瞬变电磁法在水利枢纽工程二线、三线船闸勘察中的应用.pdf

:/.:/第 卷 增 人民珠江 年 月 收稿日期:作者简介:林峰()男硕士工程师主要从事水利勘察、城镇管网排查等工作 :.瞬变电磁法在水利枢纽工程二线、三线船闸勘察中的应用林 峰万 聪刘 航(.中水珠江规划勘测设计有限公司广东 广州.中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西 西安)摘要:某水利枢纽工程现拟建二线、三线船闸为了解拟建船闸区域的填土层厚度和岩溶的发育及分布情况采用瞬变电磁法工区内的地质结构进行勘测对采集到的数据进行预处理、视电阻率计算、时深转换、绘制视电阻率 深度断面图经过处理后得到工区地下构造物探处理成果 反演结果显示:工程区内高程大体在 的地层岩溶发育较强后经钻孔验证钻孔资料与反演结果基本吻合说明瞬变电磁法对地层分层以及岩溶探测的效果较为良好同时也给类似地质条件的勘察项目提供了相关经验关键词:水利枢纽工程瞬变电磁法岩溶探测中图分类号:.文献标志码:文章编号:()某水利枢纽是 座以防洪、航运、水资源配置和发电为主结合灌溉等综合利用大型水利枢纽 坝基覆盖层厚度变化较大区内岩溶发育受到岩性、岩层组合形式的因素制约十分明显不同岩性岩溶发育程度差异大 现已建一线船闸拟在左岸建二线、三线船闸采用瞬变电磁法勘测船闸区域的填土层厚度和岩溶的发育及分布情况对物探反演结果揭示的溶洞异常进行钻孔验证钻孔资料与反演结果基本吻合说明瞬变电磁法对地层分层以及岩溶探测的效果较为良好并为工程区内地基处理设计方案的选择提供一定的支撑瞬变电磁法的概念最早由前苏联科学家于 世纪 年代提出 之后于 年美国科学家.最先提出用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场 到了五六十年代前苏联科学家完成了瞬变电磁法的一维正演与反演成功地完成了瞬变电磁法理论的创建并将其应用在了实际的野外工作当中瞬变电磁法开始进入实用阶段中国研究时域瞬变电磁法始于 世纪 年代国内一些高校及研究所相继取得了一些理论研究成果如朴化荣编写电磁测深法原理牛之链编写脉冲瞬变电磁法原理并给出了球体瞬变电磁响应的计算公式方文藻编写瞬变电磁测深法原理等 年后有蒋邦远编著的实用近区磁源瞬变电磁法勘探李貅编著的瞬变电磁测深的理论与应用 在实际应用方面 年严良俊等应用浅层瞬变电磁法对岩溶水进行了成功勘探并利用钻探结果进行了验证 年张子强将瞬变电磁法在隧道工程地质风险预测与评估中进行成功应用 基本地质条件该水利枢纽一线船闸布置在河道左岸右侧紧邻左电厂左侧为预留的二线船闸位置 本次勘察范围主要是二、三线船闸工程区船闸区布置位于低山丘陵地带原始地貌为丘陵及级阶地地面高程一般 级阶地上冲沟较发育最大的 条冲沟切割深度约 现状为该水利枢纽施工期间在阶地位置布置的弃渣场堆渣厚度约为 人民珠江 年增刊 堆渣后地面高程 河床偏向右岸岸边断续见基岩裸露基岩面高程一般为 区内多为沉积岩出露地层从寒武系至第四系侵入岩主要为印支期侵入的花岗岩 出露的地层主要有泥盆系下统那高岭组()、郁江组()、二塘组()、官桥组()及第四系 其中那高岭组以页岩为主为非可溶性岩是很好的隔水层郁江组下部为砂岩、页岩中上部为不纯碳酸盐岩夹页岩为强岩溶发育层组二塘组其上主要为白云岩中下部主要为灰岩为强岩溶层组官桥组主要为白云岩与页岩偶夹薄层钙质页岩或灰岩组成厚薄相间的韵律为弱岩溶层组第四系主要分布在河流左岸一级阶地上成分主要为黏性土、粉土(局部分布)卵石层和人工填土层工程区内各岩性电阻率情况如下:地表第四系覆盖层电阻率值不超过 页岩、砂岩电阻率值在 左右白云岩及灰岩电阻率值大致为 地下水位高程大致为 当出现岩溶裂隙充水充泥时电阻率值会迅速降低与周围形成明显的电阻率异常 而瞬变电磁法具有分辨率相对较高、对低阻体敏感、可穿透高阻覆盖层、无地形影响的优点可满足本项目中查明地层厚度及岩溶发育情况的要求所以选用瞬变电磁法完成本次探测任务 瞬变电磁法.