可控源音頻大地電磁測(cè)深法在病險(xiǎn)水庫(kù)壩區(qū)勘探中的應(yīng)用

◇四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 閆 勝 鄒 立 紀(jì)丁愈

根據(jù)勘探深度和精度要求選擇適用的地面物探方法，可大大節(jié)約勘探成本和時(shí)間，減少勘探難度，提高勘探精度。以建于20世紀(jì)50年代的某病險(xiǎn)水庫(kù)為例，探討CSAMT法即可控源音頻大地電磁測(cè)深法在病險(xiǎn)水庫(kù)壩區(qū)勘探中的應(yīng)用。結(jié)合工程區(qū)工程地質(zhì)條件和物探地質(zhì)條件，分析CSAMT法在病險(xiǎn)水庫(kù)壩區(qū)勘探應(yīng)用的有利及不利條件。CSAMT法能夠有效探測(cè)病險(xiǎn)水庫(kù)壩體中的洞穴、裂縫、松軟層和滲漏通道等潛在隱患的規(guī)模、位置和埋深，使用物探結(jié)果配合相應(yīng)地質(zhì)工作，能夠?yàn)閴螀^(qū)除險(xiǎn)加固整治提供地質(zhì)依據(jù)。

1 引言

電法勘探是物探工作最常用的手段，其中大地電磁測(cè)深法是利用人工電磁場(chǎng)與天然電磁場(chǎng)相互結(jié)合的方式測(cè)量目標(biāo)區(qū)域視電阻率ρ，得到深度h-視電阻率ρ等值線圖，以此判定成果對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行綜合解釋。該類方法基于大地低通濾波效應(yīng)，利用高頻電磁波穿透深度小和低頻成分穿透深度相對(duì)大的特性，通過在地面設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)頻率范圍為10Hz～2000Hz大地電磁脈動(dòng)信號(hào)。將接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理和分析后，可得到反映該測(cè)線不同深度電性分布的視電阻率曲線，進(jìn)而做出地質(zhì)解釋。大地電磁測(cè)深法在工程中廣泛用于洞穴、油氣、地?zé)岬鹊目碧健？煽卦匆纛l大地電磁測(cè)深法（CSAMT）使用人工場(chǎng)源，測(cè)量卡尼亞電阻率，改變頻率進(jìn)行測(cè)深，其物性前提是地質(zhì)體具有導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異。CSAMT法對(duì)于水庫(kù)壩體隱患探測(cè)通常具有較高的分辨率，有效勘探深度2米以上，為探測(cè)壩體中隱患的位置和規(guī)模提供了可能。

2 工作區(qū)基本條件概況

2.1 工程概況

該水庫(kù)于20世紀(jì)50年代修建而成，壩體類型為土石重力壩，水庫(kù)興建之初的主要任務(wù)是農(nóng)田灌溉，運(yùn)行至今已是一座以灌溉為主并結(jié)合防洪的小（2）型水庫(kù)。該水庫(kù)屬Ⅴ等，主要永久建筑物為5級(jí)，總庫(kù)容77.30萬m3。大壩壩體為均質(zhì)土壩，壩頂高程795.3m，最大壩高17.7m，壩頂寬2.8m，長(zhǎng)76m。大壩上游為混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，坡比自上而下依次為1:2.0、1:2.1；下游天然草皮護(hù)坡，壩坡從上至下坡比為1:2.4、1:3.4；壩腳排水棱體高6.4m。物探工作開展前，壩體頂部近左岸及壩體下游壩坡已出現(xiàn)塌陷、局部滲漏等問題，影響水庫(kù)及壩體安全。

2.2 工程地質(zhì)概況

工作區(qū)為溶蝕型中低山溝谷地貌，為近似對(duì)稱的“U”形谷，溝谷走向南西，兩岸植被較發(fā)育，兩岸斜坡坡度20°～35°之間，局部為人工開挖形成的陡坎。壩下游溝谷底部地面高程776.9m，壩頂高程795.20m，兩岸山頂高程817.5m，溝谷與山頂高差40.6m。第四紀(jì)覆蓋層（Q4）為黃褐色粘性土，硬塑-可塑狀，厚度0～4m，零星分布于溝谷及地勢(shì)低洼處。基巖為寒武系中統(tǒng)花橋組（∈2h）灰色、薄～中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰?guī)r。地下水類型主要為巖溶裂隙水，降水補(bǔ)給，水庫(kù)所在溝谷為排泄基準(zhǔn)面，局部見泉點(diǎn)出露。工程區(qū)位于向斜東翼近軸部，巖層產(chǎn)狀為276°∠11°，工程區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好。

