高密度電法結(jié)合EH4電磁法在查明隱伏構(gòu)造中的應(yīng)用

李吉艷

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 昌吉 831100)

前期工程勘察中為探明隧洞內(nèi)隱伏構(gòu)造、基巖破碎帶,通常采用綜合物探方法[1-2]探測構(gòu)造的位置、規(guī)模,并布置鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證,該方法經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、周期短并能較精準(zhǔn)查明地質(zhì)情況。常用的物探方法有電法勘探[3-4]、地震勘探[5]、磁法勘探[6]、重力勘探[7]、放射性勘探[8]等,單一的物探測試方法解釋精度低、資料解釋有一定的盲區(qū),使用綜合物探方法進(jìn)行探測既能探明淺層地質(zhì)條件,也能探明深部地質(zhì)條件。張業(yè)[9]在鐵路路基巖溶勘察中,利用高密度電法探測出多個(gè)大范圍巖溶發(fā)育異常區(qū),利用孔內(nèi)電視直觀準(zhǔn)確地探查出巖溶的深度和規(guī)模,利用跨孔電磁波CT方法探查出巖溶的延伸發(fā)育情況,3種物探方法由面到點(diǎn)探測,成果相互驗(yàn)證,優(yōu)勢互補(bǔ),避免了單一物探方法成果的多解性,取得了較好的巖溶探測效果。張健等[10]采用可控源音頻大地電磁法(CSAMT)和微重力法,較好地劃分了巖溶區(qū)的巖土界面及強(qiáng)巖溶發(fā)育帶,圈定了溶洞的位置、埋深、規(guī)模及空間分布情況。彭勇等[11]使用綜合物探法成功解譯出了隧道的軟弱層、地下水及斷層破碎帶的位置,為勘察鉆孔布設(shè)提供了指導(dǎo),為劃分隧道圍巖類別提供了較好的依據(jù),同時(shí)也為高速公路長大深埋隧道提供了一種新的勘察方法。彭明濤等[12]通過重、磁、電探測方法的正反演模擬成果得出高陡斷褶帶隱伏斷層能夠被探測識(shí)別的結(jié)論,并結(jié)合重、磁、電綜合物探方法在川東高陡斷褶帶探測隱伏斷層的實(shí)際應(yīng)用效果,總結(jié)了隱伏斷層的異常形態(tài)和異常特征。以上研究充分說明采用綜合物探方法能夠有效探明各類工程中遇到的路基巖溶、隧道的軟弱層隱伏斷層等分布情況。但上述研究在探明隱伏構(gòu)造方面尚停留在淺層,本文依托布爾津縣沖乎爾東岸灌區(qū)供水改造工程引水隧洞工程,采用高密度電法[13-15]結(jié)合HE4電磁法[16-18]探明深層隱伏構(gòu)造、基巖破碎帶。文中介紹了高密度電法、HE4電磁法工作方法與技術(shù),并結(jié)合實(shí)例分析了探測結(jié)果,旨在為類似工程提供依據(jù)。

1 工程概況

布爾津縣沖乎爾鎮(zhèn)布爾津河?xùn)|岸灌區(qū)供水改造工程隧洞段埋深為100～450m,工程區(qū)位于阿爾泰褶皺系的克蘭地槽褶皺帶內(nèi),南、南西側(cè)為沖乎爾斷陷盆地。沖乎爾斷陷盆地北部為基巖中低山區(qū),峽谷兩岸山頂高程為1000～1200m,高出河床水位300～500m;沖乎爾斷陷盆地高程為750～830m。布爾津河自北向南進(jìn)入盆地,流經(jīng)沖乎爾鎮(zhèn),向南經(jīng)過南部山區(qū)注入額爾齊斯河。區(qū)域內(nèi)總的地貌形態(tài)受構(gòu)造控制較為明顯,大的地貌形態(tài)有中低山區(qū)、斷陷盆地、河谷三種類型。引水隧洞處于布爾津河中游峽谷段沖乎爾電站水庫左岸基巖山體,兩岸為侵蝕構(gòu)造中低山,巖性為奧陶系中—上統(tǒng)云母石英片巖(O2-3hbc)。

布爾津縣沖乎爾鎮(zhèn)布爾津河?xùn)|岸灌區(qū)骨干工程位于布爾津縣沖乎爾鎮(zhèn)境內(nèi),位于布爾津縣城北東方向,距離布爾津縣城約70km。從布爾津縣至喀納斯的S232省道經(jīng)過沖乎爾鎮(zhèn),交通較為便利。

