EH4在水利工程勘察中的應用

安 鑫

(新疆水利水電勘測設計研究,新疆 昌吉 831100)

1 概述

水利工程建設項目特別是水電站和引水工程的建設，給我們各族人民的生產和生活帶來了越來越多的便捷，也解決了不少地區的用水用電和基礎工農業的發展問題。但是對地表起伏較大以及埋深較大地區工程的勘察工作，用常規的物探方法(電法、漸層折射)受地形和勘察深度的影響較大，難以解決工程勘察中遇到的問題，而EH4音頻大地電磁測深法則可以較好的解決上述問題，為水利工程建設項目提供可靠的資料。

2 EH4大地電磁測深方法原理與資料解釋

2.1 方法原理[1]

EH4音頻大地電磁測深法(AMT)屬于一種部分可控源與天然源相結合的大地電磁測深系統[2]。地層中深部的信息利用天然天然場源信號成圖，能接受到的有效頻率范圍在10～105Hz之間，上部地層信息則需要人工場源來補充103～105Hz之間的頻段信號，由于電磁場的頻率不同，穿透深度也不同，從而可以研究地下不同深度的電性結構[3]。EH4大地電磁測深法適主要以天然源電磁場為主場源，所以要求測試區無人工電磁場的干擾，即遠離高壓線、地埋線等輸變電線路的影響范圍。EH4大地電磁法穿透性較好，縱向分辨率較高，可以對一些較小的構造，特別是縱向異常明顯的構造，能進行很好的分辨，但對高阻體的橫向分布，卻很難去判斷出其分布的邊界范圍[4]。

假設天然地磁場是以平面波的形式垂直入射地球表面，在地表可以觀測到相互垂直的電場分量(Ex，Ey)和磁場分量(Hx，Hy)，可以計算波阻抗和電阻率[5]，其計算公式為：

(1)

式中f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m；Ex為對應x電極方向電場強度，V/m；Hy為y軸方向對應的磁場強度，A/m。

地層的分布一般不是均勻的，因此由式(1)計算出的ρ值并不能代表地層的真是電阻率，故稱為視電阻率值，并由此推測對應的理論深度為趨膚深度[6]，計算公式見式(2)：

(2)

式中δ為趨膚深度，m；f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m。

由式(2)可知，電磁波的穿透深度，地層電阻率越大，頻率越小，測試深度越大。EH4數據采集系統一般由發射機、前置放大和主機3部分構成；一般發射機距主機之間的距離在135～350 m左右，測試的過程必須保持二者同時移動，確保接收到有效的補充信號，野外采集的工作示意圖見圖1。在野外工作時首先應避開高壓線和其他人工電磁場的影響，如果測試條件避不開，則繼續調整增益，確保采集到的電道和磁道信號不溢出，同時增加數據采集的次數，其次應保證每個測點的電極入地至少2/3，磁棒水平且平行對應的電場方向，如遇大風，應將磁棒和磁棒線埋入土中，保證采集到數據的完整性。

圖1 高頻大地電磁法野外工作布置示意

野外測試時，一般以X軸方向為剖面方向，Y軸則垂直X軸布置，X和Y方向的電極距根據現場試驗結果確定，一般以10～20 m為宜。根據測試目的選擇合適的點距，采集完成1個數據之后將前置放大器沿X軸方向向前移動至下一個點，直至整條剖面測試完成。需要注意的是在測試的過程中需注意天線的前置放大器的距離，應始終保持在135～350 m。工作頻率一般7波段(1～92 kHz)疊加16次，主要采集淺部地層信息，1波段(10～1 000 Hz)疊加8次，主要采集中深部地層信息，采集完成后會生成X、Y、Z3個方向的文件，應該對每天測試的數據進行處理，并對原始文件進行備份[7]。

2.2 資料解釋

EH4數據處理采用專業的軟件進行處理，顯示測試剖面上每個測點的視電阻率值，另存為dat文件，最后用suffer成圖(見圖2)。

圖2 高頻大地電磁測深法資料處理及成果解釋框示意

資料處理分為現場預處理和室內處理兩種。采集現場根據原始質量的好壞進行預處理，對不合格的數據重新采集，室內處理第一步是在主機上進行的，主要是對測點數據的MT視電阻率，相關度曲線、相位并重新處理互助功率譜數據[8]，處理的目的是降低干擾，突出有用的信息；第二步是將處理后的數據用專用的CF卡拷貝到計算機上做進一步處理，最后重新成圖。

對上述處理后保存數據的再用專業的HMT數據處理系統軟件進行2D處理，過程如下：

1) 處理后的數據，用UltraEdit軟件對@文件中的每個測點的點極距和點距進行編輯和檢查。

2) 打開@文件，對每個測點的相位曲線進行處理，盡量保持在45°左右，對頻率曲線和電阻率去上偏離較大的點進行校正或刪除，然后選擇合適的圓滑系數進行2D成圖，輸出保存成DAT格式文件。

