EH- 4在巴基斯坦SK水電站前期勘察中的應(yīng)用分析

王 杰，王志豪，何燦高

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

隨著“一帶一路”倡議的實施，“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”建設(shè)作為一帶一路上的先行先試項目，對推動中巴全天候戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系有著重要、積極的作用。當(dāng)前巴基斯坦國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，電力資源尤其緊張，電力供應(yīng)短缺是制約巴經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的最重要因素之一，而巴國內(nèi)待開發(fā)的水電資源在4000萬kW以上[1]，發(fā)展水利發(fā)電項目是大勢所趨。在此背景下SK水電站項目應(yīng)運而生，然而前期英國、法國咨詢公司對該項目勘察認(rèn)識不足，如壩址區(qū)的少量鉆孔未確定是否揭露基巖，引水隧洞沿線幾乎沒有勘察資料，廠房部位僅進(jìn)行了少量淺部(小于100m)勘察，難以滿足工程設(shè)計及施工要求，而勘察區(qū)地質(zhì)情況十分復(fù)雜，地震活動頻發(fā)，重型勘探受現(xiàn)場地形地貌、交通不便等嚴(yán)重制約，另外，需兼顧工期、成本等因素，深部勘探難度與風(fēng)險極大，因此需要一種中深部勘探手段，快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確地達(dá)到勘察目的，實踐證明應(yīng)用EH- 4電磁測深法不失為一種合理、科學(xué)的選擇。

1 工程概況

SK水電站工程是“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”優(yōu)先實施的重點項目之一，位于巴基斯坦西北邊境省(NWFP)東部的Kunhar河上，為隧洞引水式電站。首部工程包括瀝青混凝土面板壩(河床以上高度為54.5m，壩頂高程為2241.50m，壩頂長325m)、溢洪道、電站取水口和沉砂池；引水隧洞為單洞，長約19.4km，洞徑為6m，引水流量為114.6m3/s；電站廠房系統(tǒng)位于Kunhar河右岸，包括調(diào)壓井、壓力豎井、壓力鋼管、地下廠房、尾水洞、交通洞和電纜洞等，安裝4臺單機(jī)容量為221MW的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為884MW，年發(fā)電量為32.21億kW·h，占巴基斯坦水電發(fā)電量的7.5%，建成后將解決巴基斯坦國內(nèi)五分之一的電力缺口。

由于前期國外公司勘探深度較淺，地質(zhì)效果并不佳，而原標(biāo)書方案中的引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、電站廠房和尾水洞的位置幾乎沒有進(jìn)行勘察，據(jù)原有隧洞剖面圖，地下廠房埋深約為880m，其部位為Mahandri組石英巖夾大理巖，尾水隧洞長約4.4km，其中埋深大于600m的洞段長約1.8km，地下廠房埋深處地質(zhì)風(fēng)險較高，加上山高路險、交通不便，施工難度極大，該工程的建設(shè)存在諸多不確定及制約因素。

2 EH- 4方法原理及技術(shù)

2.1 方法原理

當(dāng)天然交變電磁場入射大地，在地下以波的形式傳播時，由于電磁感應(yīng)的作用，地面電磁場的觀測值會包含地下介質(zhì)的電阻率分布信息。而由于不同頻率的電磁場信號具有不同穿透深度，因此通過大地電磁測深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[2]。

EH- 4電磁測深法正是基于平面波卡尼亞電阻率的混場源大地電磁法，遵循大地電磁測深的基本原理，即以麥克斯韋方程組完整統(tǒng)一的電磁場理論為基礎(chǔ)，但其從MT法中的矢量測量簡化為張量測量，放棄了Hz測量，使方法從“EH- 5”簡化為“EH- 4”，同時舍棄了笨重的電偶極源，改為輕便的磁偶極源[3]。

2.2 方法技術(shù)及特點

EH- 4是電導(dǎo)率張量測量儀，如圖1所示，使用反饋式高靈敏度低噪音磁棒和特制的電極，分別接收X、Y兩個方向的磁場和電場的時間序列信號，由18位高分辨率多通道全功能數(shù)據(jù)采集、處理一體機(jī)完成所有的數(shù)據(jù)合成。由式(1)、式(2)即可求得XY、YX兩個方向上的視電阻率。同時，測量相互正交的電場分量和磁場分量，并以此計算得到隨頻率變化的視電阻率和相位[4]。

(1)

(2)

式中，ρs—視電阻率；Ex，Hx—平行地面的X軸方向上電場、磁場振幅；Ey，Hy—平行地面的Y軸方向上電場、磁場振幅；T—大地電磁場的周期。在均勻介質(zhì)中ρs為真電阻率，在非均勻介質(zhì)中ρs為視電阻率。測出某一頻率的電場和磁場正交水平分量的振幅，就能計算出該頻率的視電阻率。

