電磁法在水利工程勘察中的應(yīng)用

崔 晨

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830091)

電磁法在勘察領(lǐng)域應(yīng)用的范圍非常廣，主要包括了地下水、地?zé)峥辈?，礦產(chǎn)勘察、溶洞勘察、高阻覆蓋區(qū)勘察等，表現(xiàn)出了優(yōu)異的應(yīng)用效果，勘察的質(zhì)效高，結(jié)果準(zhǔn)確。水利工程通常地質(zhì)條件較差，處于高山河流區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察會(huì)受到自然條件、地形的限制，工程勘察結(jié)果可能存在偏差。因此，需采用電磁法進(jìn)行勘察補(bǔ)充，獲取地下隱伏構(gòu)造，以為水利工程施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)[1]。

1 電磁法在水利工程勘察中應(yīng)用的原理

電磁法是水利工程地質(zhì)勘察中常用的一種方法，利用電磁感應(yīng)原理，借助水利工程勘察現(xiàn)場(chǎng)地下巖(礦)石不同的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性，使用專門的地球探測(cè)儀器，比如V8多功能電法儀，通過發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，接收系統(tǒng)接收二次磁場(chǎng)信號(hào)，進(jìn)行水利工程地下地質(zhì)勘察。該儀器為電法類勘探儀器，由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，勘察方法包括了瞬變電磁法、大地電磁法、音頻電磁法等，在水利工程勘察中應(yīng)用效果顯著。但是在實(shí)際的勘察中，由于水利工程現(xiàn)場(chǎng)地下良導(dǎo)體的不同，電磁法勘察的靈敏度存在差異，呈現(xiàn)出不同的電磁異常場(chǎng)幅度，導(dǎo)致最終的解釋成果存在差異。文章以電磁法中的瞬變電磁法與EH-4電磁測(cè)深法為例，進(jìn)行電磁法在水利工程中應(yīng)用原理與應(yīng)用特點(diǎn)的論述，具體內(nèi)容如下。

1.1 工作原理

瞬變電磁法為無(wú)損探測(cè)法，應(yīng)用多功能電法儀發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送脈沖電流，在發(fā)射線圈中形成一次磁場(chǎng)，傳遞至地下良導(dǎo)體，使良導(dǎo)體發(fā)生電磁感應(yīng)，多功能電法儀然后再利用斷電的間隙，其接收系統(tǒng)采集良導(dǎo)體反饋回的瞬變二次磁場(chǎng)，工作原理如圖1所示。而二次磁場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)弱，顯示著良導(dǎo)體導(dǎo)電性的強(qiáng)弱，如果工程勘察地下良導(dǎo)體的導(dǎo)電性差，那么在斷電后其瞬變二次場(chǎng)峰值大，但是場(chǎng)強(qiáng)衰減較快，反之瞬變二次場(chǎng)峰值小，衰減速度慢。EH-4電磁測(cè)深法根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用EH4電導(dǎo)率張量測(cè)量?jī)x，發(fā)射人工電磁波彌補(bǔ)大地電磁場(chǎng)，可完成地下1千米深度介質(zhì)電阻率與電導(dǎo)率的測(cè)量，用于解決水利工程地質(zhì)構(gòu)造深度探測(cè)問題[2]。

1.2 電磁法特點(diǎn)

1.2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法整合了探測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)進(jìn)行地下二次磁場(chǎng)信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)軟硬件技術(shù)的結(jié)合，在水利工程勘察中的應(yīng)用表現(xiàn)出了以下特點(diǎn)：①探測(cè)效果好，在多功能電法儀發(fā)射一次磁場(chǎng)后，斷電進(jìn)行二次磁場(chǎng)信號(hào)的采集，不會(huì)受到一次磁場(chǎng)信號(hào)的影響，純二次場(chǎng)探測(cè)效果好；②穿透力強(qiáng)，探測(cè)深度可超過1km，探測(cè)不受低阻覆蓋層與高阻覆蓋層影響；③采用多道觀測(cè)，測(cè)線布置靈活，不受探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)地形、地勢(shì)的影響而形成假異常；④應(yīng)用于高低阻覆蓋層，可準(zhǔn)確分辨及定位探測(cè)目標(biāo)；⑤探測(cè)儀器體積小、質(zhì)輕，操作簡(jiǎn)單方便，并且多功能電法儀可同時(shí)進(jìn)行剖面測(cè)量與測(cè)深，提高了探測(cè)解讀的準(zhǔn)確性。

