試論電磁勘探方法在水利工程中的應(yīng)用

劉洪鋮 殷成 張國(guó)強(qiáng)

吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 吉林 長(zhǎng)春 130012

改革開放以來(lái)，我國(guó)水利工程項(xiàng)目發(fā)展迅速。為了保障水利工程經(jīng)濟(jì)高效和保證水利施工安全，水工建筑物的安全等，水利工程勘察中遇到的斷層、破碎帶、巖溶區(qū)和采空塌陷區(qū)等問(wèn)題，了解斷層的產(chǎn)狀、破碎帶的規(guī)模、巖溶區(qū)埋藏條件和采空塌陷區(qū)的范圍，為水利設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是迫切需要的。為處理以上水利工程中的勘察問(wèn)題，電磁勘探方法取得了較為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，在地?zé)嵩吹目辈?、自然?zāi)害調(diào)查等方面起著重要作用。本文對(duì)電磁勘探技術(shù)在水利工程之中應(yīng)用的一些實(shí)例進(jìn)行具體的分析。

一、我國(guó)水利工程電磁勘探技術(shù)的現(xiàn)狀

我國(guó)水利工程壩址，地下泵站的選址以及隧洞工程的選線，工程區(qū)跨復(fù)雜地質(zhì)單元等等自然條件總體來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，那么就要求運(yùn)用現(xiàn)有的物探技術(shù)手段將水利工程中遇到的上述地質(zhì)問(wèn)題在工程中及時(shí)得到解決。電磁勘探技術(shù)是現(xiàn)有的有效的一種物探技術(shù)手段。該方法是分析存在的物性差異，采納地球物理?xiàng)l件、地質(zhì)以及邊界特征等等，可以獲得較好的測(cè)試結(jié)果。通過(guò)不同物探方法綜合分析，完善成果，提高解譯精度和分析質(zhì)量，最終滿足水利工程勘察的需要。

二、電磁勘探技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

1 、地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)是經(jīng)過(guò)地面天線T發(fā)射，經(jīng)地下地質(zhì)體的反射，由地面上的另一個(gè)天線R接收，根據(jù)接收到的回波，來(lái)判斷地下地質(zhì)體的位置、結(jié)構(gòu)、電性參數(shù)等信息（圖1）。脈沖波旅行時(shí)間為[1]

當(dāng)已知介質(zhì)的波速，和測(cè)得的旅行時(shí)間t，可得到反射界面的深度。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

地質(zhì)雷達(dá)常用的測(cè)試方法有剖面測(cè)量法和寬角測(cè)量法。工程上常采用剖面測(cè)量法，收、發(fā)天線以工作需要設(shè)定的間距同時(shí)沿著測(cè)線方向移動(dòng)即可。地質(zhì)雷達(dá)具有探測(cè)周期短，精度高，無(wú)損檢測(cè)等特點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用。在水利工程中，水的介電常數(shù)較穩(wěn)定，可以根據(jù)介電常數(shù)的差異性實(shí)現(xiàn)勘察目的。如在庫(kù)壩滲漏的檢測(cè)，可以分析出滲漏位置范圍、幾何形態(tài)等[2]；在工程的勘察中，區(qū)分地下地質(zhì)體的界面以及深度，探測(cè)出裂隙、斷層等不利于水利工程的地質(zhì)構(gòu)造；在輸水隧洞襯砌檢測(cè)、地下硐室圍巖檢測(cè)等領(lǐng)域[3]，也發(fā)揮了重要作用。

2 、瞬變電磁

瞬變電磁法是時(shí)間域內(nèi)的一種以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電磁法。瞬變電磁法發(fā)射脈沖的激勵(lì)場(chǎng)，地下導(dǎo)電介質(zhì)在產(chǎn)生二次感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流強(qiáng)度隨著時(shí)間變化，里面包含了地下導(dǎo)電體豐富的地質(zhì)信息，通過(guò)對(duì)接收到的感應(yīng)渦流場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)的處理與解譯，達(dá)到對(duì)地下地質(zhì)體的了解[4]。瞬變電磁法的勘探深度同發(fā)射磁矩、地層電阻率有關(guān)，地層電阻率和發(fā)射磁矩越大，勘探深度越大[5]；瞬變電磁法的勘探精度同接收線框的大小、測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)距有關(guān)，線框大、平均作用大，精度較差，測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)距大，也會(huì)影響精度[6]；TEM的磁力線垂直于線框的平面，因此，受到線框外異常體的影響較小。

在某水利工程中，瞬變電磁法常用來(lái)進(jìn)行滲漏檢測(cè) 、地下水資源勘查、巖溶勘察等[7]。在圖2中，展示了瞬變電磁法在防滲墻滲漏檢測(cè)的勘探成果。根據(jù)探測(cè)目的體的埋深，采用小回線裝置。從電阻率剖面圖上可以看出，該剖面電阻率從上到下呈遞增電性特征，0-25m，視電阻率大小相對(duì)較低，結(jié)合庫(kù)區(qū)地質(zhì)資料，表層25m推測(cè)為全新統(tǒng)地層（粘性土含少量碎塊石和人工填土），25m以下為防滲墻范圍，這與施工資料基本吻合。深度25-45m，剖面存在部分低阻異常地段，初步推斷為防滲墻滲漏區(qū)域，滲漏區(qū)位置與施工和鉆孔驗(yàn)證資料基本吻合。

