大地电磁测深法在水利水电地质勘察中的应用.pdf

1962023年5 月规划设计与勘察江西建材大地电磁测深法在水利水电地质勘察中的应用戴宝忠甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃张掖734000摘要：鉴于常规槽探、探、井探、钻探技术在现代工程地质勘察应用中周期长、耗费大、精度低等问题，文中以大地电磁测深法为论述对象，以水利水电工程为依托，通过滑坡勘探、深厚覆盖层勘探和隐伏断层勘探工程实例的应用证明，该技术实施效果良好，与有限的槽探、碉探等技术资料形成互补，获取的地质信息更加丰富和精准。关键词：水利水电工程；地质勘察；大地电磁测深中图分类号：P631文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 5-0 19 6-0 3Application of Magnetotelluric Sounding Method in GeologicalExploration of Water Conservancy and HydropowerDai BaozhongGanlan Water Conservancy and Hydropower Architecture Design Institute in Zhangye City,Gansu Province,Zhangye,Gansu 734000Abstract:In view of the problems such as long period,high cost and low accuracy of conventional trenching,adit exploration,well explorationand drilling technology in the application of modern engineering geological exploration,this paper takes magnetotelluric sounding as the objectof discussion,and takes water conservancy and hydropower projects as the basis,and through the application of landslide exploration,deepoverburden exploration and hidden fault exploration engineering examples,it is proved that the implementation effect of this technology isgood,and with limited trenching The technical data such as adit exploration are complementary,making the geological information obtainedmore abundant and accurate.Key words:Water conservancy and hydropower engineering;Geological survey;Magnetotelluric sounding0引言我国水域资源丰富但地形复杂，水利水电工程在建设和运行过程中常遇滑坡、深厚覆盖层和隐伏断层等地质难题。利用常规槽探、碉探、井探、钻探勘察手段，往往在投人大量人力、物力和财力且实施较长周期后，难以得到高精度的勘察成果，而大地电磁测深法（MT）作为一种简便、经济的勘探技术，具有仪器轻便（无供电设备）、频谱丰富、勘探深度大、穿透能力强、勘察精度高、等值作用范围小以及理论相对简单（场源为平面波）等应用优势，可在地形复杂区域进行高效率、高质量勘探，能够有效弥补常规勘察技术的不足，现已得到广泛应用。1基本原理大地电磁测深法是一种利用天然场源（如太阳风、雷电等所产生的交变电磁场）的频率域电磁勘探方法，主要研究地球深部电性结构与构造1 。基于电磁波在地下介质传播时能量衰减的原理，低频电磁波向地下穿透深度大，高频电磁波向地下穿透深度小，不同深度地层的电阻率分布特征可用不同频率的电磁波信号进行探测。