(shù)據(jù)處理時進行了近場、靜態(tài)較正，根據(jù)該區(qū)的實際情況，通過反復(fù)試驗選擇了相應(yīng)的參數(shù)。處理后利用surfer 軟件，繪制了各條測線的視電阻率斷面圖。

4.3 視電阻率探測成果分析與解釋

4.3.1 WT1剖面視電阻率斷面圖分析推斷解釋

WT1剖面布置在16號隧洞樁號2+950～3+450段，長度500m，電測深點26個，主要為了進行地質(zhì)分層和探測F3斷層的位置。二維反演視電阻率及地質(zhì)解釋綜合斷面見圖1。

圖1 WT1二維反演視電阻率及地質(zhì)解釋綜合斷面

在洞身樁號3+230處附近有一視電阻率在1～8Ω·m的低阻電性層，視電阻率等值線呈陡梯度帶展布，推斷為F3斷層破碎帶的賦存位置，從等值線陡梯度帶的展布方向推斷出斷層傾向西南，從電阻率低值位置推斷在高程2100m附近斷層含水較多。洞身處斷層的寬度推斷40～60m，需注意斷層含水部位對工程施工的影響。

4.3.2 WT2剖面視電阻率斷面圖分析推斷解釋

WT2剖面布置在16號隧洞樁號12+900～13+400段，長度500m，電測深點26個，主要為了進行地質(zhì)分層和探測F2斷層的位置。二維反演視電阻率及地質(zhì)解釋綜合斷面見圖2。

圖2 WT2二維反演視電阻率及地質(zhì)解釋綜合斷面

在洞身樁號13+140處有一視電阻率等值線梯度帶向東傾斜展布，推斷為F2斷層的賦存位置，從等值線陡梯度帶的展布方向推斷出斷層傾向東，從電阻率值推斷該斷層含水。洞身處斷層的寬度推斷20～40m，需注意斷層對工程施工的影響。

4.3.3 WT3剖面視電阻率斷面圖分析推斷解釋

WT3剖面布置在31號隧洞樁號68+880～69+560段，長度680m，電測深點35個，主要是為了進行地質(zhì)分層和探測F7斷層的位置。二維反演視電阻率及地質(zhì)解釋綜合斷面見圖3。

在洞身樁號69+440處附近有一視電阻率等值線陡梯度帶向北東傾斜展布，推斷為F7斷層的賦存位置，從等值線陡梯度帶的展布方向推斷出斷層傾向北東，從電阻率值推斷該斷層含水。洞身處斷層的寬度推斷30～50m，需注意該斷層對工程施工的影響。

圖3 WT3二維反演視電阻率及地質(zhì)解釋綜合斷面

在洞身樁號69+320處附近有一視電阻率等值線梯度帶向西南傾斜展布，推斷為F1斷層的賦存位置，從等值線梯度帶的展布方向推斷出斷層傾向西南，從電阻率值推斷該斷層含水。洞身處斷層的寬度推斷約50m，需注意該斷層對工程施工的影響。

5 探測成果與施工地質(zhì)資料對比

5.1 物探技術(shù)主要探測成果

5.1.1 隧洞圍巖巖性

16號隧洞樁號2+950～3+450段圍巖巖性為重粉質(zhì)壤土夾粉質(zhì)黏土；樁號12+900～13+400段圍巖巖性為前震旦系片麻巖，局部洞身段可能有地下水。31號隧洞樁號68+880～69+560段圍巖巖性為新近系粉砂質(zhì)泥巖，夾泥質(zhì)粉砂巖、含砂礫巖，局部洞身段可能有地下水。

5.1.2 16號隧洞發(fā)育2條斷層

a. F3斷層樁號3+230洞身處斷層的寬度推斷40～60m。

b. F2斷層樁號13+140洞身處斷層的寬度推斷20～40m。

5.1.3 31號隧洞發(fā)育2條斷層

a. F1斷層樁號69+320洞身處斷層的寬度推斷約50m。

b. F7斷層樁號69+440洞身處斷層的寬度推斷30～50m。

5.2 施工地質(zhì)編錄成果資料

根據(jù)引洮供水二期工程施工地質(zhì)設(shè)代工作報告可知，總干渠16號和31號隧洞施工采用鉆爆法。

總干渠16號隧洞樁號2+950～3+450段圍巖為重粉質(zhì)壤土(老黃土)，土質(zhì)均一，密實度良好，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的斷層存在，在洞身樁號3+200附近圍巖含水量較大，有地下水滲出。

總干渠16號隧洞樁號12+900～13+400段圍巖為前震旦系(AnZmx3)片麻巖，局部段有石英巖脈，受構(gòu)造運動及風(fēng)化的影響，圍巖中裂隙、斷層發(fā)育，巖體多呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，巖體破碎。樁號13+100～13+120段為F2斷層破碎帶，由斷層角礫巖及少量斷層泥組成，巖體極為破碎。大部分洞段圍巖中有地下水滲出，多呈滴滲狀。

總干渠31號隧洞樁號68+880～69+560段圍巖為新近系(N2l3)泥質(zhì)粉砂巖，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，成巖程度低，巖石強度低。樁號69+311～69+409段隧洞穿過會寧—義崗區(qū)域性斷裂影響帶，斷層產(chǎn)狀NW310°～320°NE∠60°～70°，為壓扭性斷層，洞軸線與該斷裂基本垂直。

5.3 對比分析結(jié)論

可控源音頻大地電磁法對隧洞圍巖巖性和地下水的推測結(jié)果相對準(zhǔn)確，與施工揭露的情況基本相符。

總干渠16號隧洞F3斷層由于隧洞圍巖巖性為重粉質(zhì)壤土(老黃土)，施工過程中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的斷層存在，但推測斷層位置附近施工時隧洞圍巖含水量較大，有地下水滲出。16號隧洞F2斷層推測位置與施工揭露位置有出入，相差20～40m。

總干渠31號隧洞樁號69+311～69+409段為會寧—義崗區(qū)域性斷裂影響帶，該段基本分布在推測到的F1斷層與F7斷層之間，說明可控源音頻大地電磁法探測出了會寧—義崗區(qū)域性斷裂影響帶的邊界。

6 結(jié) 語

采用可控源音頻大地電磁法對引洮二期供水工程隧洞圍巖巖性和洞身發(fā)育的斷層進行了有效探測，通過與施工地質(zhì)編錄資料的對比和研究，說明物探技術(shù)在引洮二期供水工程中的探測效果良好。