儀器設(shè)備輕便，觀測時間較短，完成一個1000m的測深點大約需要20min，可方便密集地連續(xù)測深，實現(xiàn)EMAP連續(xù)觀測。

該系統(tǒng)野外數(shù)據(jù)精度較高，工作頻率在10～92000Hz之間，在該頻段可有40個頻點描述從淺至深的電性變化。有效勘探深度最小為10～20m，最大可達(dá)800～1000m。

采集數(shù)據(jù)可以實時顯示和處理，圖像直觀，資料處理解譯方便、快捷。

3 工程地質(zhì)問題分析研究

3.1 壩址河床深厚覆蓋層

3.1.1問題背景

壩址河谷形態(tài)為不對稱“U”形河谷，谷底寬200～250m，根據(jù)前期少量勘探資料，壩址區(qū)河床可能存在深厚覆蓋層問題，左岸岸坡大部分基巖裸露，岸坡陡立；右岸坡度較左岸略緩，整體一般為45°～50°，因場地峽窄，常規(guī)高密度電法等方法難以布設(shè)探深所需的測線長度。

為查明壩址區(qū)覆蓋層厚度及基巖頂板起伏形態(tài)，指導(dǎo)本期壩址勘探鉆孔工作布置，先期沿壩軸線布置物探工作，利用EH- 4快速、輕便、現(xiàn)場布設(shè)靈活、探測深度大的特點[5]，根據(jù)前期部分鉆探資料，綜合分析覆蓋層深度。

3.1.2物探成果

圖2為沿壩軸線EH- 4測線反演地電斷面，由圖2可知，樁號160m之前垂向可分為兩部分，淺部電阻率較低、深部電阻率逐漸升高，結(jié)合鉆孔BH- 02(水平樁號45m附近，基巖埋深約為50m)、BH- 03(水平樁號120m附近，基巖埋深不小于92m)，推測低阻層為覆蓋層的反映，深部相對高阻為基巖的反映，剖面內(nèi)基巖埋深不一、基巖面起伏較大，河床部位覆蓋層與基巖一般以電阻率200Ω·m等值線為界，覆蓋層底面埋深為35～130m，基巖面高程為2068～2160m；右岸坡腳以上覆蓋層厚度一般為4～35m，基巖面高程為2160～2255m，局部少量基巖出露，樁號160m之后，在靠近右壩肩區(qū)域發(fā)現(xiàn)一低阻異常帶(圖3)，在壩趾線及壩踵線EH- 4剖面亦有反映，推測為斷層及其影響帶的反映。

圖3 EH- 4探測低阻異常帶空間分布示意圖

3.1.3效果分析

根據(jù)初期推測的基巖面起伏形態(tài)(圖4)，在河床壩軸線部位布置鉆孔ZKB2(水平樁號90m)及ZKB3(水平樁號140m)，鉆孔實際揭露覆蓋層厚度分別為112m和72m，物探先前推測厚度分別為110m和65m，深度相對誤差分別為2%和9%，可滿足設(shè)計要求，項目開工后在防滲墻施工當(dāng)中，實際揭露基巖埋深與設(shè)計剖面基本一致，此外EH- 4探測所發(fā)現(xiàn)的右岸低阻異常帶后經(jīng)鉆探驗證確實存在斷層破碎帶及影響帶，此破碎帶從上游至下游方向影響范圍逐漸減小直至尖滅，后期設(shè)計人員依據(jù)勘探成果綜合統(tǒng)籌，變更、優(yōu)化了部分設(shè)計方案。

圖4 壩軸線物探解釋成果

勘察期結(jié)合其他物探測線成果及鉆孔資料，完成壩址區(qū)附近覆蓋層等厚度圖(圖5)，較直觀、立體、全面地反映了壩址區(qū)覆蓋層厚度變化情況及基巖頂板起伏形態(tài)，也印證了此處受冰川及構(gòu)造作用，河床有可能發(fā)育深槽的地質(zhì)認(rèn)識。

圖5 壩址覆蓋層等厚度圖(單位：m)

3.2 引水隧洞沿線區(qū)域斷層

3.2.1問題背景

引水隧洞沿線斷裂構(gòu)造發(fā)育，其中Khannian(F12)斷層為區(qū)域性斷層，依據(jù)地質(zhì)測繪及遙感解譯成果，推測隧洞樁號HT15+640～HT16+200附近發(fā)育有F12逆沖斷裂帶，該斷裂帶以近60°夾角斜穿隧洞洞線。因該斷裂帶在隧洞部位為高山山脊，無法抵達(dá)并進(jìn)行相關(guān)探測，勘察期間在其東側(cè)約2.2km露頭處布置地質(zhì)測繪及EH- 4剖面，以期了解其空間展布、規(guī)模及性狀。