2.3 物探地質(zhì)條件

基于以上工程概況和工程地質(zhì)條件，采用可控源音頻大地電磁測(cè)深法在該水庫(kù)壩體工作的有利條件主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：探測(cè)期間，工作區(qū)巖土處于濕潤(rùn)與稍濕狀態(tài)，導(dǎo)電性較好。壩體土中水體與覆蓋層、巖體存在較大電性差異。土層與下覆基巖電阻率值相差1～2個(gè)級(jí)次，覆蓋層為低阻，下覆基巖為高阻。對(duì)于土洞、裂縫等空腔結(jié)構(gòu)，未充水時(shí)為高阻，充水時(shí)為低阻。對(duì)于滲漏通道，若充水時(shí)為低阻，圍巖顯示為高阻；若無充填物，阻值按空氣計(jì)，滲漏通道為高阻，圍巖為低阻。此外，工作區(qū)上方無高壓電線，無用電設(shè)施，場(chǎng)區(qū)內(nèi)電磁噪聲比較平靜，不利干擾較小。采用可控源音頻大地電磁測(cè)深法在該水庫(kù)壩體工作的不利條件主要有：工作區(qū)壩肩兩岸為斜坡，地形轉(zhuǎn)折起伏較大、覆蓋層分布不均勻等干擾因素破壞了電場(chǎng)的均勻性，工作難度相對(duì)較高。左壩肩有瀝青混凝土公路穿過，車流量較大，對(duì)電極棒布設(shè)有一定影響。

2.4 場(chǎng)區(qū)巖土物性特征

根據(jù)場(chǎng)區(qū)巖土特征及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)，場(chǎng)地巖土物性參數(shù)見表1。

表1 場(chǎng)區(qū)巖土物性參數(shù)

3 工作方法與技術(shù)

3.1 工作原理概述

本次工作是在大地電磁測(cè)深法、MT、AMT、頻率測(cè)深法、自然電場(chǎng)法等電法勘探理論的基礎(chǔ)上，利用天然電場(chǎng)探測(cè)地質(zhì)巖土體及其構(gòu)造不同產(chǎn)生的電阻率變化等來判斷、分析地質(zhì)異常體。利用相應(yīng)電腦軟件對(duì)大量探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及成圖，結(jié)合地質(zhì)理論、地質(zhì)條件等綜合分析，通過定性與半定量的成果解釋，反映地下電阻異常體的走向、埋深、厚（寬）度等相關(guān)信息。

3.2 儀器設(shè)備與工作參數(shù)

儀器設(shè)備：采用ADMT-6型全自動(dòng)大地音頻電場(chǎng)物探儀。由主機(jī)、兩根測(cè)量電極、一根電極線等組成。主機(jī)由內(nèi)置電池供電，采用高性能AD采樣、FFT數(shù)字濾波技術(shù)收存數(shù)據(jù)；測(cè)量電極為銅電極；電極線為單線銅芯屏蔽電纜，電極線接頭為專用旋鈕插頭。

圖1 ADMT-6智能大地音頻物探儀工作示意圖

工作參數(shù)：根據(jù)場(chǎng)地條件與工程特點(diǎn)，本次探測(cè)電極距MN=20m，測(cè)點(diǎn)間距X＝1.0m，測(cè)量模式為兩極剖面法，增益控制旋鈕選擇“0”擋。

3.3 測(cè)線布置及原始資料處理

沿壩軸線延伸方向分別在壩體迎水面堤肩、壩頂、背水面堤肩各布置1條測(cè)線，編號(hào)為WT-1、WT-2、WT-3。測(cè)線長(zhǎng)度分別為70.0m，81.0m，68.0m，測(cè)線總長(zhǎng)219.0m。本次物探工作，測(cè)試點(diǎn)有192點(diǎn)，數(shù)據(jù)1728個(gè)。其中，WT-1測(cè)線共有測(cè)試點(diǎn)61點(diǎn)，獲得測(cè)試數(shù)據(jù)549個(gè)；WT-2測(cè)線共有測(cè)試點(diǎn)72點(diǎn)，獲得測(cè)試數(shù)據(jù)648個(gè)；WT-3測(cè)線共有測(cè)試點(diǎn)59點(diǎn)，獲得測(cè)試數(shù)據(jù)531個(gè)。

