高密度電法結合EH4電磁法在查明隱伏構造中的應用

李吉艷

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 昌吉 831100)

前期工程勘察中為探明隧洞內隱伏構造、基巖破碎帶,通常采用綜合物探方法[1-2]探測構造的位置、規模,并布置鉆孔進行驗證,該方法經濟實惠、周期短并能較精準查明地質情況。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,使用綜合物探方法進行探測既能探明淺層地質條件,也能探明深部地質條件。張業[9]在鐵路路基巖溶勘察中,利用高密度電法探測出多個大范圍巖溶發育異常區,利用孔內電視直觀準確地探查出巖溶的深度和規模,利用跨孔電磁波CT方法探查出巖溶的延伸發育情況,3種物探方法由面到點探測,成果相互驗證,優勢互補,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的巖土界面及強巖溶發育帶,圈定了溶洞的位置、埋深、規模及空間分布情況。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,為勘察鉆孔布設提供了指導,為劃分隧道圍巖類別提供了較好的依據,同時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別的結論,并結合重、磁、電綜合物探方法在川東高陡斷褶帶探測隱伏斷層的實際應用效果,總結了隱伏斷層的異常形態和異常特征。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造方面尚停留在淺層,本文依托布爾津縣沖乎爾東岸灌區供水改造工程引水隧洞工程,采用高密度電法[13-15]結合HE4電磁法[16-18]探明深層隱伏構造、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,并結合實例分析了探測結果,旨在為類似工程提供依據。

1 工程概況

布爾津縣沖乎爾鎮布爾津河東岸灌區供水改造工程隧洞段埋深為100～450m,工程區位于阿爾泰褶皺系的克蘭地槽褶皺帶內,南、南西側為沖乎爾斷陷盆地。沖乎爾斷陷盆地北部為基巖中低山區,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入盆地,流經沖乎爾鎮,向南經過南部山區注入額爾齊斯河。區域內總的地貌形態受構造控制較為明顯,大的地貌形態有中低山區、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,兩岸為侵蝕構造中低山,巖性為奧陶系中—上統云母石英片巖(O2-3hbc)。

布爾津縣沖乎爾鎮布爾津河東岸灌區骨干工程位于布爾津縣沖乎爾鎮境內,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省道經過沖乎爾鎮,交通較為便利。

2 工作布置、方法與技術

2.1 工作布置

針對不同測試方法的優缺點,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行測試,了解洞線地表下130m范圍內地層情況;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行加密、加深測試,了解測試部位地表下400m范圍內地層情況。

高密度電法測試由于部分場地地形限制,無法連續測試,所以沿隧洞洞線進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),方向為142°,剖面長850m;洞線3-3剖面(0+970～2+000段),方向為142°,剖面長1030m;洞線4-4剖面(3+270～3+820段),方向為142°,剖面長580m。

EH4電磁法測試同樣受場地地形限制,無法連續測試,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),方向為142°,長度為1320m;洞線6-6剖面(2+630～3+230段),方向為142°,長度為600m。

2.2 工作方法與技術

2.2.1 高密度電法工作方法與技術

高密度電法采用溫納α排列進行采集:電極間距10m,供電時間2s,重復采集次數為3次,隨著間隔系數n由1(最小)逐漸增大到16(最大),滾動式掃描測量。測線按地質人員布置,檢查測試均方相對誤差小于3.5%,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)[19]的要求。

2.2.2 EH4電磁法工作方法與技術

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,可確定介質的電阻率值。測試點距20m,電極距20m×20m,平行試驗記錄清晰,無畸變點,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

高密度電法數據處理采用RES2高密度視電阻率反演軟件進行二維反演,具體流程如下:原始數據由高密度電法儀用數據線傳至計算機;利用RES2高密度電法數據反演軟件對野外觀測時出現的壞點參考剔除,通過數據分析,視電阻率出現負值時,參考電壓和電流值分析原因,對應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律時僅作參考或刪除;使用正版RES2高密度電法反演軟件,對數據進行反演處理。針對每條剖面,查找地質資料,對異常點進行分析,將數據處理結果轉化為DAT文件格式,使用RES2高密度電法反演軟件成圖。編輯內容主要包括物探成果解釋、地質及相關信息等,便于確認物探解釋推斷成果的可靠性。

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數據文件的編輯。

b.利用HMT數據處理系統程序對已編輯好的數據文件進行處理,對數據文件中出現的壞點、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。

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樁號坐標為29514691,5338388;1+210樁號坐標為29514207,5337689。

