可控源音頻大地電磁測深法在病險水庫壩區(qū)勘探中的應(yīng)用

◇四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 閆 勝 鄒 立 紀(jì)丁愈

根據(jù)勘探深度和精度要求選擇適用的地面物探方法，可大大節(jié)約勘探成本和時間，減少勘探難度，提高勘探精度。以建于20世紀(jì)50年代的某病險水庫為例，探討CSAMT法即可控源音頻大地電磁測深法在病險水庫壩區(qū)勘探中的應(yīng)用。結(jié)合工程區(qū)工程地質(zhì)條件和物探地質(zhì)條件，分析CSAMT法在病險水庫壩區(qū)勘探應(yīng)用的有利及不利條件。CSAMT法能夠有效探測病險水庫壩體中的洞穴、裂縫、松軟層和滲漏通道等潛在隱患的規(guī)模、位置和埋深，使用物探結(jié)果配合相應(yīng)地質(zhì)工作，能夠為壩區(qū)除險加固整治提供地質(zhì)依據(jù)。

1 引言

電法勘探是物探工作最常用的手段，其中大地電磁測深法是利用人工電磁場與天然電磁場相互結(jié)合的方式測量目標(biāo)區(qū)域視電阻率ρ，得到深度h-視電阻率ρ等值線圖，以此判定成果對地質(zhì)條件進行綜合解釋。該類方法基于大地低通濾波效應(yīng)，利用高頻電磁波穿透深度小和低頻成分穿透深度相對大的特性，通過在地面設(shè)觀測點，觀測頻率范圍為10Hz～2000Hz大地電磁脈動信號。將接收到的數(shù)據(jù)信號進行處理和分析后，可得到反映該測線不同深度電性分布的視電阻率曲線，進而做出地質(zhì)解釋。大地電磁測深法在工程中廣泛用于洞穴、油氣、地?zé)岬鹊目碧??？煽卦匆纛l大地電磁測深法（CSAMT）使用人工場源，測量卡尼亞電阻率，改變頻率進行測深，其物性前提是地質(zhì)體具有導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異。CSAMT法對于水庫壩體隱患探測通常具有較高的分辨率，有效勘探深度2米以上，為探測壩體中隱患的位置和規(guī)模提供了可能。

2 工作區(qū)基本條件概況

2.1 工程概況

該水庫于20世紀(jì)50年代修建而成，壩體類型為土石重力壩，水庫興建之初的主要任務(wù)是農(nóng)田灌溉，運行至今已是一座以灌溉為主并結(jié)合防洪的小（2）型水庫。該水庫屬Ⅴ等，主要永久建筑物為5級，總庫容77.30萬m3。大壩壩體為均質(zhì)土壩，壩頂高程795.3m，最大壩高17.7m，壩頂寬2.8m，長76m。大壩上游為混凝土預(yù)制塊護坡，坡比自上而下依次為1:2.0、1:2.1；下游天然草皮護坡，壩坡從上至下坡比為1:2.4、1:3.4；壩腳排水棱體高6.4m。物探工作開展前，壩體頂部近左岸及壩體下游壩坡已出現(xiàn)塌陷、局部滲漏等問題，影響水庫及壩體安全。

2.2 工程地質(zhì)概況

工作區(qū)為溶蝕型中低山溝谷地貌，為近似對稱的“U”形谷，溝谷走向南西，兩岸植被較發(fā)育，兩岸斜坡坡度20°～35°之間，局部為人工開挖形成的陡坎。壩下游溝谷底部地面高程776.9m，壩頂高程795.20m，兩岸山頂高程817.5m，溝谷與山頂高差40.6m。第四紀(jì)覆蓋層（Q4）為黃褐色粘性土，硬塑-可塑狀，厚度0～4m，零星分布于溝谷及地勢低洼處?；鶐r為寒武系中統(tǒng)花橋組（∈2h）灰色、薄～中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰?guī)r。地下水類型主要為巖溶裂隙水，降水補給，水庫所在溝谷為排泄基準(zhǔn)面，局部見泉點出露。工程區(qū)位于向斜東翼近軸部，巖層產(chǎn)狀為276°∠11°，工程區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好。

2.3 物探地質(zhì)條件

基于以上工程概況和工程地質(zhì)條件，采用可控源音頻大地電磁測深法在該水庫壩體工作的有利條件主要體現(xiàn)在以下幾個方面：探測期間，工作區(qū)巖土處于濕潤與稍濕狀態(tài)，導(dǎo)電性較好。壩體土中水體與覆蓋層、巖體存在較大電性差異。土層與下覆基巖電阻率值相差1～2個級次，覆蓋層為低阻，下覆基巖為高阻。對于土洞、裂縫等空腔結(jié)構(gòu)，未充水時為高阻，充水時為低阻。對于滲漏通道，若充水時為低阻，圍巖顯示為高阻；若無充填物，阻值按空氣計，滲漏通道為高阻，圍巖為低阻。此外，工作區(qū)上方無高壓電線，無用電設(shè)施，場區(qū)內(nèi)電磁噪聲比較平靜，不利干擾較小。采用可控源音頻大地電磁測深法在該水庫壩體工作的不利條件主要有：工作區(qū)壩肩兩岸為斜坡，地形轉(zhuǎn)折起伏較大、覆蓋層分布不均勻等干擾因素破壞了電場的均勻性，工作難度相對較高。左壩肩有瀝青混凝土公路穿過，車流量較大，對電極棒布設(shè)有一定影響。