3.2.2物探成果

圖6為EH- 4探測反演地電斷面，最大探測深度為600m，剖面范圍內(nèi)電阻率為1～6000Ω·m；沿測線大致以樁號0、420m部位的電阻率線性梯度帶或帶狀低阻異常為界限橫向，可分為三個電性單元：第一電性單元，測深曲線類型主要為“G”型；表層電阻率一般小于100Ω·m，厚度為10～30m，推測為覆蓋層；在高程1700m之下，整體表現(xiàn)為中高阻，且電阻率變化不大，一般為400～800Ω·m，等值線基本呈層狀或者團(tuán)塊狀，推測為較完整基巖的反映。第二電性單元，測深曲線類型多為單層、“A”形及“K”形曲線；電阻率等值線斷面中有多條垂向低阻帶狀異常、等值線扭曲局部陡立，高阻及次高阻閉合異常橫向串狀密集分布，推斷為斷層及其影響帶的反映，且?guī)?nèi)有次生或伴生小斷層發(fā)育，另外樁號330～420m之間的垂向帶狀低阻體規(guī)模較大，測深范圍內(nèi)未見底界，電阻率極低，推測此區(qū)間受構(gòu)造作用強烈，巖體破碎且富水，樁號360m附近為斷層中心位置。第三電性單元，測深曲線主要為“K”形及單層曲線；表層電阻率一般小于200Ω·m，厚度為10～30m，推測為覆蓋層；高程1650m以下的電阻率為500～6000Ω·m，等值線規(guī)整，推斷為較完整—完整基巖的反映。

圖6 F12斷層EH- 4探測反演地電斷面

綜上所述，此測線反演電阻率等值斷面上存在一個規(guī)模較大垂向條帶狀低阻區(qū)域，推斷為斷層F12的反映，斷層及其影響帶范圍約為420m，視傾向為NW、視傾角為80°～90°。

3.2.3效果分析

通過地表地質(zhì)測繪，發(fā)現(xiàn)該斷裂帶由一系列斷層組成，整體由N向S逆沖擠壓特征明顯，地貌上表現(xiàn)為河流突然轉(zhuǎn)向，斷層破碎帶內(nèi)巖體以碎塊巖為主，可見燒蝕現(xiàn)象，多有灰黑色炭質(zhì)條帶分布，單條帶寬為2～10m，揉皺嚴(yán)重。破碎帶邊界處巖體多炭化、泥化和糜棱巖化，充填寬2～5cm的石英條帶。下盤靠近主斷層面附近內(nèi)巖體整體呈揉皺彎曲狀，為灰黑色炭質(zhì)片巖。

該斷層上盤為Kaghan組地層，巖性以大理巖為主，夾有石膏；下盤為Mahadri組地層，巖性以大理巖為主，夾石英巖及石膏。EH- 4測線揭示高程1580m以下的斷層內(nèi)巖體更加破碎且富水，佐證了大理巖為含水巖組及石膏的透水性。EH- 4探測成果所揭示的斷層位置、富水情況及產(chǎn)狀與地質(zhì)調(diào)繪、遙感資料一致。

3.3 隧洞過溝淺埋段地層結(jié)構(gòu)

3.3.1問題背景

引水隧洞穿越多個沖溝段，根據(jù)地質(zhì)測繪資料，沖溝段內(nèi)表層物質(zhì)組成、成因不盡相同，包括沖積物、洪積物、坡積物、冰積物等，推測基巖埋深情況差異可能較大，且部分沖溝隧洞所在位置場地峽窄、交通不便，步行需要3～4h才能到達(dá)，也不適宜大量開展重型勘探，因此利用EH- 4對其進(jìn)行探測，以期了解、查明隧洞穿溝段的覆蓋層厚度及構(gòu)造情況。

3.3.2物探成果

如圖8所示，剖面內(nèi)探測深度為500m，電阻率范圍值為1～3400Ω·m，垂向遞增，測深曲線類型多為“A”形；橫向上電阻率等值線形態(tài)總體較平緩。

