電磁法在水利工程勘察中的應用

崔 晨

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830091)

電磁法在勘察領域應用的范圍非常廣，主要包括了地下水、地熱勘察，礦產勘察、溶洞勘察、高阻覆蓋區勘察等，表現出了優異的應用效果，勘察的質效高，結果準確。水利工程通常地質條件較差，處于高山河流區域，現場地質勘察會受到自然條件、地形的限制，工程勘察結果可能存在偏差。因此，需采用電磁法進行勘察補充，獲取地下隱伏構造，以為水利工程施工提供準確的地質依據[1]。

1 電磁法在水利工程勘察中應用的原理

電磁法是水利工程地質勘察中常用的一種方法，利用電磁感應原理，借助水利工程勘察現場地下巖(礦)石不同的導電性、導磁性，使用專門的地球探測儀器，比如V8多功能電法儀，通過發射系統發送一次脈沖磁場，接收系統接收二次磁場信號，進行水利工程地下地質勘察。該儀器為電法類勘探儀器，由發射系統、接收系統、定位系統、數據處理系統組成，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用效果顯著。但是在實際的勘察中，由于水利工程現場地下良導體的不同，電磁法勘察的靈敏度存在差異，呈現出不同的電磁異常場幅度，導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電磁測深法為例，進行電磁法在水利工程中應用原理與應用特點的論述，具體內容如下。

1.1 工作原理

瞬變電磁法為無損探測法，應用多功能電法儀發射系統發送脈沖電流，在發射線圈中形成一次磁場，傳遞至地下良導體，使良導體發生電磁感應，多功能電法儀然后再利用斷電的間隙，其接收系統采集良導體反饋回的瞬變二次磁場，工作原理如圖1所示。而二次磁場信號的強弱，顯示著良導體導電性的強弱，如果工程勘察地下良導體的導電性差，那么在斷電后其瞬變二次場峰值大，但是場強衰減較快，反之瞬變二次場峰值小，衰減速度慢。EH-4電磁測深法根據電磁感應原理，利用EH4電導率張量測量儀，發射人工電磁波彌補大地電磁場，可完成地下1千米深度介質電阻率與電導率的測量，用于解決水利工程地質構造深度探測問題[2]。

1.2 電磁法特點

1.2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法整合了探測技術與數據處理技術，通過發射系統與接收系統進行地下二次磁場信號的采集，實現軟硬件技術的結合，在水利工程勘察中的應用表現出了以下特點：①探測效果好，在多功能電法儀發射一次磁場后，斷電進行二次磁場信號的采集，不會受到一次磁場信號的影響，純二次場探測效果好；②穿透力強，探測深度可超過1km，探測不受低阻覆蓋層與高阻覆蓋層影響；③采用多道觀測，測線布置靈活，不受探測現場地形、地勢的影響而形成假異常；④應用于高低阻覆蓋層，可準確分辨及定位探測目標；⑤探測儀器體積小、質輕，操作簡單方便，并且多功能電法儀可同時進行剖面測量與測深，提高了探測解讀的準確性。

圖1 瞬變電磁法工作原理

1.2.2 EH-4電磁測深法

EH-4電磁測深法同時使用了人工與天然電磁場，在工程地質構造勘察中應用的穩定性好，并且EH4測量儀體積小，天線為十字交叉形式，發射率在500Hz-100KHz，能接受縱橫兩個方向的電場與磁場。在實際的應用中做到了密點連續測量，數據實時采集與顯示，應用的節能性與便利性良好[3]。

2 電磁法在水利工程勘察中的具體應用

2.1 工程案例

以某地水利工程為例，該工程為水庫工程，主要用于防汛抗旱。該工程總庫容7689萬m3，主壩1座、副壩6座，有取水口工程、充水工程，以及一條長10.64km的干渠。其中2座副壩在前期地質勘察中，發現有區域性斷層，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。基于此，需使用瞬變電磁法進行壩基地下破碎帶的無損探測，明確區域性斷層的實際情況。取水口工程需要穿越大山，深埋隧道施工需要進行地下水分布的勘察，以便于進行水利工程施工方案的優化調整，解決副壩投入運行后的滲漏隱患，及深埋隧道工程施工中可能面臨的水害問題，確保整個水庫工程的施工質量。

2.2 瞬變電磁法在工程案例中的應用

2.2.1 探測布置

在2座副壩區域性斷層探測范圍，參照水利工程的地質勘察報告，確定探測區域的工程地質條件，地質構造為斷層，地層巖性為厚7～14m的砂礫石層，分布較薄的凝灰質砂巖層、晶屑玻晶凝灰巖等。在探測的范圍內共布置6條測線，測線間距為35m左右，平行于副壩軸線布置，測線長度根據探測范圍進行靈活控制，在400～1000m之間。探測儀器選用體積小、操作簡單的V8多功能電法儀，高頻信號為16位，低頻24位，可接收40個頻點信號，增加動態探測范圍及分辨率，反射與接收系統與GPS同步運行，并采用無線連接及移動通信。

2.2.2 探測電性數據

通過該水利工程前期物探成果獲取以下地質信息，在副壩的壩基地下40m范圍內，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 探測解讀

