試論電磁勘探方法在水利工程中的應用

劉洪鋮 殷成 張國強

吉林省水利水電勘測設計研究院 吉林 長春 130012

改革開放以來，我國水利工程項目發展迅速。為了保障水利工程經濟高效和保證水利施工安全，水工建筑物的安全等，水利工程勘察中遇到的斷層、破碎帶、巖溶區和采空塌陷區等問題，了解斷層的產狀、破碎帶的規模、巖溶區埋藏條件和采空塌陷區的范圍，為水利設計提供基礎的設計數據是迫切需要的。為處理以上水利工程中的勘察問題，電磁勘探方法取得了較為廣泛的應用，同時，在地熱源的勘察、自然災害調查等方面起著重要作用。本文對電磁勘探技術在水利工程之中應用的一些實例進行具體的分析。

一、我國水利工程電磁勘探技術的現狀

我國水利工程壩址，地下泵站的選址以及隧洞工程的選線，工程區跨復雜地質單元等等自然條件總體來說較為復雜，那么就要求運用現有的物探技術手段將水利工程中遇到的上述地質問題在工程中及時得到解決。電磁勘探技術是現有的有效的一種物探技術手段。該方法是分析存在的物性差異，采納地球物理條件、地質以及邊界特征等等，可以獲得較好的測試結果。通過不同物探方法綜合分析，完善成果，提高解譯精度和分析質量，最終滿足水利工程勘察的需要。

二、電磁勘探技術在水利工程中的應用

1 、地質雷達

地質雷達是經過地面天線T發射，經地下地質體的反射，由地面上的另一個天線R接收，根據接收到的回波，來判斷地下地質體的位置、結構、電性參數等信息（圖1）。脈沖波旅行時間為[1]

當已知介質的波速，和測得的旅行時間t，可得到反射界面的深度。

圖1 地質雷達工作原理圖

地質雷達常用的測試方法有剖面測量法和寬角測量法。工程上常采用剖面測量法，收、發天線以工作需要設定的間距同時沿著測線方向移動即可。地質雷達具有探測周期短，精度高，無損檢測等特點,得到廣泛應用。在水利工程中，水的介電常數較穩定，可以根據介電常數的差異性實現勘察目的。如在庫壩滲漏的檢測，可以分析出滲漏位置范圍、幾何形態等[2]；在工程的勘察中，區分地下地質體的界面以及深度，探測出裂隙、斷層等不利于水利工程的地質構造；在輸水隧洞襯砌檢測、地下硐室圍巖檢測等領域[3]，也發揮了重要作用。

2 、瞬變電磁

瞬變電磁法是時間域內的一種以電磁感應原理為基礎的電磁法。瞬變電磁法發射脈沖的激勵場，地下導電介質在產生二次感應渦流，感應渦流強度隨著時間變化，里面包含了地下導電體豐富的地質信息，通過對接收到的感應渦流場強度信號的處理與解譯，達到對地下地質體的了解[4]。瞬變電磁法的勘探深度同發射磁矩、地層電阻率有關，地層電阻率和發射磁矩越大，勘探深度越大[5]；瞬變電磁法的勘探精度同接收線框的大小、測點的點距有關，線框大、平均作用大，精度較差，測點的點距大，也會影響精度[6]；TEM的磁力線垂直于線框的平面，因此，受到線框外異常體的影響較小。

在某水利工程中，瞬變電磁法常用來進行滲漏檢測 、地下水資源勘查、巖溶勘察等[7]。在圖2中，展示了瞬變電磁法在防滲墻滲漏檢測的勘探成果。根據探測目的體的埋深，采用小回線裝置。從電阻率剖面圖上可以看出，該剖面電阻率從上到下呈遞增電性特征，0-25m，視電阻率大小相對較低，結合庫區地質資料，表層25m推測為全新統地層（粘性土含少量碎塊石和人工填土），25m以下為防滲墻范圍，這與施工資料基本吻合。深度25-45m，剖面存在部分低阻異常地段，初步推斷為防滲墻滲漏區域，滲漏區位置與施工和鉆孔驗證資料基本吻合。