2 工作布置、方法與技術(shù)

2.1 工作布置

針對不同測試方法的優(yōu)缺點(diǎn),測試工作共分為兩部分:一部分為高密度電法測試,其目的是對引水隧洞全洞線進(jìn)行測試,了解洞線地表下130m范圍內(nèi)地層情況;另一部分為EH4電磁法,其目的是對高密度電法測試中的異常部位進(jìn)行加密、加深測試,了解測試部位地表下400m范圍內(nèi)地層情況。

高密度電法測試由于部分場地地形限制,無法連續(xù)測試,所以沿隧洞洞線進(jìn)水口至出水口段分別布置高密度電法剖面3條:洞線1-1剖面(0+360～1+210段),方向?yàn)?42°,剖面長850m;洞線3-3剖面(0+970～2+000段),方向?yàn)?42°,剖面長1030m;洞線4-4剖面(3+270～3+820段),方向?yàn)?42°,剖面長580m。

EH4電磁法測試同樣受場地地形限制,無法連續(xù)測試,所以分別布置EH4電磁法測試剖面2條:洞線5-5剖面(0+640～1+960段),方向?yàn)?42°,長度為1320m;洞線6-6剖面(2+630～3+230段),方向?yàn)?42°,長度為600m。

2.2 工作方法與技術(shù)

2.2.1 高密度電法工作方法與技術(shù)

高密度電法采用溫納α排列進(jìn)行采集:電極間距10m,供電時(shí)間2s,重復(fù)采集次數(shù)為3次,隨著間隔系數(shù)n由1(最小)逐漸增大到16(最大),滾動(dòng)式掃描測量。測線按地質(zhì)人員布置,檢查測試均方相對誤差小于3.5%,測試結(jié)果符合《水利水電工程勘探規(guī)程 第1部分:物探》(SL/T 291.1—2021)[19]的要求。

2.2.2 EH4電磁法工作方法與技術(shù)

EH4電磁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(zhì)的電阻率值。測試點(diǎn)距20m,電極距20m×20m,平行試驗(yàn)記錄清晰,無畸變點(diǎn),相位為20°～50°,相干度大于0.5,原始記錄符合測試要求。

3 資料解釋

3.1 高密度電法資料解釋

高密度電法數(shù)據(jù)處理采用RES2高密度視電阻率反演軟件進(jìn)行二維反演,具體流程如下:原始數(shù)據(jù)由高密度電法儀用數(shù)據(jù)線傳至計(jì)算機(jī);利用RES2高密度電法數(shù)據(jù)反演軟件對野外觀測時(shí)出現(xiàn)的壞點(diǎn)參考剔除,通過數(shù)據(jù)分析,視電阻率出現(xiàn)負(fù)值時(shí),參考電壓和電流值分析原因,對應(yīng)視電阻率作為參考修正或刪除,視電阻率值超大或超小不符合規(guī)律時(shí)僅作參考或刪除;使用正版RES2高密度電法反演軟件,對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理。針對每條剖面,查找地質(zhì)資料,對異常點(diǎn)進(jìn)行分析,將數(shù)據(jù)處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為DAT文件格式,使用RES2高密度電法反演軟件成圖。編輯內(nèi)容主要包括物探成果解釋、地質(zhì)及相關(guān)信息等,便于確認(rèn)物探解釋推斷成果的可靠性。

3.2 EH4電磁法資料解釋

數(shù)據(jù)處理采用HMT數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)程序反演軟件進(jìn)行二維反演,具體過程如下:

a.原始數(shù)據(jù)由EH4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀傳至計(jì)算機(jī),利用UltraEdit數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的編輯。

b.利用HMT數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)程序?qū)σ丫庉嫼玫臄?shù)據(jù)文件進(jìn)行處理,對數(shù)據(jù)文件中出現(xiàn)的壞點(diǎn)、不合格點(diǎn)進(jìn)行剔除修正,通過數(shù)據(jù)分析,分析造成的原因,對視電阻率值超大或超小不符合規(guī)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(jìn)行成圖處理,并對最終結(jié)果進(jìn)行完善。

4 測試成果分析

4.1 高密度電法測試成果

4.1.1 洞線1-1剖面(0+360～1+210段)

1-1剖面0+360樁號(hào)坐標(biāo)為29514691,5338388;1+210樁號(hào)坐標(biāo)為29514207,5337689。

