直流電法與多道瞬態(tài)面波法在電力工程地質(zhì)分層中的應(yīng)用

單 波，李黨民，周碧霄

（中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

工程勘察在電力工程項(xiàng)目中屬于基礎(chǔ)、前期內(nèi)容，地質(zhì)勘察資料的完善和準(zhǔn)確程度也為后續(xù)設(shè)計(jì)施工提供了相應(yīng)支撐，隨著國家基建的發(fā)展，勘察技術(shù)也在不斷更新迭代，除了常規(guī)的鉆探、靜探、槽探等方法外，物探技術(shù)的飛速發(fā)展為巖土勘察提供了有力補(bǔ)充手段，其中的直流電法、多道瞬態(tài)面波法等方法都可以有效地與鉆探等相互結(jié)合，更好地解決地質(zhì)問題。

各行各業(yè)的同仁做了許多嘗試，多種方法得以成熟發(fā)展，李澎[1]等利用電阻率進(jìn)行層位快速劃分解釋，潘衛(wèi)東[2]等利用直流電法在淺覆蓋型充水巖溶勘探中進(jìn)行了應(yīng)用，李飛[3]等在超前探測技術(shù)問題方面利用直流電法進(jìn)行了探討，楊成林[4-5]等、顧漢明[6]等、吳學(xué)銀[7]等、陳先童[8]在瞬態(tài)瑞雷波方面開展了大量工作，習(xí)建軍[9]等采用綜合物探方法進(jìn)行了巖性分層。

雖然前期進(jìn)行了大量工作，不過在不同地質(zhì)條件下，由于場地地層差異，各種方法效果存在差異，本文通過陜北某電廠應(yīng)用直流電法劃分地層，以及甘肅某變電站和陜北某換流站對比利用多道瞬態(tài)面波方法劃分地層，對直流電法和多道瞬態(tài)面波這2種方法綜合對比應(yīng)用在地質(zhì)分層中，結(jié)果表明這2種物探方法均有很好的應(yīng)用效果。

1 直流電法

在電力工程行業(yè)，通常利用常規(guī)電法中的四極電測深方法進(jìn)行土壤電阻率測試，計(jì)算不同測深下的土壤電阻率參數(shù)，為接地網(wǎng)的布設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，不過這僅僅是直流電法中的一個(gè)應(yīng)用，根據(jù)地層巖性電性特征的不同，直流電法勘探也可以用來劃分地層，通常直流電法勘探的資料解釋都是通過量板、或者軟件反演等，不過也可以通過作圖等方式進(jìn)行，而在地層劃分方面，作圖方式更為直接有效。

1.1 直流電法地層劃分原理及方法

對于常規(guī)的對稱四極方式，如果要進(jìn)行地層劃分，一般要對極距進(jìn)行加密，以滿足探測精度的要求，極距設(shè)置見表1所列。

表1 極距設(shè)計(jì)一覽表 m

在作圖時(shí)，可快速測定電阻率及劃分地質(zhì)層位。以MN作橫坐標(biāo)，計(jì)算MN/ρs，以MN/ρs為縱坐標(biāo)，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上作圖，以獲得解釋用圖(如圖1所示)，對圖1中的測點(diǎn)值，找出不同深度、相同斜率的點(diǎn)，對斜率相同的點(diǎn)劃直線，并使這些點(diǎn)均勻地分布在直線上，或直線兩側(cè)。求直線段斜率的倒數(shù)，可獲得測點(diǎn)處各層的電阻率ρi(i為層位序號)。要將電性層參數(shù)轉(zhuǎn)為地質(zhì)層資料，在實(shí)際工作中，必須進(jìn)行層位厚度校正。在鉆孔處作電測深，通過已知鉆孔的地質(zhì)剖面來確定校正系數(shù)，本次校正系數(shù)取0.66左右，在溫納裝置中選取時(shí)MN/AB=1/3，MN≈0.66(AB/2)，因此，以MN作橫坐標(biāo)，MN/ρs為縱坐標(biāo)作圖，則不同斜率的直線交點(diǎn)處對應(yīng)的橫坐標(biāo)即為層位頂面的深度。