瞬变电磁法原理瞬变电磁法又称时间域电磁法简称 属于电磁感应类探测方法 它遵循电磁感应原理其机理为导电介质在正负直流方波激发下产生的涡流场效应 其工作原理为利用一个不接地的回线或磁偶极子(也可以用接地线源电偶极子)向地下发射静磁场作为激发场源 根据法拉第电磁感应定律静磁场结束以后大地及探测目标体在激发场(即“一次场”)的作用下内部会产生感生的涡流 这种涡流有空间特性和时间特性涡流强度与诸多因素有关如目标体的空间特征和电性特征、激发场的特征等而且因为热损耗的缘故会逐渐减弱直至消失 利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场(称为“二次场”)的强弱、空间分布特性和时间特性进而从中提取目标体的电性信息装置示意见图图 等值反磁通电磁装置示意针对一次脉冲信号所激发的二次场信号见式():/()式中 磁导率 发送线圈磁矩 接收线圈等效面积 地层电阻率 时间从式()看出二次场信号与/、/成反比即“二次场”的本质特征是由探测目标的物理性质及赋存状态决定其时间特性中早期信号反映浅部地层信息晚期信号反映深部地层信息时间的早晚与探测深度的深浅具有对应关系 通过观测和研究“二次场”的空间分布特性和时间特性可以解译地层或地质目标体的几何和物性特征.装置选择 方法可分为磁性源 和电性源 种其区别在于装置类型不同 磁性源装置属于感应源优点在于能够与目标层达到最佳耦合的状态并且装置受到层位倾斜的影响较小缺点在于二次场的能量衰减过快感应信号能够被观测的时间较短探测深度有限而且装置受地形影响较大另外磁性源装置只有水平电场分量在低阻体中容易产生感应电流所以适合解决良导体的探测问题 电性源装置优点在于可通过增大供电电压来提高勘探深度同时电性源装置产生的观测信号衰减速度较慢对晚期信号的观测质量提供了一定的保障适合深部探测在地形条件复杂地区电性源装置在布设人民珠江 年增刊 的选择上更加灵活和便捷因此野外勘探效率更高另外电性源装置具有水平和垂直电场分量可同时兼顾高阻体与低阻体的探测任务因此电性源装置在野外探测工作中适用性更加广泛 本次任务所使用的的仪器也属于电性源装置.测线布置与采集参数本次工作主要是为了查清拟建船闸工程区的地质情况在船闸闸室位置共布设了 条瞬变电磁法测线 其中沿着拟建船闸航行方向左右两侧各布设一条测线(、)垂直船闸航行方向布设横测线 条(、)测线 和测线 之间间隔 测线 和测线 之间间隔 测线点距为 测线布置见图 图 瞬变电磁测线及钻孔平面布置野外采集数据所用仪器的发射线圈半径为.天线接收等效面积 关断时间.阻性负载信号发送频率为.采样率 发送波形为占空比的双极性方波为要求天线摆放水平倾斜角小于 主机与天线距离大于 本次信号采集所用仪器是以多周期叠加采样取平均值作为实测记录信号 由于采样间隔小且无需时窗抽道相对于传统瞬变电磁设备的大间隔采样和时窗抽道得到实测记录信号其数据准确度更高纵向分辨率更高 资料处理及成果解译.资料处理流程数据采集完成后使用仪器自带的反演软件进行资料处理 由于工区现场有高压线所以对靠近高压线的数据造成了电磁干扰这容易导致数据产生整体偏高或偏低且出现极大或极小值 对此首先需要对数据进行预处理:将受到干扰的数据进行校正并将极大、极小的异常值进行剔除再进行信号去噪、多点圆滑根据数据处理重叠回线的计算公式计算视电阻率瞬变电磁仪器野外观测到的是二次场电位随时间变化需要将这些数据转换为电阻率随深度的变化本次采用瞬态弛豫反演法进行处理结合地质资料建立地质模型计算每道的探测深度最后绘制各测线瞬变电磁视电阻率 深度断面图得到反演结果 资料处理流程见图 图 瞬变电磁法资料处理流程.