音頻大地電磁法探測(cè)管道區(qū)溶洞的應(yīng)用分析

王少一，張永生，葉學(xué)松

（安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011）

1 概述

該工程位于安徽省寧國(guó)市，管道DN1000污水壓力管長(zhǎng)6.18km，管道采用明挖和頂管施工。管道穿越一丘陵坡，巖性為石灰?guī)r，最大埋深為45.60m，樁號(hào)范圍為K10+767-K11+064，勘察中發(fā)現(xiàn)溶洞直徑為0.50～3.80m不等，管道溶洞以空洞為主，充填少量的水及土質(zhì)。由于巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及礦物成分存在差異，巖層與地質(zhì)構(gòu)造的導(dǎo)電性也存在差異，這就給利用物探法探測(cè)工程地質(zhì)條件提供了先決條件。本工程石灰?guī)r中存在溶洞，溶洞充填有水及土質(zhì)與周?chē)規(guī)r介質(zhì)的導(dǎo)電性存在差異，本次利用音頻大地電磁法對(duì)溶洞特征、分布進(jìn)行探測(cè)。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 氣象條件

項(xiàng)目區(qū)屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤(rùn)，四季分明，雨量充沛，梅雨顯著，日照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)。根據(jù)寧國(guó)市氣象局1955-2006年資料：區(qū)內(nèi)無(wú)霜期226天左右；多年平均氣溫15.4℃，極端最高氣溫41.4℃，年極端最低氣溫 -14.5℃。多年平均降水量1589.7mm，最大年降水量為1989.9mm，最小年降水量為1206.2mm，最大日降水量可達(dá)248.7mm，降水量變化一般有一定規(guī)律，總體上由北向南遞增，海拔高度的增高降水量也明顯增加；降水各月分配也不均勻，一般5～8月為豐水期，降水量約占全年的60%～70%，其中6月15日～7月15日為梅雨季節(jié)，這期間，降水量可達(dá)200～360mm，由于經(jīng)常出現(xiàn)暴雨，極易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；一年中的3～4月及9～11月為平水期；12月～翌年2月為枯水期。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

項(xiàng)目區(qū)所處大地構(gòu)造單元屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅲ），下?lián)P子臺(tái)坳（Ⅲ），皖南陷褶斷帶（Ⅲ）。擬建場(chǎng)地未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)斷裂及其他影響工程穩(wěn)定性的地質(zhì)構(gòu)造，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

2.3 地層巖性

本次管道工程勘察查明，在鉆探所達(dá)深度范圍內(nèi)，基巖為奧陶系下統(tǒng)寧國(guó)組（On）青灰色、黃灰色石灰?guī)r。

2.4 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水按賦存特征及水理性質(zhì)，可分為裂隙水和巖溶水兩類(lèi)。裂隙水主要賦存于基巖節(jié)理裂隙之中，巖溶水主要賦存于溶洞中，本次勘察期間鉆孔深度范圍及坡體未見(jiàn)泉水露頭。地下水主要補(bǔ)給來(lái)源于大氣降水及斜坡地表徑流，受季節(jié)及天氣影響大。

3 音頻大地電磁法

3.1 音頻大地電磁法原理

大地電磁法是利用天然電磁場(chǎng)作為場(chǎng)源的一種地球物理方法，實(shí)際上是通過(guò)測(cè)量各種頻率下的地表水平電場(chǎng)分量Ey（或Ex），與正交的水平磁場(chǎng)分量Hx（或Hy）之比，從而達(dá)到了解地下電性結(jié)構(gòu)的目的。音頻大地電磁法(Audio-frequency Magnetotelluries)簡(jiǎn)稱(chēng)為AMT法，是大地電磁（MT）法的一個(gè)分支。測(cè)深的實(shí)質(zhì)是測(cè)量由于太陽(yáng)風(fēng)或太陽(yáng)黑子活動(dòng)及赤道區(qū)的閃電雷擊在地球表面產(chǎn)生的各種頻率的水平電場(chǎng)Ex、Ey和水平磁場(chǎng) Hx、Hy、Hz，然后通過(guò)阻抗與電阻率的關(guān)系計(jì)算視電阻率從而了解地下電性結(jié)構(gòu)。