測(cè)試期間無參數(shù)調(diào)換、測(cè)試操作正常，測(cè)試數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。根據(jù)測(cè)點(diǎn)間距與測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)深度關(guān)系，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間坐標(biāo)排序處理，再使用Surfer8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格轉(zhuǎn)換，成圖處理后生成每一條測(cè)線的可視化物探剖面圖，并進(jìn)行不同數(shù)值區(qū)域不同色彩填充，區(qū)別物性特征。圖件處理完成后，不同地質(zhì)體及結(jié)構(gòu)狀態(tài)在水平距離與垂向深度得到直觀顯示。

3.4 成果分析及其地質(zhì)解釋

Wt-1物探剖面推測(cè)地質(zhì)解釋：壩體填筑物土石分布不均勻、密實(shí)度不均勻。壩體下基巖埋深一般為4～6米，基巖面起伏較大，基巖溶溝溶槽較發(fā)育。在右岸測(cè)線13～15米，18～19米，左岸48～51米、54～56米為主要物探異常區(qū)域，其它部位也出現(xiàn)不同寬度異常區(qū)域，推測(cè)為滲漏通道。

Wt-2物探剖面推測(cè)地質(zhì)解釋：壩體填筑物土石分布不均勻、密實(shí)度不均勻，多處存在架空巖體空隙。壩頂土層厚約3.5米，其下為2.5米厚的巖塊層，水平狀分布，在42米處斷開。測(cè)線14～16米，31～36米，56～58米為豎直狀延續(xù)高阻體。測(cè)線36～44米，49～56米為主要物探低阻區(qū)域，推測(cè)為滲漏通道。壩頂塌陷坑位于測(cè)線45米處，發(fā)育于兩滲水孔洞之間。測(cè)線12米、53米處推測(cè)為隱伏土洞。

Wt-3物探剖面推測(cè)地質(zhì)解釋：壩體填筑物土石分布不均勻、密實(shí)度不均勻，多處存在架空巖體空隙。壩頂土層厚約4.0米，其下為巖塊層，巖塊之間空隙1～2米，充填粘土。測(cè)線45～50米，54～56米為主要物探低阻區(qū)域，推測(cè)為滲漏通道。

水庫(kù)壩體物探地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 水庫(kù)壩體物探地質(zhì)剖面圖

4 結(jié)論

采用可控源音頻大地電磁測(cè)深法對(duì)壩區(qū)進(jìn)行探測(cè)，基本查明測(cè)試區(qū)段10米深度范圍壩體結(jié)構(gòu)特征、軟弱層及滲漏通道空間分布情況，探測(cè)成果對(duì)于病險(xiǎn)水庫(kù)隱患處理具有一定指導(dǎo)意義。

（1）根據(jù)可控源音頻大地電磁測(cè)深法探測(cè)結(jié)果分析，可認(rèn)定水庫(kù)壩體土石分布不均勻，密實(shí)度不均勻，巖塊間架空孔隙較多。根據(jù)壩體各處不同深度電性差異，可分析出有多處發(fā)育滲漏通道與松軟層，寬0.5～1.0m，主要分布在靠近壩體左岸部位。

（2）由于可控源音頻大地電磁測(cè)深法只是物探勘查的一種手段，受場(chǎng)地條件限制影響，物探測(cè)線長(zhǎng)度有限，探測(cè)深度受限，探測(cè)成果有一定局限性，宜采取其它勘查方法對(duì)物探推測(cè)的隱患結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程驗(yàn)證。

（3）采用可控源音頻大地電磁測(cè)深法，由于各巖土層厚度變化較大，物性縱、橫向變化較大，可能造成異常解釋深度誤差偏大，解釋數(shù)值僅作為參考資料。探測(cè)成果推測(cè)的隱患類型、巖土結(jié)構(gòu)特征準(zhǔn)確率一般為80%左右。