成果解译总体上看 条测线剖面垂直方向按电阻率大小大体可分为 层:高程大体在 以上地层视电阻率一般小于 横向电阻率值变化不大地层推测为填土厚度为.高程大体人民珠江 年增刊 在 的地层视电阻率值一般为 该地层岩溶较为发育推测地层为砂岩或泥灰岩高程大体在 以下地层视电阻率值一般大于 该地层电阻率值偏高且无明显电阻率异常 工区内砂岩和泥灰岩视电阻率差别不大用本方法难以区分岩性图 所示测线 长 视电阻率一般为 该条测线地下水位高程大致在 从剖面反演结果来看顶部高程大致为、底部高程在 的地层视电阻率值为 水平方向上共存在 处电阻率曲线闭合的异常区里程大致分别在 、该处地层岩性主要为砂岩与灰岩推测为岩溶强发育区图 测线瞬变电磁反演成果图 所示测线 长 视电阻率一般为 该条测线地下水位高程大致 从剖面反演结果可看出顶部高程大致为、底部高程在 的地层视电阻率值为 水平方向上共存在 处电阻率曲线闭合的异常区大致分布在里程为 、该处地层推测为岩溶强发育区图 测线瞬变电磁反演成果图 所示测线 长 视电阻率一般为 该条测线地下水位高程大致为 从剖面反演结果可看出顶部高程大致为、底部高程在 的地层视电阻率值为 水平方向上共存在 处电阻率曲线闭合的异常区大致分布在里程为 、该处地层判断为岩溶强发育区图 测线瞬变电磁反演成果图、所示沿船闸航行方向的两条纵测线、测线长度分别为 和 两条测线地下水位高程大致为 小桩号一侧的地下水位高程较高往大桩号方向逐渐降低 测线和、测线分别相交于 、处 处交点的地质结构在两条测线上的反演结果基本一致其中与 和 测线的交点处在各自测线的反演成果图上均有异常显示推测为岩溶发育区 测线和、测线分别相交于 、处三处交点的地质结构在两条测线上的反演结果基本一致其中与 和 测线的交点处在各自测线的反演成果图上均有异常显示推测为岩溶发育区.钻孔验证为验证瞬变电磁测线所反应出的异常信息的准确性在 条测线上共布设了 个钻孔 其中、钻孔岩芯结果显示该处地层均无岩溶异常与物探反演结果反映出的地层信息一致、钻孔岩芯结果显示存在溶洞与物探测线在该处地层反映出的岩溶异常位置及高程基本吻合 另外、钻孔岩芯结果揭露的溶洞当中无充填人民珠江 年增刊 物这部分溶洞在瞬变电磁反演结果当中没有较好的体现出来 按照测线上布设的钻孔验证结果来计算本次瞬变电磁法探测对地层信息反映的准确率为.图 测线瞬变电磁反演成果图 测线瞬变电磁反演成果 结论)根据以上物探的勘测结果可以看出瞬变电磁法利用岩土层的电阻率差异能够对地层进行分层对岩溶低阻异常构造的勘察效果也较为良好通过横纵测线反演结果的相互印证以及钻孔资料的验证进一步证明了瞬变电磁法在岩溶探测方面具有一定的精确性)根据物探的探测成果以及钻探揭露的信息来看拟建的二、三线船闸区的填土层厚度大概为.填土层下方为岩溶强发育区部分溶洞内无填充物建议对灰岩、白云岩分布区段进行灌浆处理高程在 以下的地层完整性相对较好)根据钻孔揭露的地层信息分析对于无充填物的溶洞由于该部位的电阻率值与周围地层的电阻率值没有形成明显的差异导致瞬变电磁法对其探测效果不佳这也是瞬变电磁法的一种局限参考文献:薛国强李貅底青云.瞬变电磁法理论与应用研究进展.地球物理学进展():.李貅.瞬变电磁测深的理论与应用.西安:陕西科学技术出版社.蒋博.瞬变电磁法在地下空穴探测中的试验研究及应用.郑州:郑州大学.张莹莹.电性源瞬变电磁法综述.物探与化探():.张鲁珩.翟培合.瞬变电磁法数据处理流程研究.科技创新与应用():.(责任编辑:李燕珊)