2.4 場區(qū)巖土物性特征

根據(jù)場區(qū)巖土特征及現(xiàn)場測試統(tǒng)計，場地巖土物性參數(shù)見表1。

表1 場區(qū)巖土物性參數(shù)

3 工作方法與技術(shù)

3.1 工作原理概述

本次工作是在大地電磁測深法、MT、AMT、頻率測深法、自然電場法等電法勘探理論的基礎(chǔ)上，利用天然電場探測地質(zhì)巖土體及其構(gòu)造不同產(chǎn)生的電阻率變化等來判斷、分析地質(zhì)異常體。利用相應(yīng)電腦軟件對大量探測數(shù)據(jù)進行分析處理及成圖，結(jié)合地質(zhì)理論、地質(zhì)條件等綜合分析，通過定性與半定量的成果解釋，反映地下電阻異常體的走向、埋深、厚（寬）度等相關(guān)信息。

3.2 儀器設(shè)備與工作參數(shù)

儀器設(shè)備：采用ADMT-6型全自動大地音頻電場物探儀。由主機、兩根測量電極、一根電極線等組成。主機由內(nèi)置電池供電，采用高性能AD采樣、FFT數(shù)字濾波技術(shù)收存數(shù)據(jù)；測量電極為銅電極；電極線為單線銅芯屏蔽電纜，電極線接頭為專用旋鈕插頭。

圖1 ADMT-6智能大地音頻物探儀工作示意圖

工作參數(shù)：根據(jù)場地條件與工程特點，本次探測電極距MN=20m，測點間距X＝1.0m，測量模式為兩極剖面法，增益控制旋鈕選擇“0”擋。

3.3 測線布置及原始資料處理

沿壩軸線延伸方向分別在壩體迎水面堤肩、壩頂、背水面堤肩各布置1條測線，編號為WT-1、WT-2、WT-3。測線長度分別為70.0m，81.0m，68.0m，測線總長219.0m。本次物探工作，測試點有192點，數(shù)據(jù)1728個。其中，WT-1測線共有測試點61點，獲得測試數(shù)據(jù)549個；WT-2測線共有測試點72點，獲得測試數(shù)據(jù)648個；WT-3測線共有測試點59點，獲得測試數(shù)據(jù)531個。

測試期間無參數(shù)調(diào)換、測試操作正常，測試數(shù)據(jù)真實可靠。根據(jù)測點間距與測點數(shù)據(jù)深度關(guān)系，將獲取的數(shù)據(jù)進行空間坐標(biāo)排序處理，再使用Surfer8.0軟件對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格轉(zhuǎn)換，成圖處理后生成每一條測線的可視化物探剖面圖，并進行不同數(shù)值區(qū)域不同色彩填充，區(qū)別物性特征。圖件處理完成后，不同地質(zhì)體及結(jié)構(gòu)狀態(tài)在水平距離與垂向深度得到直觀顯示。

3.4 成果分析及其地質(zhì)解釋

Wt-1物探剖面推測地質(zhì)解釋：壩體填筑物土石分布不均勻、密實度不均勻。壩體下基巖埋深一般為4～6米，基巖面起伏較大，基巖溶溝溶槽較發(fā)育。在右岸測線13～15米，18～19米，左岸48～51米、54～56米為主要物探異常區(qū)域，其它部位也出現(xiàn)不同寬度異常區(qū)域，推測為滲漏通道。

Wt-2物探剖面推測地質(zhì)解釋：壩體填筑物土石分布不均勻、密實度不均勻，多處存在架空巖體空隙。壩頂土層厚約3.5米，其下為2.5米厚的巖塊層，水平狀分布，在42米處斷開。測線14～16米，31～36米，56～58米為豎直狀延續(xù)高阻體。測線36～44米，49～56米為主要物探低阻區(qū)域，推測為滲漏通道。壩頂塌陷坑位于測線45米處，發(fā)育于兩滲水孔洞之間。測線12米、53米處推測為隱伏土洞。

Wt-3物探剖面推測地質(zhì)解釋：壩體填筑物土石分布不均勻、密實度不均勻，多處存在架空巖體空隙。壩頂土層厚約4.0米，其下為巖塊層，巖塊之間空隙1～2米，充填粘土。測線45～50米，54～56米為主要物探低阻區(qū)域，推測為滲漏通道。

水庫壩體物探地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 水庫壩體物探地質(zhì)剖面圖

4 結(jié)論

采用可控源音頻大地電磁測深法對壩區(qū)進行探測，基本查明測試區(qū)段10米深度范圍壩體結(jié)構(gòu)特征、軟弱層及滲漏通道空間分布情況，探測成果對于病險水庫隱患處理具有一定指導(dǎo)意義。

（1）根據(jù)可控源音頻大地電磁測深法探測結(jié)果分析，可認(rèn)定水庫壩體土石分布不均勻，密實度不均勻，巖塊間架空孔隙較多。根據(jù)壩體各處不同深度電性差異，可分析出有多處發(fā)育滲漏通道與松軟層，寬0.5～1.0m，主要分布在靠近壩體左岸部位。

（2）由于可控源音頻大地電磁測深法只是物探勘查的一種手段，受場地條件限制影響，物探測線長度有限，探測深度受限，探測成果有一定局限性，宜采取其它勘查方法對物探推測的隱患結(jié)構(gòu)進行工程驗證。

（3）采用可控源音頻大地電磁測深法，由于各巖土層厚度變化較大，物性縱、橫向變化較大，可能造成異常解釋深度誤差偏大，解釋數(shù)值僅作為參考資料。探測成果推測的隱患類型、巖土結(jié)構(gòu)特征準(zhǔn)確率一般為80%左右。