由圖1可知:剖面樁號0+360～0+650段,未發現低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為300～700Ω·m,推斷為覆蓋層或強風化基巖;較深部視電阻率為900～1500Ω·m,推斷為弱風化或完整基巖。剖面樁號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造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號0+720～1+170段,未發現低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為500～900Ω·m,推斷為覆蓋層或強風化基巖;較深部視電阻率為1100～2500Ω·m,推斷為弱風化或完整基巖。

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樁號坐標為29514485,5338119;1+400樁號坐標為29514059,5337564。

由圖2可知:剖面樁號0+780～1+070段,未發現低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為100～900Ω·m,推斷為覆蓋層或強風化基巖;較深部視電阻率為900～1500Ω·m,推斷為弱風化或完整基巖。剖面樁號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造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號1+220～1+400段,未發現低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為200～900Ω·m,推斷為覆蓋層或強風化基巖;較深部視電阻率為900～2000Ω·m,推斷為弱風化或完整基巖。

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樁號坐標為29514331,5337897;2+000樁號坐標為29513737,5337054。

由圖3可知:剖面樁號0+970～1+520段,未發現低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為300～800Ω·m,推斷為覆蓋層或強風化基巖;較深部視電阻率為900～2500Ω·m,推斷為弱風化或完整基巖。剖面樁號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造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號1+620～2+000段,未發現低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為400～880Ω·m,推斷為覆蓋層或強風化基巖;較深部視電阻率為1000～2300Ω·m,推斷為弱風化或完整基巖。

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樁號坐標為29512916,5336082;3+820樁號坐標為29512580,5335647。

由圖4可知:剖面樁號3+270～3+400段,未發現低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為90～300Ω·m,推斷為覆蓋層或強風化基巖;較深部視電阻率為400～1500Ω·m,推斷為弱風化或完整基巖。剖面樁號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造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號3+480～3+670段,未發現低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為70～200Ω·m,推斷為覆蓋層或強風化基巖;較深部視電阻率為500～2000Ω·m,推斷為弱風化或完整基巖。

圖4 4-4高密度電法剖面

剖面樁號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樁號坐標為29514541,5338188;1+960樁號坐標為29513774,5337121。該剖面有三個明顯的相對低阻異常帶,分別為樁號0+670～0+830段、1+120～1+320段、1+570～1+820段。

由圖5可知:剖面樁號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0+730～0+800段,推測該段低阻異常體為隱伏構造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號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1+170～1+290段,推測該段低阻異常體為隱伏構造或基巖破碎帶的反映。剖面樁號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1+640～1+720段,推測該段低阻異常體為隱伏構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樁號坐標為29513344,5336601;3+200樁號坐標為29512971,5336135。

由圖6可知:剖面樁號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造或基巖破碎帶的反映,核部位置在樁號2+700～2+740段。剖面樁號2+770～3+200段,未發現低阻異常帶,該測試剖面淺部視電阻率為100～700Ω·m,推斷為覆蓋層或強風化基巖;較深部視電阻率為800～1800Ω·m,推斷為弱風化或完整基巖。

圖6 6-6 EH4電磁法剖面

4.3 高密度電法與EH4電磁法測試對應情況

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

異常處二:高密度測試剖面低阻異常帶在樁號1+100～1+250段,核部位置在樁號1+170處;EH4測試剖面在樁號1+120～1+320段,核部位置在樁號1+140～1+260段。后經ZK1(剖面樁號1+170處)驗證,孔深180～370m范圍內巖體較破碎或破碎,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1+550～1+650段,核部位置在樁號1+680處;EH4測試剖面在樁號1+600～1+800段,核部位置在樁號1+640～1+720段。后經ZK2(剖面樁號1+680處)驗證,孔深80～120m及220～350m范圍內巖體較破碎或破碎,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。

5 結 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,對洞線位置內隱伏構造、基巖破碎帶作出合理預測。研究發現,測試段的4處低阻異常均穿過洞線位置,預測隧洞前方圍巖破碎或有小斷層通過,自穩能力差,并含有大量的填充物和地下水,塌方風險較高。經現場鉆孔驗證,現場地質條件與預測結果基本一致。本文提出的綜合物探方法探測精度較高,探測深度較深,可為工程后續開挖、圍巖類別判定、支護形式確定提供數據支撐。綜合物探測試成果對施工現場風險進行預警,對保障隧洞開挖安全有序施工具有重要意義。建議在條件適當的情況下對低阻帶核部位置增加鉆孔驗證工作,以取得全面準確的資料。