根據(jù)電阻率及其等值線分布形態(tài)推測：淺部低阻為覆蓋層的反映，深部高阻為基巖的反映；結(jié)合工區(qū)類似地層結(jié)構(gòu)的勘探，EH- 4探測剖面中200Ω·m等值線與鉆孔揭露基—覆界限有著較好的對應(yīng)關(guān)系，推斷覆蓋層電阻率一般小于200Ω·m，厚度為20～50m，向溝口有逐漸變厚趨勢，成分為碎石土層，基巖電阻率一般大于200Ω·m，基巖面高程為2140～2220m。另外，水平樁號300～400m、高程2050～2200m間的電阻率等值線形態(tài)扭曲且變化梯度較大，呈低阻漏斗狀，推測此區(qū)間有一處視傾向SE斷層發(fā)育，視傾角約70°，切割深度約150m。

圖7 沖溝EH- 4探測反演地電斷面

推測引水隧洞所在位置的覆蓋層厚度為24m，基巖面高程為2195m，受斷層F1影響，隧洞圍巖可能較破碎。

3.3.3效果分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪，揭示覆蓋層主要為沖洪積砂卵礫石和崩坡積碎石、塊石土。其中，砂卵礫石表層為松散狀，卵、礫石含量約占80%，母巖主要為變質(zhì)花崗巖、石英巖和石英云母片巖等，崩坡積碎石、塊石土為松散—稍密狀，母巖主要為石英云母片巖。沖溝兩側(cè)高邊坡有多處基巖裸露，巖性為石英云母片巖，以弱風(fēng)化為主，有小規(guī)模的崩塌。

后期根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪以及EH- 4探測成果，將原設(shè)計隧洞線路向溝內(nèi)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，新方案補充了勘探中鉆孔揭露覆蓋層僅12m，與按EH- 4成果推測的覆蓋層厚度相近。依據(jù)EH- 4探測成果對工程進(jìn)行適時動態(tài)設(shè)計，降低了施工風(fēng)險。

3.4 地下廠房選址

3.4.1問題背景

依據(jù)原有廠房推薦設(shè)計方案，地下廠房埋深約為850m，尾水隧洞、GIL洞、交通洞亦較長，成洞條件一般，調(diào)壓井、開關(guān)站等也布置于深山之中，現(xiàn)場施工難度極大，嚴(yán)重制約了工期，考慮到廠址區(qū)構(gòu)造發(fā)育，存在兩條區(qū)域性斷層，兩斷層相距較近，地層結(jié)構(gòu)及巖性復(fù)雜，破碎帶、剪切帶、節(jié)理密集帶、蝕變帶、接觸帶發(fā)育，廠房施工地質(zhì)風(fēng)險較高，因此廠房有外移選址的切實需求。

3.4.2物探成果

圖8為原廠房及尾水隧洞段EH- 4測線的反演斷面圖，依據(jù)電阻率值的高低、等值線形態(tài)、梯度變化規(guī)律及地表測繪資料，綜合分析判斷斷層及其影響帶的空間展布及性狀等，為避開疑似斷層的低阻區(qū)域，推測測線水平樁號在880～1040m之間，巖體質(zhì)量較好，埋深約為400m的位置滿足水頭需求，且尾水洞、GIL洞等設(shè)計較短，方便設(shè)計布置，綜合設(shè)計施工方案將推薦廠房布置于此(圖中實線為圈定區(qū)域)。

圖8 場址區(qū)EH- 4探測反演地電斷面圖

3.4.3效果分析

為進(jìn)一步復(fù)核、驗證這一廠房布置方案的可靠性以及提供廠房所需的設(shè)計參數(shù)，在新方案廠房南、北角布置勘探鉆孔，鉆孔揭露新廠房位置的巖性主要為變質(zhì)玄武巖和變質(zhì)含礫石英砂巖等，巖體完整—較完整，滿足設(shè)計要求。目前廠房已經(jīng)分層開挖，實際開挖圍巖情況較好，與探測成果吻合。

4 結(jié)語

綜上所述，EH- 4電磁測深法作為SK水電站工程前期地質(zhì)勘察的主要手段之一，充分發(fā)揮了其快速、輕便、現(xiàn)場布設(shè)靈活、探測深度大的特點，在壩址區(qū)深厚覆蓋層探測、隧洞沿線斷層勘察、隧洞過溝淺埋段地層結(jié)構(gòu)探測、地下廠房選址勘察中的應(yīng)用，為前期指導(dǎo)鉆探布置、縮短勘察周期、降低勘察費用、解決地質(zhì)問題、調(diào)整設(shè)計方案等方面均起到了重要、積極的作用，當(dāng)條件具備時與其他物探方法、勘探手段相結(jié)合進(jìn)行綜合分析，可取得更加準(zhǔn)確、可靠的成果。EH- 4在本工程中應(yīng)用的成功經(jīng)驗值得“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”建設(shè)及其他類似工程參考、借鑒。