圖1 瞬變電磁法工作原理

1.2.2 EH-4電磁測(cè)深法

EH-4電磁測(cè)深法同時(shí)使用了人工與天然電磁場(chǎng)，在工程地質(zhì)構(gòu)造勘察中應(yīng)用的穩(wěn)定性好，并且EH4測(cè)量?jī)x體積小，天線為十字交叉形式，發(fā)射率在500Hz-100KHz，能接受縱橫兩個(gè)方向的電場(chǎng)與磁場(chǎng)。在實(shí)際的應(yīng)用中做到了密點(diǎn)連續(xù)測(cè)量，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與顯示，應(yīng)用的節(jié)能性與便利性良好[3]。

2 電磁法在水利工程勘察中的具體應(yīng)用

2.1 工程案例

以某地水利工程為例，該工程為水庫(kù)工程，主要用于防汛抗旱。該工程總庫(kù)容7689萬(wàn)m3，主壩1座、副壩6座，有取水口工程、充水工程，以及一條長(zhǎng)10.64km的干渠。其中2座副壩在前期地質(zhì)勘察中，發(fā)現(xiàn)有區(qū)域性斷層，斷層位于2座副壩的壩基，壩基下方存在破碎帶，有副壩建成后的壩基滲漏隱患?；诖耍枋褂盟沧冸姶欧ㄟM(jìn)行壩基地下破碎帶的無(wú)損探測(cè)，明確區(qū)域性斷層的實(shí)際情況。取水口工程需要穿越大山，深埋隧道施工需要進(jìn)行地下水分布的勘察，以便于進(jìn)行水利工程施工方案的優(yōu)化調(diào)整，解決副壩投入運(yùn)行后的滲漏隱患，及深埋隧道工程施工中可能面臨的水害問題，確保整個(gè)水庫(kù)工程的施工質(zhì)量。

2.2 瞬變電磁法在工程案例中的應(yīng)用

2.2.1 探測(cè)布置

在2座副壩區(qū)域性斷層探測(cè)范圍，參照水利工程的地質(zhì)勘察報(bào)告，確定探測(cè)區(qū)域的工程地質(zhì)條件，地質(zhì)構(gòu)造為斷層，地層巖性為厚7～14m的砂礫石層，分布較薄的凝灰質(zhì)砂巖層、晶屑玻晶凝灰?guī)r等。在探測(cè)的范圍內(nèi)共布置6條測(cè)線，測(cè)線間距為35m左右，平行于副壩軸線布置，測(cè)線長(zhǎng)度根據(jù)探測(cè)范圍進(jìn)行靈活控制，在400～1000m之間。探測(cè)儀器選用體積小、操作簡(jiǎn)單的V8多功能電法儀，高頻信號(hào)為16位，低頻24位，可接收40個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)，增加動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍及分辨率，反射與接收系統(tǒng)與GPS同步運(yùn)行，并采用無(wú)線連接及移動(dòng)通信。

2.2.2 探測(cè)電性數(shù)據(jù)

通過該水利工程前期物探成果獲取以下地質(zhì)信息，在副壩的壩基地下40m范圍內(nèi)，從上至下分別是電阻率為15～160Ωm的低液限黏土，100～480Ωm的砂礫石，90～320Ωm的伏基巖。電阻率隨著深度的增加逐漸變小，部分河床地下50～110m為基巖，電阻率為70～160Ωm。在本次瞬變電磁法探測(cè)中，獲取的低液限黏土視電阻率為30～120Ωm，砂礫石為80～130Ωm，基巖為70～520Ωm。