本次音頻大地電磁法測(cè)量工作使用儀器為德國(guó)Metronix公司生產(chǎn)的多通道大地電磁測(cè)量系統(tǒng)GMS-07e。

技術(shù)特點(diǎn)：①采用天然源方式，即可開(kāi)展頻率范圍0.1kHz～4kHz的天然場(chǎng)源頻率測(cè)深方式；②采用分段時(shí)序采集辦法，分別進(jìn)行高低頻的運(yùn)算，提高了頻點(diǎn)的采集密度（1Hz～4kHz為50個(gè)頻點(diǎn)），從客觀上提高了電磁法的縱向分辨能力。

3.2 音頻大地電磁法數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用利用德國(guó)Metronix公司Mapros 1.54處理軟件和中國(guó)地震局地質(zhì)研究所“大地電磁資料處理與解釋的可視化集成系統(tǒng)Pioneer 4X”。由于測(cè)區(qū)地形高程變化較大，在單點(diǎn)反演的基礎(chǔ)上，在進(jìn)行二維反演時(shí)，進(jìn)行了靜態(tài)地形改正，消除地形變化引起的干擾。

3.3 解譯依據(jù)

地球物理探測(cè)方法的選擇是根據(jù)地層深度及構(gòu)造、破碎帶與圍巖的物性差異而綜合確定的方法技術(shù)。本次要探測(cè)的是沿管道走向帶中溶洞的分布及特征。

根據(jù)常見(jiàn)巖（礦）石電阻率表石灰?guī)r電阻率為60Ω·m～6.0×10Ω·m。

3.4 資料解釋及地質(zhì)推斷

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的瞬變電磁反演如圖1所示，在標(biāo)高32.30～36.00m范圍，發(fā)現(xiàn)一系列的電阻率異常區(qū)，異常區(qū)電阻率為400Ω ·m～700Ω ·m，周?chē)娮杪蕿?00Ω·m～1400Ω·m。通過(guò)微動(dòng)視剖面，推測(cè)的異常區(qū)高度約3.2m，長(zhǎng)度約5.7m。鉆探發(fā)現(xiàn)的溶洞高度為2.4m，基本與大地電磁法探測(cè)結(jié)果一致。

圖1 瞬變電磁反演剖面圖

4 存在差異問(wèn)題解釋

音頻大地電磁法與大地電磁法相比，具有頻率較高，對(duì)淺部的分辨率較高的優(yōu)點(diǎn)，可以為溶洞探測(cè)提供相對(duì)可靠的數(shù)據(jù)參考。經(jīng)過(guò)與鉆探及施工中實(shí)際的分布對(duì)比，該方法可基本有效地區(qū)分出疑似溶洞分布位置。

而存在差異問(wèn)題的主要原因：①測(cè)量中，選擇的采集數(shù)據(jù)方法、參數(shù)選擇等與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件符合度差異，測(cè)量人員的經(jīng)驗(yàn)、解釋過(guò)程等主觀性對(duì)結(jié)果都有或多或少的影響；②工程區(qū)內(nèi)地形高差變化較大，測(cè)線沿管道走向布置，沿線的高壓電線、水文地質(zhì)條件變化等對(duì)采集過(guò)程造成不同程度的影響。對(duì)成果解譯應(yīng)在廣泛收集地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，最大程度地排除干擾；③音頻大地電磁法是基于巖土體電性差異進(jìn)行的異常解譯，而引起巖土體電性差異的因素是多方面的，這就造成了成果的多解性。這就要求物探要與鉆探方法相結(jié)合，取兩種勘探方法的優(yōu)點(diǎn)從點(diǎn)到面對(duì)工程巖土體進(jìn)行勘探，以達(dá)到查明工程地質(zhì)條件的目的，更好地為工程服務(wù)。

圖2 微動(dòng)視Vs剖面圖

5 結(jié)論

音頻大地電磁法具有頻率較高，對(duì)淺部的分辨率較高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)溶洞分布位置及大小特征的探測(cè)是相對(duì)可靠的。本次對(duì)管道工程的溶洞探測(cè)也有局限性，由于場(chǎng)地地形高差較大，而探測(cè)目標(biāo)又是埋藏較深的管道區(qū)，溶洞的大小相對(duì)于地形高差來(lái)說(shuō)，目標(biāo)較小，造成一部分較小的溶洞異常區(qū)不明顯，解譯結(jié)果也沒(méi)有顯示。物探要與鉆探等其他方法相結(jié)合，集多種勘探方法的優(yōu)點(diǎn)從點(diǎn)到面對(duì)工程巖土體進(jìn)行勘探，以達(dá)到查明工程地質(zhì)條件的目的，更好地為工程服務(wù)。