由圖1可知:剖面樁號(hào)0+360～0+650段,未發(fā)現(xiàn)低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為300～700Ω·m,推斷為覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化基巖;較深部視電阻率為900～1500Ω·m,推斷為弱風(fēng)化或完整基巖。剖面樁號(hào)0+650～0+720段,自測試剖面淺表部至深部存在條帶狀相對低電阻率異常帶,其視電阻率為200～500Ω·m,其視傾角約為80°,推測該段低阻異常體為隱伏構(gòu)造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號(hào)0+720～1+170段,未發(fā)現(xiàn)低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為500～900Ω·m,推斷為覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化基巖;較深部視電阻率為1100～2500Ω·m,推斷為弱風(fēng)化或完整基巖。

圖1 1-1高密度電法剖面

4.1.2 洞線2-2剖面(0+700～1+410段)

2-2剖面為1-1剖面和3-3剖面的拼接剖面,0+700樁號(hào)坐標(biāo)為29514485,5338119;1+400樁號(hào)坐標(biāo)為29514059,5337564。

由圖2可知:剖面樁號(hào)0+780～1+070段,未發(fā)現(xiàn)低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為100～900Ω·m,推斷為覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化基巖;較深部視電阻率為900～1500Ω·m,推斷為弱風(fēng)化或完整基巖。剖面樁號(hào)1+070～1+220段,自測試剖面淺表部至深部存在條帶狀相對低電阻率異常帶,其視電阻率為300～800Ω·m,其視傾角約為50°,推測該段低阻異常體為隱伏構(gòu)造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號(hào)1+220～1+400段,未發(fā)現(xiàn)低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為200～900Ω·m,推斷為覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化基巖;較深部視電阻率為900～2000Ω·m,推斷為弱風(fēng)化或完整基巖。

圖2 2-2高密度電法剖面

4.1.3 洞線3-3剖面(0+970～2+000段)

3-3剖面0+970樁號(hào)坐標(biāo)為29514331,5337897;2+000樁號(hào)坐標(biāo)為29513737,5337054。

由圖3可知:剖面樁號(hào)0+970～1+520段,未發(fā)現(xiàn)低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為300～800Ω·m,推斷為覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化基巖;較深部視電阻率為900～2500Ω·m,推斷為弱風(fēng)化或完整基巖。剖面樁號(hào)1+520～1+620段,自測試剖面淺表部至深部存在條帶狀相對低電阻率異常帶,其視電阻率為170～600Ω·m,其視傾角約為60°,推測該段低阻異常體為隱伏構(gòu)造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號(hào)1+620～2+000段,未發(fā)現(xiàn)低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為400～880Ω·m,推斷為覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化基巖;較深部視電阻率為1000～2300Ω·m,推斷為弱風(fēng)化或完整基巖。

圖3 3-3高密度電法剖面

4.1.4 洞線4-4剖面(3+270～3+820段)

4-4剖面3+270樁號(hào)坐標(biāo)為29512916,5336082;3+820樁號(hào)坐標(biāo)為29512580,5335647。

由圖4可知:剖面樁號(hào)3+270～3+400段,未發(fā)現(xiàn)低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為90～300Ω·m,推斷為覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化基巖;較深部視電阻率為400～1500Ω·m,推斷為弱風(fēng)化或完整基巖。剖面樁號(hào)3+400～3+480段,自測試剖面淺表部至深部存在條帶狀相對低電阻率異常帶,其視電阻率為20～70Ω·m,推測該段低阻異常體為隱伏構(gòu)造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號(hào)3+480～3+670段,未發(fā)現(xiàn)低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為70～200Ω·m,推斷為覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化基巖;較深部視電阻率為500～2000Ω·m,推斷為弱風(fēng)化或完整基巖。

圖4 4-4高密度電法剖面

剖面樁號(hào)3+670～3+750段,自測試剖面淺表部至深部存在條帶狀相對低電阻率異常帶,其視電阻率為50～100Ω·m,其視傾角約為60°,推測該段低阻異常體為隱伏構(gòu)造或基巖破碎帶的反映。

4.2 EH4電磁法剖面測試成果

4.2.1 洞線5-5剖面(0+640～1+960段)

5-5剖面0+640樁號(hào)坐標(biāo)為29514541,5338188;1+960樁號(hào)坐標(biāo)為29513774,5337121。該剖面有三個(gè)明顯的相對低阻異常帶,分別為樁號(hào)0+670～0+830段、1+120～1+320段、1+570～1+820段。

