EH4在水利工程勘察中的應(yīng)用

安 鑫

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究,新疆 昌吉 831100)

1 概述

水利工程建設(shè)項(xiàng)目特別是水電站和引水工程的建設(shè)，給我們各族人民的生產(chǎn)和生活帶來了越來越多的便捷，也解決了不少地區(qū)的用水用電和基礎(chǔ)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展問題。但是對(duì)地表起伏較大以及埋深較大地區(qū)工程的勘察工作，用常規(guī)的物探方法(電法、漸層折射)受地形和勘察深度的影響較大，難以解決工程勘察中遇到的問題，而EH4音頻大地電磁測(cè)深法則可以較好的解決上述問題，為水利工程建設(shè)項(xiàng)目提供可靠的資料。

2 EH4大地電磁測(cè)深方法原理與資料解釋

2.1 方法原理[1]

EH4音頻大地電磁測(cè)深法(AMT)屬于一種部分可控源與天然源相結(jié)合的大地電磁測(cè)深系統(tǒng)[2]。地層中深部的信息利用天然天然場(chǎng)源信號(hào)成圖，能接受到的有效頻率范圍在10～105Hz之間，上部地層信息則需要人工場(chǎng)源來補(bǔ)充103～105Hz之間的頻段信號(hào)，由于電磁場(chǎng)的頻率不同，穿透深度也不同，從而可以研究地下不同深度的電性結(jié)構(gòu)[3]。EH4大地電磁測(cè)深法適主要以天然源電磁場(chǎng)為主場(chǎng)源，所以要求測(cè)試區(qū)無人工電磁場(chǎng)的干擾，即遠(yuǎn)離高壓線、地埋線等輸變電線路的影響范圍。EH4大地電磁法穿透性較好，縱向分辨率較高，可以對(duì)一些較小的構(gòu)造，特別是縱向異常明顯的構(gòu)造，能進(jìn)行很好的分辨，但對(duì)高阻體的橫向分布，卻很難去判斷出其分布的邊界范圍[4]。

假設(shè)天然地磁場(chǎng)是以平面波的形式垂直入射地球表面，在地表可以觀測(cè)到相互垂直的電場(chǎng)分量(Ex，Ey)和磁場(chǎng)分量(Hx，Hy)，可以計(jì)算波阻抗和電阻率[5]，其計(jì)算公式為：

(1)

式中f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m；Ex為對(duì)應(yīng)x電極方向電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；Hy為y軸方向?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

地層的分布一般不是均勻的，因此由式(1)計(jì)算出的ρ值并不能代表地層的真是電阻率，故稱為視電阻率值，并由此推測(cè)對(duì)應(yīng)的理論深度為趨膚深度[6]，計(jì)算公式見式(2)：

(2)

式中δ為趨膚深度，m；f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m。

由式(2)可知，電磁波的穿透深度，地層電阻率越大，頻率越小，測(cè)試深度越大。EH4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由發(fā)射機(jī)、前置放大和主機(jī)3部分構(gòu)成；一般發(fā)射機(jī)距主機(jī)之間的距離在135～350 m左右，測(cè)試的過程必須保持二者同時(shí)移動(dòng)，確保接收到有效的補(bǔ)充信號(hào)，野外采集的工作示意圖見圖1。在野外工作時(shí)首先應(yīng)避開高壓線和其他人工電磁場(chǎng)的影響，如果測(cè)試條件避不開，則繼續(xù)調(diào)整增益，確保采集到的電道和磁道信號(hào)不溢出，同時(shí)增加數(shù)據(jù)采集的次數(shù)，其次應(yīng)保證每個(gè)測(cè)點(diǎn)的電極入地至少2/3，磁棒水平且平行對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)方向，如遇大風(fēng)，應(yīng)將磁棒和磁棒線埋入土中，保證采集到數(shù)據(jù)的完整性。

圖1 高頻大地電磁法野外工作布置示意

野外測(cè)試時(shí)，一般以X軸方向?yàn)槠拭娣较?，Y軸則垂直X軸布置，X和Y方向的電極距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果確定，一般以10～20 m為宜。根據(jù)測(cè)試目的選擇合適的點(diǎn)距，采集完成1個(gè)數(shù)據(jù)之后將前置放大器沿X軸方向向前移動(dòng)至下一個(gè)點(diǎn)，直至整條剖面測(cè)試完成。需要注意的是在測(cè)試的過程中需注意天線的前置放大器的距離，應(yīng)始終保持在135～350 m。工作頻率一般7波段(1～92 kHz)疊加16次，主要采集淺部地層信息，1波段(10～1 000 Hz)疊加8次，主要采集中深部地層信息，采集完成后會(huì)生成X、Y、Z3個(gè)方向的文件，應(yīng)該對(duì)每天測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)原始文件進(jìn)行備份[7]。

