綜合物探方法在深厚覆蓋層探測中的應用

閆永峰

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 昌吉 831100)

地質勘察是水利工程前期的基礎工作。隨著水利技術進步和民生需要,更多的水利工程向深部發展,地質條件更加復雜,覆蓋層埋深更厚,勘察難度增加。合理選用勘察方法能夠有效節約勘察成本、加快工程進度。

目前,鉆探、化探和物探是水利工程地質勘察的主要手段。鉆探[1-4]是通過鉆取、分析巖芯,獲取地下巖石信息的勘查方法,但鉆探工作只能揭露一個點的巖石情況,工期長、成本高;化探[5-8]是通過對地表土壤采樣,分析,如同位素分析、微量元素分析等,獲取地質信息的勘查方法,廣泛運用于找礦、區域地質調查等領域,需要進行大量的采樣工作,試驗周期較長,成本較高,不適于水利工程應用條件;物探[9-16]是通過物理手段,利用物質的物理特性,如電性差異、密度差異、波的傳播速度等分析地下物質的特征的勘探方法,通過物探可進行沿線剖面測試工作,一條測線代表的是一個面,多條測線可代表一個整體,資料解釋耗時短、成本較低,適于水利工程勘察。

物探受地形、測試環境等的影響,定性解釋工作難度較大,為提高物探資料解釋的正確性和可靠性,近年來綜合物探方法[17-22]得到廣泛應用。張玲玲等[17]使用重力、可控源音頻大地電磁測探技術勘查了霍邱馬店地區能源資源,確定了地層展布情況和斷裂性質、位置及走向;考慮工程建設過程存在的危巖體崩壞、碎石墜落、松散堆積體與碳質頁巖自然邊坡失穩等風險,蔣召杰[18]使用激電測探法和瞬變電磁法探明了溫塘特大橋不良地質情況;朱鑫磊等[19]開展了盾構機穿越巖溶地層中的地磁波CT和微動技術應用研究,綜合電磁波CT法精度高和微動技術探測深度大的優勢,確定了地下盾構機施工風險和注漿加固范圍。

目前,針對覆蓋層超200m的物探技術應用較少,本文以枯木拔里水庫工程建設為例,使用四極電測深法、微動法和EH4音頻大地電磁法,綜合其探測深、精度高、成本低、覆蓋廣、周期短的特點,查明覆蓋層厚度,并在物探剖面布置少量鉆孔驗證物探精度。

1 工程概況

1.1 地形、地質簡況

枯木拔里水庫工程位工新疆維吾爾自治區阿克蘇地區吐格拜勒齊河與木扎提河匯合處下游附近,是木扎提河的控制性工程,承擔灌溉、防洪、工業供水,兼顧發電等綜合利用任務的樞紐工程。工程壩址區距下游破城子水文站約42km,距下游已建木扎提河三級水電站約29km,距拜城縣130km,距阿克蘇市180km。工程區位于天山山脈的中西段,哈里可他烏主脊的南側,屬南天山。工程區只有簡易公路通往上下壩址區右岸,交通道路較差。河谷寬約1.5km,汛期水量較大。

工程區分布主要巖性為第四系腐殖土、砂礫石、砂巖、花崗巖、片麻巖等。物探測試的目的是查明上壩址、中壩址軸線的覆蓋層厚度。

1.2 地球物理特征

測區河床表層干燥砂卵礫石層電阻率為800～2000Ω·m;中間砂礫石層電阻率為2000～3500Ω·m;下伏含水砂礫石層電阻率為500～900Ω·m;粉砂巖電阻率為1200～1800Ω·m,花崗巖、片麻巖電阻率為2500～3000Ω·m。

2 物探工作方法與技術

2.1 野外工作布置

沿上壩址軸線布置一條物探綜合剖面,長度1423m,方向250°,ZK1和ZK2為前期勘探孔。沿中壩址軸線布置一條物探綜合剖面,長度1550m,方向241°,驗證孔3個(ZK9、ZK10、ZK11)。

2.2 野外工作方法及質量評價

根據前期上壩址ZK1鉆孔揭示200m未打到基巖,中壩址河床寬度約1.4km,表層為砂卵礫石,兩邊為出露片麻巖。物探測試工作難度巨大,現場道路條件差,工作效率較低,受河床冰積層影響,供電條件極差。針對這種深厚覆蓋層問題,采用多種物探方法結合相互驗證。先采用微動法[15,19]、EH4音頻大地電磁法[12-14]對物探剖面進行定性解釋;再通過大極距四極電測深法[9,10,23]進行復核定量解釋。