圖2 瞬變電磁法勘探成果

3 、激發極化

激發極化法是應用激電效應，地下地質體在充、放電過程下，會發生隨著時間緩慢變化，產生附加的電場現象，根據不同地質體充放電過程的差異作為基礎，研究關于大地的激電效應，實現探測地下地質體情況的分支電法。該方法因不同的地質體所產生的充放電過程的時間和頻率差異，可分為時間域、頻率域來研究。時間域激電法是研究地質體在直流脈沖或者穩定電流的激發作用下，地下地質體的電場隨時間變化的激電效應；頻率域激電法通過變換交流電交變電流的頻率，觀測地下地質體在交變電流頻率變化下產生的激電效應。其常用的裝置類型有中間梯度裝置、聯合剖面裝置、近場源裝置、對稱四極測深裝置、偶極裝置等[8]。

在水利工程中，激發極化法更多的是用來找水。早在十九世紀末，國外就已經展開了含水巖石激發極化效應的研討工作，并一直應用在地下水勘查工作中[9]。激發極化法主要研究地下介質的二次場衰減速度和二次場強度，參照激發極化效應的參數有很多，反映含水異常的參數主要有：極化率、半衰時、激發比、電阻率、充電率等。通過測得的含水異常再結合地質勘查資料分析，就可以準確的判斷地下含水層[10]。

4 、大地電磁（EH4、EM3D）

大地電磁法是應用宇宙中的雷電、太陽磁暴輻射到地球上的天然電磁場作為信號探測源。還可選用發射機補充死頻帶等信號弱的頻段，進行混合場源電磁法勘探。電磁系統能夠接收10Hz到100KHz（EH4）和0.1Hz到20KHz（EM3D）的寬頻范圍信號。大地電磁可以應用于礦產勘察、地熱資源勘察、地下水、巖溶等的分析研究、采空影響區、工程地質調查和環境災害監測等[11-13]。

大地電磁波的趨膚深度或穿透深度與頻率的高低相關，可用（2）式計算其深度[14]。

式中δ的單位是m，ρ的單位是Ω·m，f的單位是Hz。

依據亥姆霍茲方程和電磁波傳播理論，運用相關軟件能夠處理完成所有的數據與合成。

在某水利工程中，利用EH-4和EM3D用來進行區域構造等勘察。在圖3中，展示了EH-4法在構造方面的勘探成果。在圖4中，展示了EM3D法的具體勘探成果。

圖3 EH-4某水利工程隧洞勘探剖面圖

從電阻率剖面圖上可以看出，存在3處局部低阻異常，物探解譯推測為構造異常帶，現場踏勘結合區域地質和鉆探情況與實際基本一致。

圖4 EM3D某水利工程隧洞勘探剖面圖

從電阻率剖面圖上可以看出，存在2處局部低阻異常，物探解譯推測為構造異常帶和巖性接觸帶，現場踏勘結合區域地質和鉆探情況與實際基本吻合。

三、結束語

（1）近些年，我國各種水利工程建設的多樣化和復雜化開展,電磁探測方法與其它工程物理方法一樣，得到更為廣泛的實踐應用并在實踐中不斷完善成熟。

（2）該類方法的視電阻率剖面等等值圖能直觀、形象地反映出地質體的電性隨深度變化的分布形態及范圍變化的結構特征；當圍巖與探測地質體存在明顯的電阻抗差異，干擾小，收集的數字信息通過定性與定量解釋，合理結合地質和鉆探資料，可從中尋找規律，綜合對比分析取得令人滿意的勘察效果。適用于壩址場地選址、水工建筑、隧洞工程等水利工程勘探等重要領域。

（3）電磁探測方法的儀器設備雖然日趁成熟，且向三維邁進，但還存在諸多問題而有待提高改進。充分考慮地下水和周邊環境等邊界條件的影響和合理的采用儀器觀測系統參數是電磁類探測法能否取得成功應用關鍵。