2.2 資料解釋

EH4數(shù)據(jù)處理采用專業(yè)的軟件進(jìn)行處理，顯示測(cè)試剖面上每個(gè)測(cè)點(diǎn)的視電阻率值，另存為dat文件，最后用suffer成圖(見圖2)。

圖2 高頻大地電磁測(cè)深法資料處理及成果解釋框示意

資料處理分為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)處理和室內(nèi)處理兩種。采集現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)原始質(zhì)量的好壞進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)不合格的數(shù)據(jù)重新采集，室內(nèi)處理第一步是在主機(jī)上進(jìn)行的，主要是對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的MT視電阻率，相關(guān)度曲線、相位并重新處理互助功率譜數(shù)據(jù)[8]，處理的目的是降低干擾，突出有用的信息；第二步是將處理后的數(shù)據(jù)用專用的CF卡拷貝到計(jì)算機(jī)上做進(jìn)一步處理，最后重新成圖。

對(duì)上述處理后保存數(shù)據(jù)的再用專業(yè)的HMT數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行2D處理，過程如下：

1) 處理后的數(shù)據(jù)，用UltraEdit軟件對(duì)@文件中的每個(gè)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)極距和點(diǎn)距進(jìn)行編輯和檢查。

2) 打開@文件，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的相位曲線進(jìn)行處理，盡量保持在45°左右，對(duì)頻率曲線和電阻率去上偏離較大的點(diǎn)進(jìn)行校正或刪除，然后選擇合適的圓滑系數(shù)進(jìn)行2D成圖，輸出保存成DAT格式文件。

3) 最后用SURFER8對(duì)上一步保存的dat文件進(jìn)行處理，盡量選擇較小的行間距成圖，并對(duì)圖件進(jìn)行解釋，最后輸出成JPG格式圖片。

3 工程實(shí)例

3.1 EH4在水電站壩址區(qū)堆積體體勘察中的應(yīng)用

某水電站的壩址區(qū)左岸坡度較緩，存在一定規(guī)模的堆積碎石土層，根據(jù)鉆孔揭露，左岸的覆蓋層(堆積體)主要為崩塌堆積、坡積、河流沖洪積混合堆積層組成，厚度比較大，其電阻率小于6×102Ω·m；下伏巖層為凝灰?guī)r，弱風(fēng)化，其電阻率ρ值在1×102～1×105Ω·m之間。工作區(qū)的覆蓋層和下部的巖體的視電阻率差異明顯，適宜進(jìn)行EH4測(cè)試。

1) 順河方向1#測(cè)試剖面

1#測(cè)試剖面位于河床左岸的堆積體的底部順河布置，剖面長(zhǎng)度275 m，測(cè)試剖面的電阻率范圍在10～6 000 Ω·m，電阻率值呈上部底下部高的趨勢(shì)。覆蓋層的電阻率值相對(duì)較低，在10～600 Ω·m，解釋覆蓋層厚度在25～45 m，平均厚度35 m左右；基巖界面起伏不大，推測(cè)較完整基巖頂板高程在1 150 m左右，測(cè)試剖面未見貫穿的低阻異常帶。剖面樁號(hào)20 m處的鉆孔ZK1揭露基巖埋深39 m，與物探解釋深度一致(見圖3)。

圖3 左岸堆積體1#剖面EH4測(cè)試電阻率斷面示意

2) 垂河方向2#測(cè)試剖面

2#剖面垂河沿堆積體布置，剖面長(zhǎng)度250 m，測(cè)試剖面的電阻率在40～6 000 Ω·m之間，剖面上部(覆蓋層)的電阻率在40～600 Ω·m之間，推測(cè)覆蓋層厚度在15～50 m，最大厚度位于剖面樁號(hào)65～70 m處。下伏基巖在剖面起伏較大，剖面樁號(hào)30～175之間存在一“U”形深槽像底部延伸至基巖頂板高程1 040 m左右，電阻率值在600～1 500 Ω·m之間，推測(cè)巖體完整性差或接觸破碎帶；其他測(cè)試范圍內(nèi)巖體電阻率在1 000～1 500 Ω·m，巖體完整性較好。剖面樁號(hào)150 m處的鉆孔ZK2顯示覆蓋層厚度50 m，孔深140 m以上巖體較破碎，以下巖體完整(見圖4)。