圖2 瞬變電磁法勘探成果

3 、激發(fā)極化

激發(fā)極化法是應(yīng)用激電效應(yīng)，地下地質(zhì)體在充、放電過(guò)程下，會(huì)發(fā)生隨著時(shí)間緩慢變化，產(chǎn)生附加的電場(chǎng)現(xiàn)象，根據(jù)不同地質(zhì)體充放電過(guò)程的差異作為基礎(chǔ)，研究關(guān)于大地的激電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)地下地質(zhì)體情況的分支電法。該方法因不同的地質(zhì)體所產(chǎn)生的充放電過(guò)程的時(shí)間和頻率差異，可分為時(shí)間域、頻率域來(lái)研究。時(shí)間域激電法是研究地質(zhì)體在直流脈沖或者穩(wěn)定電流的激發(fā)作用下，地下地質(zhì)體的電場(chǎng)隨時(shí)間變化的激電效應(yīng)；頻率域激電法通過(guò)變換交流電交變電流的頻率，觀測(cè)地下地質(zhì)體在交變電流頻率變化下產(chǎn)生的激電效應(yīng)。其常用的裝置類型有中間梯度裝置、聯(lián)合剖面裝置、近場(chǎng)源裝置、對(duì)稱四極測(cè)深裝置、偶極裝置等[8]。

在水利工程中，激發(fā)極化法更多的是用來(lái)找水。早在十九世紀(jì)末，國(guó)外就已經(jīng)展開了含水巖石激發(fā)極化效應(yīng)的研討工作，并一直應(yīng)用在地下水勘查工作中[9]。激發(fā)極化法主要研究地下介質(zhì)的二次場(chǎng)衰減速度和二次場(chǎng)強(qiáng)度，參照激發(fā)極化效應(yīng)的參數(shù)有很多，反映含水異常的參數(shù)主要有：極化率、半衰時(shí)、激發(fā)比、電阻率、充電率等。通過(guò)測(cè)得的含水異常再結(jié)合地質(zhì)勘查資料分析，就可以準(zhǔn)確的判斷地下含水層[10]。

4 、大地電磁（EH4、EM3D）

大地電磁法是應(yīng)用宇宙中的雷電、太陽(yáng)磁暴輻射到地球上的天然電磁場(chǎng)作為信號(hào)探測(cè)源。還可選用發(fā)射機(jī)補(bǔ)充死頻帶等信號(hào)弱的頻段，進(jìn)行混合場(chǎng)源電磁法勘探。電磁系統(tǒng)能夠接收10Hz到100KHz（EH4）和0.1Hz到20KHz（EM3D）的寬頻范圍信號(hào)。大地電磁可以應(yīng)用于礦產(chǎn)勘察、地?zé)豳Y源勘察、地下水、巖溶等的分析研究、采空影響區(qū)、工程地質(zhì)調(diào)查和環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)等[11-13]。

大地電磁波的趨膚深度或穿透深度與頻率的高低相關(guān)，可用（2）式計(jì)算其深度[14]。

式中δ的單位是m，ρ的單位是Ω·m，f的單位是Hz。

依據(jù)亥姆霍茲方程和電磁波傳播理論，運(yùn)用相關(guān)軟件能夠處理完成所有的數(shù)據(jù)與合成。

在某水利工程中，利用EH-4和EM3D用來(lái)進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造等勘察。在圖3中，展示了EH-4法在構(gòu)造方面的勘探成果。在圖4中，展示了EM3D法的具體勘探成果。

圖3 EH-4某水利工程隧洞勘探剖面圖

從電阻率剖面圖上可以看出，存在3處局部低阻異常，物探解譯推測(cè)為構(gòu)造異常帶，現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和鉆探情況與實(shí)際基本一致。

圖4 EM3D某水利工程隧洞勘探剖面圖

從電阻率剖面圖上可以看出，存在2處局部低阻異常，物探解譯推測(cè)為構(gòu)造異常帶和巖性接觸帶，現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和鉆探情況與實(shí)際基本吻合。

三、結(jié)束語(yǔ)

（1）近些年，我國(guó)各種水利工程建設(shè)的多樣化和復(fù)雜化開展,電磁探測(cè)方法與其它工程物理方法一樣，得到更為廣泛的實(shí)踐應(yīng)用并在實(shí)踐中不斷完善成熟。

（2）該類方法的視電阻率剖面等等值圖能直觀、形象地反映出地質(zhì)體的電性隨深度變化的分布形態(tài)及范圍變化的結(jié)構(gòu)特征；當(dāng)圍巖與探測(cè)地質(zhì)體存在明顯的電阻抗差異，干擾小，收集的數(shù)字信息通過(guò)定性與定量解釋，合理結(jié)合地質(zhì)和鉆探資料，可從中尋找規(guī)律，綜合對(duì)比分析取得令人滿意的勘察效果。適用于壩址場(chǎng)地選址、水工建筑、隧洞工程等水利工程勘探等重要領(lǐng)域。

（3）電磁探測(cè)方法的儀器設(shè)備雖然日趁成熟，且向三維邁進(jìn)，但還存在諸多問(wèn)題而有待提高改進(jìn)。充分考慮地下水和周邊環(huán)境等邊界條件的影響和合理的采用儀器觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)是電磁類探測(cè)法能否取得成功應(yīng)用關(guān)鍵。