圖1 用于計(jì)算解釋的電阻率和電極距關(guān)系圖

1.2 直流電法地層劃分實(shí)例

本次以陜北某電廠實(shí)測數(shù)據(jù)為例，對比分析直流電法分層應(yīng)用。該地層巖性如圖2所示。

圖2 地層巖性剖面圖

本次選取了幾個(gè)鉆孔(K3145、K3149、K3333)進(jìn)行比對分析，直流電法勘探視電阻率數(shù)據(jù)見表2所列，地質(zhì)分層與鉆孔對比情況見表3所列。通過多個(gè)鉆孔對比試驗(yàn)可以看出，對于泥巖和砂巖由于存在一定的電性差異，因此通過直流電法勘探方法可以較為有效地進(jìn)行劃分，泥巖相對而言電阻率數(shù)值偏低，大致在30 Ω·m以下，而砂巖根據(jù)顆粒的由細(xì)到粗，電阻率數(shù)值也隨之逐漸上升，本場地大致由30 Ω·m粉細(xì)砂巖到220 Ω·m的粗砂巖這一范圍，而當(dāng)存在泥巖、砂巖互層或者砂巖中夾泥巖薄層時(shí)往往體現(xiàn)其中泥巖的低阻性，主要反應(yīng)泥巖的特性，因此探測結(jié)果顯示為泥巖的電阻率值。因此根據(jù)對比孔分層試驗(yàn)，直流電法勘探能夠依據(jù)地層的電性差異進(jìn)行有效的地層劃分。后續(xù)物探探測點(diǎn)W3173，整體視電阻率數(shù)值偏大，原始數(shù)據(jù)見表2所列，結(jié)合場地條件，經(jīng)過分析認(rèn)為是砂巖中含有礫石引起，解釋分層結(jié)果見表3所列，后經(jīng)過鉆孔驗(yàn)證，確實(shí)為上部砂巖地層夾有礫石，為河流沖、沉積形成，與直流電法勘探結(jié)果相吻合。經(jīng)過直流電法勘探結(jié)果，形成表4地層巖性電阻率匯總表的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為后續(xù)地層分析解釋提供依據(jù)，也為后續(xù)直流電法勘探提供指導(dǎo)。

表2 各測點(diǎn)視電阻率數(shù)據(jù)

表3 試驗(yàn)鉆孔對比資料

表4 地層巖性電阻率匯總表 Ω·m

2 多道瞬態(tài)面波法

2.1 多道瞬態(tài)面波法原理

目前常用的面波勘察采用的是質(zhì)點(diǎn)在垂直方向振動(dòng)、速度略小于橫波的瑞雷波，當(dāng)深度為波長的一半時(shí)，面波的能量最強(qiáng)；深度與波長相當(dāng)時(shí)，其能量迅速衰減。因此某一波長的面波速度主要與深度小于波長的地層物性有關(guān)，該特性為利用面波進(jìn)行淺層勘探定量解釋提供了依據(jù)。因此通常認(rèn)為面波的勘探深度約為半個(gè)波長，所以較為適用于淺部工程勘察。

通過下面幾個(gè)工程實(shí)例來分析多道瞬態(tài)面波方法在電力行業(yè)的應(yīng)用。

2.2 多道瞬態(tài)面波法成分實(shí)例

本次數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)在甘肅某變電站，位于河流高階地，場地地層巖性主要為第四系沖洪積的黃土狀粉土、角礫，下伏第三系泥巖，各地層存在彈性波速差異，為進(jìn)行多道瞬態(tài)面波法勘察分層提供了基礎(chǔ)。

2.2.1 甘肅河流階地實(shí)例

測點(diǎn)1解釋頻散曲線如圖3所示，通過頻散曲線大致可以分為5層，而根據(jù)地層資料以及波速情況，可以將這5層再歸納為3層：一層為黃土狀粉土，波速范圍大致在150～200 m/s；一層為角礫速度在300～350 m/s左右；最下面為泥巖地層，波速大于400 m/s，與泥巖為軟質(zhì)巖層也一致。分層解釋結(jié)果見表5所列，與該測點(diǎn)鉆孔資料對比可以看出，解釋結(jié)果基本相互吻合，而多道瞬態(tài)面波法相對于鉆孔資料而言，由于是根據(jù)彈性波來識別判斷，因此在某些層位可能分得更細(xì)。