圖4 左岸堆積體2#剖面EH4測(cè)試電阻率斷面示意

3.2 EH4在引水工程洞線勘察中的應(yīng)用

某調(diào)水工程的設(shè)計(jì)洞線高程1 900～1 950 m段經(jīng)物探遙感解譯發(fā)現(xiàn)洞線經(jīng)過處可能存在斷層，為了解斷層的規(guī)模和延伸方向，及對(duì)后期工程建設(shè)的影響，隨后進(jìn)行了EH4測(cè)試工作，確定斷層的延伸是否經(jīng)過設(shè)計(jì)洞線位置。

1) 推測(cè)1#斷層EH4測(cè)試剖面

該測(cè)試剖面沿半山腰從山頂向下測(cè)試，剖面長(zhǎng)度200 m，洞線設(shè)計(jì)高程1 950 m，沿測(cè)線方向地形局部變化，表層全部為覆蓋層。剖面樁號(hào)0～110 m、160～200 m電阻率變化呈淺部低深部高的趨勢(shì)，電阻率值從表層向下連續(xù)變化，大部分在50～2 500 Ω·m之間，推測(cè)設(shè)計(jì)洞線附近基巖較完整。剖面樁號(hào)110～160 m從淺部向深部形成一個(gè)條帶狀的低阻異常，該異常一直延伸到測(cè)試剖面的底部，其電阻率值在200～800 Ω·m，和左右?guī)r體的視電阻率值差異較明顯，綜合考慮推斷該異常為斷層破碎帶，而且異常的埋深直接跨過設(shè)計(jì)洞線的位置，在工程的后期建設(shè)中應(yīng)做好隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作并加強(qiáng)支護(hù)。剖面樁號(hào)150 m處的鉆孔ZK3顯示覆蓋層厚度60 m左右，孔深60 m以上巖體較破碎，且局部含斷層泥(見圖5)。

圖5 1#斷層EH4測(cè)試電阻率斷面示意

2) 推測(cè)2#斷層EH4測(cè)試剖面

該剖面測(cè)試段地形較陡，測(cè)試剖面長(zhǎng)200 m，隧洞設(shè)計(jì)高程在1 910 m，沿剖面方向未發(fā)現(xiàn)明顯出露的巖體，該條剖面的視電阻率值在20～2 450 Ω·m，在整條測(cè)試剖面變化大，呈現(xiàn)出上層電阻率低下層電阻率高的趨勢(shì)，該段洞線附近電阻率值在1 250 Ω·m以上，推測(cè)巖體較完整。剖面樁號(hào)0～30 m、120～200 m段電阻率變化呈中上部低，下部高的形態(tài)，測(cè)試洞線頂部的巖體電阻率較高且變化不大，推測(cè)該段巖體相對(duì)完整，巖體的視電阻率值在1 200～2 450 Ω·m。剖面樁號(hào)30～120 m段自地層淺表部存在一“U”形低阻異常帶延伸至設(shè)計(jì)洞線上方，電阻率值小于1 000 Ω·m，推測(cè)為斷層構(gòu)造或影響帶，巖體較破碎，在后期的工程建設(shè)中應(yīng)特別注意來自洞線頂部的涌水。剖面樁號(hào)100 m處的鉆孔ZK4孔深120 m以上巖體較破碎，以下巖體完整(見圖6)。

圖6 2#斷層EH4測(cè)試電阻率斷面示意

4 結(jié)語(yǔ)

通過EH4測(cè)試在水電站工的勘察和調(diào)水工程勘察中的應(yīng)用，證明該方法在查找覆蓋層厚度和斷層勘查中是有用的，EH4測(cè)試電阻率斷面與后續(xù)鉆孔驗(yàn)證情況和工程開挖所揭示的地質(zhì)情況基本吻合，說明該方法在工程勘察中是一種有效的勘測(cè)系統(tǒng)，值得推廣。同時(shí)EH4音頻大地電磁測(cè)深是一種定性解釋的范疇，必須要有已知資料作為背景值方能在工程勘察中起到應(yīng)有的效果。