3) 最后用SURFER8對上一步保存的dat文件進行處理，盡量選擇較小的行間距成圖，并對圖件進行解釋，最后輸出成JPG格式圖片。

3 工程實例

3.1 EH4在水電站壩址區堆積體體勘察中的應用

某水電站的壩址區左岸坡度較緩，存在一定規模的堆積碎石土層，根據鉆孔揭露，左岸的覆蓋層(堆積體)主要為崩塌堆積、坡積、河流沖洪積混合堆積層組成，厚度比較大，其電阻率小于6×102Ω·m；下伏巖層為凝灰巖，弱風化，其電阻率ρ值在1×102～1×105Ω·m之間。工作區的覆蓋層和下部的巖體的視電阻率差異明顯，適宜進行EH4測試。

1) 順河方向1#測試剖面

1#測試剖面位于河床左岸的堆積體的底部順河布置，剖面長度275 m，測試剖面的電阻率范圍在10～6 000 Ω·m，電阻率值呈上部底下部高的趨勢。覆蓋層的電阻率值相對較低，在10～600 Ω·m，解釋覆蓋層厚度在25～45 m，平均厚度35 m左右；基巖界面起伏不大，推測較完整基巖頂板高程在1 150 m左右，測試剖面未見貫穿的低阻異常帶。剖面樁號20 m處的鉆孔ZK1揭露基巖埋深39 m，與物探解釋深度一致(見圖3)。

圖3 左岸堆積體1#剖面EH4測試電阻率斷面示意

2) 垂河方向2#測試剖面

2#剖面垂河沿堆積體布置，剖面長度250 m，測試剖面的電阻率在40～6 000 Ω·m之間，剖面上部(覆蓋層)的電阻率在40～600 Ω·m之間，推測覆蓋層厚度在15～50 m，最大厚度位于剖面樁號65～70 m處。下伏基巖在剖面起伏較大，剖面樁號30～175之間存在一“U”形深槽像底部延伸至基巖頂板高程1 040 m左右，電阻率值在600～1 500 Ω·m之間，推測巖體完整性差或接觸破碎帶；其他測試范圍內巖體電阻率在1 000～1 500 Ω·m，巖體完整性較好。剖面樁號150 m處的鉆孔ZK2顯示覆蓋層厚度50 m，孔深140 m以上巖體較破碎，以下巖體完整(見圖4)。

圖4 左岸堆積體2#剖面EH4測試電阻率斷面示意

3.2 EH4在引水工程洞線勘察中的應用

某調水工程的設計洞線高程1 900～1 950 m段經物探遙感解譯發現洞線經過處可能存在斷層，為了解斷層的規模和延伸方向，及對后期工程建設的影響，隨后進行了EH4測試工作，確定斷層的延伸是否經過設計洞線位置。

1) 推測1#斷層EH4測試剖面

該測試剖面沿半山腰從山頂向下測試，剖面長度200 m，洞線設計高程1 950 m，沿測線方向地形局部變化，表層全部為覆蓋層。剖面樁號0～110 m、160～200 m電阻率變化呈淺部低深部高的趨勢，電阻率值從表層向下連續變化，大部分在50～2 500 Ω·m之間，推測設計洞線附近基巖較完整。剖面樁號110～160 m從淺部向深部形成一個條帶狀的低阻異常，該異常一直延伸到測試剖面的底部，其電阻率值在200～800 Ω·m，和左右巖體的視電阻率值差異較明顯，綜合考慮推斷該異常為斷層破碎帶，而且異常的埋深直接跨過設計洞線的位置，在工程的后期建設中應做好隧道地質超前預報工作并加強支護。剖面樁號150 m處的鉆孔ZK3顯示覆蓋層厚度60 m左右，孔深60 m以上巖體較破碎，且局部含斷層泥(見圖5)。

圖5 1#斷層EH4測試電阻率斷面示意

2) 推測2#斷層EH4測試剖面

該剖面測試段地形較陡，測試剖面長200 m，隧洞設計高程在1 910 m，沿剖面方向未發現明顯出露的巖體，該條剖面的視電阻率值在20～2 450 Ω·m，在整條測試剖面變化大，呈現出上層電阻率低下層電阻率高的趨勢，該段洞線附近電阻率值在1 250 Ω·m以上，推測巖體較完整。剖面樁號0～30 m、120～200 m段電阻率變化呈中上部低，下部高的形態，測試洞線頂部的巖體電阻率較高且變化不大，推測該段巖體相對完整，巖體的視電阻率值在1 200～2 450 Ω·m。剖面樁號30～120 m段自地層淺表部存在一“U”形低阻異常帶延伸至設計洞線上方，電阻率值小于1 000 Ω·m，推測為斷層構造或影響帶，巖體較破碎，在后期的工程建設中應特別注意來自洞線頂部的涌水。剖面樁號100 m處的鉆孔ZK4孔深120 m以上巖體較破碎，以下巖體完整(見圖6)。

圖6 2#斷層EH4測試電阻率斷面示意

4 結語

通過EH4測試在水電站工的勘察和調水工程勘察中的應用，證明該方法在查找覆蓋層厚度和斷層勘查中是有用的，EH4測試電阻率斷面與后續鉆孔驗證情況和工程開挖所揭示的地質情況基本吻合，說明該方法在工程勘察中是一種有效的勘測系統，值得推廣。同時EH4音頻大地電磁測深是一種定性解釋的范疇，必須要有已知資料作為背景值方能在工程勘察中起到應有的效果。