圖3 測點(diǎn)1頻散曲線

表5 測點(diǎn)1分層解釋結(jié)果

由于地層屬于河流沖積形成，角礫地層厚度不一，局部夾粉土薄層和透鏡體，因此橫向上存在一定的不連續(xù)性，而多道瞬態(tài)面波法布線往往是有一定距離和范圍的，所以不連續(xù)的地層會(huì)對數(shù)據(jù)采集造成一定的影響，造成基階面波能量不集中，降低解釋效果，如圖4所示，可以看出基階面波能量在FK域不夠突出，高階面波比較強(qiáng)，實(shí)際工作中可以調(diào)整道間距和偏移距進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場條件具備時(shí)可以調(diào)整測線方向，盡量在地層水平連續(xù)方向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖4 不連續(xù)地層下的FK域頻譜

2.2.2 陜北黃土梁峁區(qū)實(shí)例

本次采集數(shù)據(jù)在陜北某換流站，該處位于黃土梁峁區(qū)，該地形起伏大，沖溝縱橫、溝谷深切，溝谷形態(tài)多呈“V”字型。不過在現(xiàn)場工作開展以前，工程場地已被挖、填整平，為了對填土厚度進(jìn)行劃分，現(xiàn)場進(jìn)行了部分鉆探工作，由于場地面積較大，利用了多道瞬態(tài)面波方法布置了多條測線配合工作，以提高工作效率、并降低經(jīng)濟(jì)成本。

其中一條測線布置了多個(gè)測點(diǎn)，其中2個(gè)測點(diǎn)分別經(jīng)過鉆孔K268和K286，這個(gè)2個(gè)測點(diǎn)的頻散曲線如圖5～圖6所示。根據(jù)頻散的“之”字形拐點(diǎn)，以及疏密度等特點(diǎn)可以進(jìn)行地層劃分，而再依據(jù)波速特征可以將其中接近的波速合并，歸為同一地層，結(jié)果見表6所列，可以看出，填土由于回填質(zhì)量影響，波速整體偏低，前部波速低于200 m/s，稍深地層也低于250 m/s，原狀土層該深度基本在280～320 m/s左右，而黃土狀粉土與粉土波速因?yàn)榈貙勇裆睢㈩w粒結(jié)構(gòu)等因素波速略有差異，多道瞬態(tài)面波方法基本能夠有效細(xì)致劃分，而基巖為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，大致在500 m/s左右。圖7是該測線的速度剖面圖，更夠更為直觀地看到波速的橫向和縱向分布，為地層劃分判別提供對比分析。

圖5 測點(diǎn)K268頻散曲線

圖6 測點(diǎn)K286頻散曲線

圖7 測線速度剖面

表6 K268和K286測點(diǎn)頻散曲線

通過多道瞬態(tài)面波方法探測案例可以看到，該探測方法能夠通過各地層之間彈性波的差異進(jìn)行較為有效的劃分，尤其是在波速差異較為明顯的巖石和土層分界面。

3 結(jié)論

通過對直流電法和多道瞬態(tài)面波方法的討論分析，可以看出這2種方法均能夠在電力工程勘察中進(jìn)行有效的地質(zhì)分層，與鉆孔數(shù)據(jù)可以互相驗(yàn)證，為巖土工程提供有力補(bǔ)充。其中直流電法主要利用的地層巖性的電性差異，其分層也為電性分層，多道瞬態(tài)面波法利用的是彈性波屬性，波阻抗與地層的承載力的關(guān)系更為密切，因此多道瞬態(tài)面波法相對于直流電法而言，往往更利于地質(zhì)分層，2種方法可以綜合對比分析，依據(jù)工程場地性質(zhì)選取合適參數(shù)進(jìn)行勘察工作。

在看到這2種方法有效性的同時(shí)也要注意地球物理方法的適用范圍和局限性，只有目標(biāo)體存在明顯電性或者波阻抗差異時(shí)才能取得較好的探測效果，另外表層存在高阻屏蔽或離散電流干擾等情況也不適宜采用直流電法；周邊車流量較大、存在機(jī)械作業(yè)等干擾有效信號時(shí)也會(huì)影響到多道瞬態(tài)面波法數(shù)據(jù)質(zhì)量，地表情況(如水泥路面等)也會(huì)對電極、檢波器的插拔產(chǎn)生影響，因此需要綜合判斷分析選用合適的方法解決工程地質(zhì)問題。