根據《水利水電工程勘探規程 第1部分:物探》(SL/T 291.1—2021)[23]物探工作方法與技術的選擇應滿足以下總體要求:

a.被探測對象與周圍介質應存在物性差異,其幾何尺寸與埋藏深度之比不宜小于1/10。

b.物探工作應遵循從已知到未知、從簡單到復雜的原則,從已知地質條件的地段開始,取得現場背景資料后再開展復雜地段的工作。

c.地質、地球物理條件復雜或重要地段,宜采用多種物探方法相互驗證。

2.2.1 電法工作

電測深工作主要采用四極對稱裝置,MN/AB=1/10,最小AB/2為1.5m,最大AB/2以充分反映目的層和曲線完整為原則,一般在600～800m。野外測量采用單次讀數法,為保證曲線質量,對曲線畸變點進行重復觀測,并對觀測點進行一定的檢查。根據規范要求重復觀測應符合下列規定:

a.在測線的端點、曲線的突變點和畸變線段、儀器參數或觀測條件改變的情況下,應進行重復觀測,重復觀測的平均相對誤差應小于5%。

b.操作員應現場檢查每個記錄,若不符合要求,應查明原因并及時重測。

2.2.2 EH4電磁法工作

EH4音頻大地電磁測深法,接受天然源和可控源的電磁波,通過測量相互正交的電場和磁場分量,可確定介質的電阻率值。測試點距為20m,電極距為(10m、10m),平行試驗記錄清晰,無畸變點,相位介于20°～50°之間,相干度大于0.5,原始記錄符合測試要求。測試結果符合《水利水電工程勘探規程 第1部分:物探》(SL/T 291.1—2021)的要求。

2.2.3 天然源面波法工作

天然源面波法也稱微動法,從微動信號中提取瑞利面波的頻散特性,通過對頻散曲線反演來推測地下的橫波速度分布。采用2Hz檢波器10通道測量,測站最大邊長60m,采樣間隔5ms,迭代次數500次,并應用SPAC(空間自相關法)法提取頻散曲線。檢波器布置采用“嵌套式等邊三角形排列”臺陣。

3 資料解釋

3.1 電法資料解釋

電測深資料解釋要求:電測深視電阻率曲線繪制應采用雙對數縱橫坐標,曲線完整、電性標志層在電極距上反映明顯。電測深曲線電性分層明顯、類型確定。電測深曲線經消差、圓滑、畸變校正后,不影響解釋精度。具有定量解釋所需的電參數。電性界面和地質界面基本對應。

四極電測深資料解釋工作,首先對電測深曲線的類型進行定性分析,測區電測深曲線大部分為“Q、H”型曲線,表層高阻為干燥砂礫石的反映,中間層為含水砂卵石層,尾部相對低阻為基巖的反映,后以已知的鉆孔資料來確定砂礫石層及目的層基巖的電性特征,然后采用二層量板與輔助量板相結合的方法進行定量解釋,并結合曲線類型的變化進行整體宏觀控制。

3.2 EH4電磁法資料解釋

數據處理采用HMT數據處理系統程序反演軟件進行二維反演,具體過程如下:

a.原始數據由EH4連續電導率剖面儀傳至計算機,利用UltraEdit數據傳輸與轉換軟件對原始數據進行@文件的編輯。

b.利用HMT數據處理系統程序對已編輯好的@文件進行處理,對@文件中出現的壞點、不合格點進行剔除修正,通過數據分析,分析造成的原因,對視電阻率值超大或超小不符合規律的僅作參考或刪除,處理后輸出DAT文件。

c.使用SURFER反演軟件對輸出的DAT文件進行成圖處理,并對最終結果進行完善。

3.3 天然源面波法資料解釋

天然源面波法資料解釋具體過程如下:

a.對原始資料進行整理核對、編錄。

b.通過專用軟件顯示或打印各調查區所采集的記錄,形成頻散曲線后存盤。

c.根據頻散曲線進行分層和層速度計算并作出定性解釋。

d.在定性解釋的基礎上,進行定量解釋;確定各層的厚度,計算各層的橫波傳播速度,并對獲得的結果進行反演擬合處理。

e.對定量解釋的頻散曲線利用Mapgis軟件繪制面波等速度剖面圖,然后結合測區的勘探資料,根據各速度參數劃分地層并進行地質分層解釋。

4 物探測試成果

4.1 上壩址軸線物探測試成果

上壩址軸線物探測試成果見圖1～圖3。

圖1 上壩址軸線EH4音頻大地電磁法測試成果

上壩址壩軸線物探測試工作采用了EH4音頻大地電磁法、天然源面波法進行定性輔助解釋,再通過四極電測深測試進行定量解釋。圖1為EH4音頻大地電磁法測試成果,顯示底部基巖界面總體呈現“U”字形,最大基巖埋深在壩軸線樁號0+780(ZK2)處。由圖1可見ZK1處基巖埋深約為230m,ZK2處基巖埋深約為360m,粉砂巖電阻率為1000～2000Ω·m;由天然源面波測試成果可見,剖面樁號0+300～0+800段地層0～200m深度范圍內面波波速為500～1400m/s,推測為砂礫石層,推測剖面樁號0+300～0+800段基巖埋深大于200m。根據電測深法、EH4音頻大地電磁法及天然源面波法綜合解釋:剖面0+000～0+500樁號段表層砂礫石層厚度為15～20m,電阻率為900～1100Ω·m;下伏砂礫石層厚度為25～50m,電阻率為2000～2500Ω·m;中間飽水砂礫石層厚度為140～170m,電阻率為500～700Ω·m;底部基巖埋深為183～248m,電阻率為1300～1800Ω·m;剖面0+500～0+1300樁號段表層砂礫石層厚度為8～10m,電阻率為1300～2000Ω·m;下伏砂礫石層厚度為16～45m,電阻率為2400～3400Ω·m;中間飽水砂礫石層厚度為188～322m,電阻率為600～900Ω·m;底部基巖埋深為265～363m,電阻率為1400～1800Ω·m;0+1300～0+1423樁號段表層砂礫石層厚度為5～8m,電阻率為1300～2200Ω·m;下伏砂礫石層厚度為15～20m,電阻率為2800～3400Ω·m;中間飽水砂礫石層厚度變薄為125～260m,電阻率為600～800Ω·m;底部基巖呈陡斜形態,埋深為76～300m,電阻率為1400～1800Ω·m。