2.2.3 探測(cè)解讀

多功能電法儀接收系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除其中的奇異點(diǎn)與壞點(diǎn)，然后使用電法儀工作站的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成視電阻率深度斷面圖，綜合分析前期獲取的工程地質(zhì)勘察資料，進(jìn)行該斷面圖的解讀，具體內(nèi)容如下：①2座副壩壩基的覆蓋層，存在不同風(fēng)化程度較破碎巖體、極破碎巖體、完整性差巖體、新鮮完整基巖等，探測(cè)獲取的視電阻率依次是30～80Ωm、80～110Ωm、110～130Ωm與180Ωm以上；②主斷層，經(jīng)數(shù)據(jù)分析初步判斷其內(nèi)巖體擠壓程度較大，視電阻率在120～260Ωm之間，斷層錯(cuò)動(dòng)位置在壩基的100～550m之間，六條測(cè)線獲取的視電阻率存在較小偏差；③錯(cuò)動(dòng)帶分析，確定其內(nèi)部存在斷層發(fā)育現(xiàn)象；四是斷層發(fā)育處有破碎帶，地質(zhì)條件較差，且位于壩基100～300m之間。

2.2.4 探測(cè)成果

綜合瞬變電磁法探測(cè)解讀與該水利工程前期的地質(zhì)勘察、物探等數(shù)據(jù)信息，確定2座副壩壩基存在主錯(cuò)動(dòng)斷層，并且錯(cuò)動(dòng)帶有斷層發(fā)育，距離壩基較近，推斷出斷層的空間分布及走向，獲取的成果如下：①瞬變電磁法需斷電探測(cè)，地下淺部探測(cè)成果準(zhǔn)確性不夠，視電阻率有待考量；②確定了主斷層大致空間分布，雖然6條測(cè)線探測(cè)數(shù)據(jù)處理后存在偏差，但不影響最終探測(cè)結(jié)果的精度；③主斷層錯(cuò)動(dòng)帶左側(cè)的輻射在測(cè)線探測(cè)的500m范圍內(nèi)，壩基會(huì)受到斷層的影響，并且斷層有發(fā)育表現(xiàn)；④錯(cuò)動(dòng)帶右側(cè)巖體較完整，斷層的影響不大；⑤結(jié)合獲取探測(cè)的視電阻值，確定副壩壩基的地質(zhì)條件較差，施工范圍存在主斷層錯(cuò)動(dòng)帶，巖體斷層發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化裂隙發(fā)育、弱風(fēng)化裂隙發(fā)育分布較多，錯(cuò)帶內(nèi)部擠壓較為緊密，滲透性不大，但是在斷層發(fā)育處則滲透性強(qiáng)，易引起副壩壩基滲漏，對(duì)副壩施工產(chǎn)生不良的影響，需要在施工方案設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行針對(duì)性的處理及解決。

2.2.5 探測(cè)成效分析

依托于某地水利工程實(shí)例，對(duì)其2座副壩采用瞬變電磁法進(jìn)行地質(zhì)勘察，獲取副壩隱伏構(gòu)造，確定了斷層空間分布情況，巖體風(fēng)化、破碎程度，以及主斷層錯(cuò)動(dòng)帶的斷層發(fā)育信息等，復(fù)核副壩前期地質(zhì)勘察資料，以為副壩施工提供參考與借鑒。通過瞬變電磁法在水利工程中的實(shí)踐應(yīng)用，獲取了以下結(jié)論。

1)本次瞬變電磁法探測(cè)使用了無(wú)線發(fā)射與接收，避免了接地電阻影響，即使探測(cè)位置存在高阻覆蓋層，也不會(huì)影響到勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性，具備在水利工程勘察中應(yīng)用的基本條件。

2)平行布置測(cè)線，一次可實(shí)現(xiàn)大范圍探測(cè)，不受地形、地勢(shì)制約，在保證探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)，提高了探測(cè)的效率。

3)該探測(cè)方法可用于裸露巖石地帶，無(wú)線接地探測(cè)，可作為水利工程地質(zhì)勘察及物探的補(bǔ)充。

4)充分利用地下良導(dǎo)體，探測(cè)的靈敏度、靈活性、分辨率表現(xiàn)優(yōu)異，探測(cè)假異常發(fā)生的概率較低。

5)水利工程勘察為野外作業(yè)，勘察條件較差，并會(huì)受到自然環(huán)境、氣候條件、以及周圍環(huán)境中電磁干擾，而采用瞬變電磁法探測(cè)，使用集成多功能電法儀，發(fā)射、接收、數(shù)據(jù)處理為一體，抗干擾能力強(qiáng)，有效避免了探測(cè)偏差。