多功能電法儀接收系統獲取的數據首先進行數據預處理，剔除其中的奇異點與壞點，然后使用電法儀工作站的軟件進行數據處理，生成視電阻率深度斷面圖，綜合分析前期獲取的工程地質勘察資料，進行該斷面圖的解讀，具體內容如下：①2座副壩壩基的覆蓋層，存在不同風化程度較破碎巖體、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，經數據分析初步判斷其內巖體擠壓程度較大，視電阻率在120～260Ωm之間，斷層錯動位置在壩基的100～550m之間，六條測線獲取的視電阻率存在較小偏差；③錯動帶分析，確定其內部存在斷層發育現象；四是斷層發育處有破碎帶，地質條件較差，且位于壩基100～300m之間。

2.2.4 探測成果

綜合瞬變電磁法探測解讀與該水利工程前期的地質勘察、物探等數據信息，確定2座副壩壩基存在主錯動斷層，并且錯動帶有斷層發育，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，地下淺部探測成果準確性不夠，視電阻率有待考量；②確定了主斷層大致空間分布，雖然6條測線探測數據處理后存在偏差，但不影響最終探測結果的精度；③主斷層錯動帶左側的輻射在測線探測的500m范圍內，壩基會受到斷層的影響，并且斷層有發育表現；④錯動帶右側巖體較完整，斷層的影響不大；⑤結合獲取探測的視電阻值，確定副壩壩基的地質條件較差，施工范圍存在主斷層錯動帶，巖體斷層發育，強風化裂隙發育、弱風化裂隙發育分布較多，錯帶內部擠壓較為緊密，滲透性不大，但是在斷層發育處則滲透性強，易引起副壩壩基滲漏，對副壩施工產生不良的影響，需要在施工方案設計階段，進行針對性的處理及解決。

2.2.5 探測成效分析

依托于某地水利工程實例，對其2座副壩采用瞬變電磁法進行地質勘察，獲取副壩隱伏構造，確定了斷層空間分布情況，巖體風化、破碎程度，以及主斷層錯動帶的斷層發育信息等，復核副壩前期地質勘察資料，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踐應用，獲取了以下結論。

1)本次瞬變電磁法探測使用了無線發射與接收，避免了接地電阻影響，即使探測位置存在高阻覆蓋層，也不會影響到勘察結果的準確性，具備在水利工程勘察中應用的基本條件。

2)平行布置測線，一次可實現大范圍探測，不受地形、地勢制約，在保證探測結果準確性的同時，提高了探測的效率。

3)該探測方法可用于裸露巖石地帶，無線接地探測，可作為水利工程地質勘察及物探的補充。

4)充分利用地下良導體，探測的靈敏度、靈活性、分辨率表現優異，探測假異常發生的概率較低。

5)水利工程勘察為野外作業，勘察條件較差，并會受到自然環境、氣候條件、以及周圍環境中電磁干擾，而采用瞬變電磁法探測，使用集成多功能電法儀，發射、接收、數據處理為一體，抗干擾能力強，有效避免了探測偏差。

6)瞬變電磁法可與高密度電法聯合探測，彌補電磁法淺部測量的缺陷，保證探測結果的全面準確，為水利工程提供可靠的工程勘察技術支撐，夯實水利工程施工的基礎保障。

現階段電磁法在水利工程中應用越加廣泛，實際應用中表現出了應用便利、受到環境干擾小、探測效率高等優勢，通過在水利工程長期實踐中的應用，技術發展越加成熟，獲取的探測成果準確性高、可用性好，可得到水利工程的地質構造、巖石類型、巖性、裂隙發育、斷層發育等數據信息，適用于探測環境干擾大、地形復雜、不良勘察條件等的水利工程探測。

2.3 EH-4電磁測深法在工程案例中的應用

2.3.1 卡尼亞視電阻率計算

EH-4電磁測深法在水利工程勘察中的應用，是基于平面波卡尼亞電阻率的天然電磁源與人工電磁源，并遵循電磁感應原理進行水利工程地質構造的物理勘探。探測采集的數據有Ex與Ey，為正交電場分量時間序列，Hx與Hy磁場分量時間序列，電場與磁場的波阻抗Z=Ex/Hx=-Ey/Hy=ωμ/k，最終推導出卡尼亞電阻率公式如下：

(1)

2.3.2 測量方案

根據取水口工程隧道勘察現場的實際條件，布置縱橫兩個方向長度分別是800m與600m的測線，測線兩端分別設置電極，測點間距20m，EH4主機與前置轉換器進行連接。主機調整為常用工作模式，設置為高頻與低頻段接收，如果勘察現場的信號較差，需增設中頻段，共計測量16次。

2.3.3 探測解讀及成果

通過在現場采集數據計算出隧道設計高程電阻率值，繪制出取水口隧道斷面圖，發現存在4個低阻區，第一個低阻區隧道開挖作業面臨著3個出水點，水量在75m3/h左右，說明隧道開挖區域有可能為張性構造帶，切割過大形成了水系通道。第二個低阻區與第一個相差不大，水量約50m3/h,第三與第四低阻區異常值不高，評估為巖性分界帶，含水量較低。綜合以上探測成果，4個低阻區巖體較為破碎，含水量不等，隧道工程開挖面臨地質構造深度切割帶與多個出水點，需要在取水口工程隧道開挖施工方案設計中，提前制定相應的技術解決方案，確保隧道開挖作業的順利推進。

3 結 語

水利工程勘察的主要內容有巖土類型、地質構造、地形地貌、地表地質等，其中地質構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際地質條件。但是受到勘察現場環境、自然條件、地形地勢等的干擾，難以保證勘察結果的準確性，而采用電磁法進行工程前期物探及地質勘察的補充，可為水利工程提供詳實、準確的地下地質信息，以提高水利工程勘察的質效。