4.2 中壩址軸線物探測試成果

中壩址軸線物探測試成果見圖4～圖6。

圖4 中壩址軸線EH4音頻大地電磁法測試成果

中壩址軸線物探測試工作采用了EH4音頻大地電磁法、天然源面波法進行定性輔助解釋,再通過四極電測深法測試進行定量解釋。圖4為EH4音頻大地電磁法測試成果,顯示底部基巖界面總體呈現“U”字形,中壩址覆蓋層最深位置在剖面樁號0+800處,最大埋深深度約為410m,片麻巖電阻率為750～2000Ω·m;圖5為中壩址軸線0+300～1+100樁號段天然源面波法測試成果圖,微動與電磁法資料能夠很好地符合,可以確定中壩址覆蓋層埋深最深位置在剖面樁號0+800處,最大埋深深度約為410m,片麻巖橫波波速為1600～1800m/s;圖6為(ZK10)處電測深曲線,測試曲線為“HKH”型,中間層電阻率為800～1200Ω·m,基巖電阻率取值為1500～2500Ω·m,電測深解釋(ZK10)為最大埋深位置(380m)。根據四極電測深法、EH4音頻大地電磁法及天然源面波法綜合解釋所得:剖面0+000～0+155樁號段表層坡積物厚度為0～47m,電阻率為2000～4000Ω·m;剖面0+155～0+800樁號段表層第二電性層厚度為8～25m,電阻率為600～4000Ω·m;第三電性層厚度為39～55m,電阻率為800～3000Ω·m;第四電性層厚度為95～145m,電阻率為800～2000Ω·m;第五電性層厚度為74～100m,電阻率為800～1300Ω·m;第六電性層厚度由淺至深為0～158m,電阻率為800～1300Ω·m;底部基巖埋深為55～409m,電阻率為1000～3000Ω·m。0+800～0+1290樁號段表層第二電性層厚度由深至淺為0～22m,電阻率為600～4000Ω·m;第三電性層厚度為27～45m,電阻率為1200～3000Ω·m;第四電性層厚度為70～98m,電阻率為800～2000Ω·m;第五電性層厚度為59～100m,電阻率為800～1300Ω·m;第六電性層厚度由深至淺為0～158m,電阻率為800～1300Ω·m;底部基巖埋深為187～409m,電阻率為1500～3000Ω·m。0+1290～0+1550樁號段覆蓋層厚度逐漸變薄至基巖出露,基巖電阻率為2500～3000Ω·m。

圖5 中壩址軸線天然源面波法測試成果

圖6 (ZK10)電測深曲線

4.3 鉆孔驗證

根據物探測試成果,在中壩址壩軸線布置了3個驗證孔(ZK9、ZK10、ZK11),具體測試成果見表1 。鉆孔測試結果表明,綜合物探方法測試結果較為準確、解釋精度較高,EH4音頻大地電磁法、微動法及四極電測深法對應性較好。

表1 物探成果與鉆孔揭露精度統計

5 結 論

結果表明,基于四極電測深法、微動法和EH4音頻大地電磁法的綜合物探方法在覆蓋層超200m的勘查應用中精度超90%,效果良好,可為類似工程提供技術參考依據。

a.通過分析四極電測深法、微動法和EH4音頻大地電磁法的使用條件和優勢,提出“四極電測深、微動法和EH4音頻大地電磁法”綜合物探方法,成功開展了深厚覆蓋層探測。

b.基于“四極電測深法、微動法和EH4音頻大地電磁法”綜合物探方法,探明上壩址軸線中間層為飽水砂礫石層,電阻率為500～900Ω·m,基巖埋深為150～360m,電阻率為1400～1800Ω·m;中壩址軸線中間層電阻率為800～1300Ω·m,基巖埋深為180～410m,基巖電阻率為1500～3000Ω·m,片麻巖橫波波速為1600～1800m/s。

c.四極電測深法、微動法和EH4音頻大地電磁法三者探測位置、深度基本一致,將測得的覆蓋層厚度與鉆孔驗證結果比較,精度達到90%以上,取得了較好勘探效果,表明“四極電測深、微動法和EH4音頻大地電磁法”綜合物探方法適用于深厚覆蓋層探測。