由圖5可知:剖面樁號(hào)0+670～0+830段,自測試剖面淺表部至深部存在條帶狀相對低電阻率異常帶,其視電阻率為100～700Ω·m,核部位置在樁號(hào)0+730～0+800段,推測該段低阻異常體為隱伏構(gòu)造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號(hào)1+120～1+320段,自測試剖面淺表部至深部存在條帶狀相對低電阻率異常帶,其視電阻率為100～500Ω·m,核部位置在樁號(hào)1+170～1+290段,推測該段低阻異常體為隱伏構(gòu)造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號(hào)1+600～1+800段,自測試剖面淺表部至深部存在條帶狀相對低電阻率異常帶,其視電阻率為600～800Ω·m,核部位置在樁號(hào)1+640～1+720段,推測該段低阻異常體為隱伏構(gòu)造或基巖破碎帶的反映。

圖5 5-5 EH4電磁法剖面

4.2.2 洞線6-6剖面(2+600～3+230段)

6-6剖面2+600樁號(hào)坐標(biāo)為29513344,5336601;3+200樁號(hào)坐標(biāo)為29512971,5336135。

由圖6可知:剖面樁號(hào)2+600～2+770段,自測試剖面淺表部至深部存在條帶狀相對低電阻率異常帶,其視電阻率為300～500Ω·m,推測該段低阻異常體為隱伏構(gòu)造或基巖破碎帶的反映,核部位置在樁號(hào)2+700～2+740段。剖面樁號(hào)2+770～3+200段,未發(fā)現(xiàn)低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為100～700Ω·m,推斷為覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化基巖;較深部視電阻率為800～1800Ω·m,推斷為弱風(fēng)化或完整基巖。

圖6 6-6 EH4電磁法剖面

4.3 高密度電法與EH4電磁法測試對應(yīng)情況

異常處一:高密度測試剖面低阻異常帶在樁號(hào)0+680～0+770段,核部位置在樁號(hào)0+690處;EH4測試剖面在樁號(hào)0+670～0+830段,核部位置在樁號(hào)0+730～0+800段。

異常處二:高密度測試剖面低阻異常帶在樁號(hào)1+100～1+250段,核部位置在樁號(hào)1+170處;EH4測試剖面在樁號(hào)1+120～1+320段,核部位置在樁號(hào)1+140～1+260段。后經(jīng)ZK1(剖面樁號(hào)1+170處)驗(yàn)證,孔深180～370m范圍內(nèi)巖體較破碎或破碎,并有小斷層通過。

異常處三:高密度測試剖面低阻異常帶在樁號(hào)1+550～1+650段,核部位置在樁號(hào)1+680處;EH4測試剖面在樁號(hào)1+600～1+800段,核部位置在樁號(hào)1+640～1+720段。后經(jīng)ZK2(剖面樁號(hào)1+680處)驗(yàn)證,孔深80～120m及220～350m范圍內(nèi)巖體較破碎或破碎,并有小斷層通過。

高密度剖面與EH4剖面異常帶樁號(hào)存在偏差,是由于高密度反映底層淺部異常,EH4反映深部異常,但總體趨勢仍可對應(yīng)。

5 結(jié) 論

物探方法相較于鉆探法和化探法具有低成本、周期短等優(yōu)勢。本文基于測試段洞線范圍異常低阻,綜合使用高密度電法與EH4電磁法兩種物探方法,對洞線位置內(nèi)隱伏構(gòu)造、基巖破碎帶作出合理預(yù)測。研究發(fā)現(xiàn),測試段的4處低阻異常均穿過洞線位置,預(yù)測隧洞前方圍巖破碎或有小斷層通過,自穩(wěn)能力差,并含有大量的填充物和地下水,塌方風(fēng)險(xiǎn)較高。經(jīng)現(xiàn)場鉆孔驗(yàn)證,現(xiàn)場地質(zhì)條件與預(yù)測結(jié)果基本一致。本文提出的綜合物探方法探測精度較高,探測深度較深,可為工程后續(xù)開挖、圍巖類別判定、支護(hù)形式確定提供數(shù)據(jù)支撐。綜合物探測試成果對施工現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警,對保障隧洞開挖安全有序施工具有重要意義。建議在條件適當(dāng)?shù)那闆r下對低阻帶核部位置增加鉆孔驗(yàn)證工作,以取得全面準(zhǔn)確的資料。