6)瞬變電磁法可與高密度電法聯(lián)合探測(cè)，彌補(bǔ)電磁法淺部測(cè)量的缺陷，保證探測(cè)結(jié)果的全面準(zhǔn)確，為水利工程提供可靠的工程勘察技術(shù)支撐，夯實(shí)水利工程施工的基礎(chǔ)保障。

現(xiàn)階段電磁法在水利工程中應(yīng)用越加廣泛，實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了應(yīng)用便利、受到環(huán)境干擾小、探測(cè)效率高等優(yōu)勢(shì)，通過在水利工程長(zhǎng)期實(shí)踐中的應(yīng)用，技術(shù)發(fā)展越加成熟，獲取的探測(cè)成果準(zhǔn)確性高、可用性好，可得到水利工程的地質(zhì)構(gòu)造、巖石類型、巖性、裂隙發(fā)育、斷層發(fā)育等數(shù)據(jù)信息，適用于探測(cè)環(huán)境干擾大、地形復(fù)雜、不良勘察條件等的水利工程探測(cè)。

2.3 EH-4電磁測(cè)深法在工程案例中的應(yīng)用

2.3.1 卡尼亞視電阻率計(jì)算

EH-4電磁測(cè)深法在水利工程勘察中的應(yīng)用，是基于平面波卡尼亞電阻率的天然電磁源與人工電磁源，并遵循電磁感應(yīng)原理進(jìn)行水利工程地質(zhì)構(gòu)造的物理勘探。探測(cè)采集的數(shù)據(jù)有Ex與Ey，為正交電場(chǎng)分量時(shí)間序列，Hx與Hy磁場(chǎng)分量時(shí)間序列，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的波阻抗Z=Ex/Hx=-Ey/Hy=ωμ/k，最終推導(dǎo)出卡尼亞電阻率公式如下：

(1)

2.3.2 測(cè)量方案

根據(jù)取水口工程隧道勘察現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，布置縱橫兩個(gè)方向長(zhǎng)度分別是800m與600m的測(cè)線，測(cè)線兩端分別設(shè)置電極，測(cè)點(diǎn)間距20m，EH4主機(jī)與前置轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接。主機(jī)調(diào)整為常用工作模式，設(shè)置為高頻與低頻段接收，如果勘察現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)較差，需增設(shè)中頻段，共計(jì)測(cè)量16次。

2.3.3 探測(cè)解讀及成果

通過在現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)計(jì)算出隧道設(shè)計(jì)高程電阻率值，繪制出取水口隧道斷面圖，發(fā)現(xiàn)存在4個(gè)低阻區(qū)，第一個(gè)低阻區(qū)隧道開挖作業(yè)面臨著3個(gè)出水點(diǎn)，水量在75m3/h左右，說(shuō)明隧道開挖區(qū)域有可能為張性構(gòu)造帶，切割過大形成了水系通道。第二個(gè)低阻區(qū)與第一個(gè)相差不大，水量約50m3/h,第三與第四低阻區(qū)異常值不高，評(píng)估為巖性分界帶，含水量較低。綜合以上探測(cè)成果，4個(gè)低阻區(qū)巖體較為破碎，含水量不等，隧道工程開挖面臨地質(zhì)構(gòu)造深度切割帶與多個(gè)出水點(diǎn)，需要在取水口工程隧道開挖施工方案設(shè)計(jì)中，提前制定相應(yīng)的技術(shù)解決方案，確保隧道開挖作業(yè)的順利推進(jìn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

水利工程勘察的主要內(nèi)容有巖土類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地表地質(zhì)等，其中地質(zhì)構(gòu)造及地下巖體勘察的難度較大，通常采用多種物探方法，以確定水利工程施工的實(shí)際地質(zhì)條件。但是受到勘察現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、自然條件、地形地勢(shì)等的干擾，難以保證勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性，而采用電磁法進(jìn)行工程前期物探及地質(zhì)勘察的補(bǔ)充，可為水利工程提供詳實(shí)、準(zhǔn)確的地下地質(zhì)信息，以提高水利工程勘察的質(zhì)效。