大地电磁测深法以高空垂直人射、频率为10-3 10 Hz的天然交变电磁波为激励场源，在进入大地介质与电磁感应作用所产生的感应电磁场交汇后，通过观测地面电磁场变化，获取阻抗并经数据处理和分析，便可获取该点不同深度电阻率曲线，从而对测点地质作出解释 2 。为研究大地介作者简介：戴宝忠（19 9 2-）男，甘肃张掖人，本科，工程师，主要研究方向为水利水电工程地质勘察。质电场强度（mV/km）和磁场强度（nT）的关系，在此引人波阻抗（）概念，在各向同性且均匀大地情况下，Z可表示为：EEZ=(1)HH波阻抗Z与电阻率p（m）之间的关系可表示为：P（2)式中，为角频率，取值2 元f；u 为磁导率，一般取值4元 10 7 H/m。介质的电阻率反映其电性特征，本文实测及收集了部分岩石的电阻率参数，具体见表1。表1岩石电阻率参数统Qm序号岩性电阻率范围电阻率均值1花岗闪长岩790643890161622花岗质片麻岩532462541292473硅化碎裂岩723324117164黑云二长花岗岩342330353166755黑云斜长片麻岩463176112174026条带状混合岩553017872116757角闪斜长片麻岩41823987814132电磁场在大地介质传播中，其振幅衰减至初始值时，对应深度在电磁理论中定义为趋肤深度，即探测深度（m）可表示为：1972023年5 月规划设计与勘察江西建材8=503(3)V式中,f为频率(Hz）。通常情况下，介质深度越大，对应频率数据越低，反之则越高。基于此，在同一宽频带下，通过观测和读取电磁场信息，并经数据处理和分析后，便可计算出对应视电阻率和相位，进而推算出大地的地电特征和地下构造 3。大地电磁测深法分辨率高、穿透力强，探测深度可达数千米，在水利水电工程地质勘察中应用十分广泛。尽管大地电磁测深法在水利水电工程地质勘察中应用优势明显，但在工程实践中仍然存在以下三点不足。（1）信号不稳定、不规则，容易受到工业噪音等外界因素干扰。（2）随着探测深度的增加，纵向分辨能力呈迅速减弱之势。（3）受体积效应影响，反演结果有时存在一定的非唯一性。2数据处理数据质量决定了成果质量，在原始数据采集后，通过技术手段将其转换为介质深度电阻率数据，经数据分析后，形成反映地下介质电性构造的电阻率断面图，具体流程见图1。原始时间序列V人工选图V去噪声、加时窗函数V各道信号的谱分析V估算谱矩阵相关估算法Robust（MF）估算法Robust（Q+W）估算法结果图形显示否结果是否合理是分析停止、存储数据、打印结果图1大地电磁数据处理流程示意图大地电磁测深法数据处理分为外业处理和内业处理两种形式，野外处理具有一定的实时性，借助傅立叶分析和变换，将原始时间序列转换为电磁场分量（分为虚实两种）和相位数据，显示单点电阻率、振幅和相干度曲线后，作业人员便可在现场及时发现不可靠数据并采取措施进行调整，以提升数据质量 4。内业处理借助专用软件完成，在编辑测点数据并删除异常数据后，再经数据去噪处理、静态效应校正和反演处理，便可获得剖面深度电阻率断面图，进而可对测点地质做出准确解释 5 3工程应用3.1滑坡勘探滑坡作为一种常见地质灾害，多形成于陡峭的“V”字形河谷两侧。滑坡对水利水电工程威胁巨大，特别是覆盖厚度大于100m的大型滑坡，极易因水库蓄水而高速失稳。S水库下游1.45 km处有一处长约1.6 km、宽约1.1km的巨型滑坡体，其前缘高程18 35.2 8 m，后缘高程2 6 8 4.2 m，高差约850m。该滑坡体以层状变质砂岩为主，另有少量冰水堆积、泥石流堆积和崩坡堆积等第四系堆积物。为治理该滑坡体，消除隐患，前期采用碉探和钻探进行厚度探测，但均因难度太大未能达到新鲜基岩，后经技术改进，采用大地电磁测深法进行多点探测，最终根据物探结果，对该滑坡体做出了完整的地质解释。探测结果显示：该滑坡体总体呈中间厚、两端薄的“鸡蛋”形，地下约2 2 0 38 0 m处存有电阻率在15 0 0 7 5 0 0 Qm的完整基岩界面，上部主要为电阻率在10 0 2 0 0 0 Qm的破碎岩体和第四系堆积物。另外，根据反演剖面图，在7 5 0 8 6 0 m段存有一条近乎直立的隐伏断层，后经地质核实，证明其确实存在。此外，在该剖面范围内，有一深度约15 0 m的不规则勘探平，保存基本完整，经勘察人员入内勘探，发现在深度9 0 12 5 m段普遍存在坡向拉裂变形构造，岩体扩容且完整性较差。从大地电磁测深剖面来看，在顺坡方向，此段有一条低阻异常区，其电阻率为10 0 30 0 Qm，与平碉勘探结果吻合。3.2深厚覆盖层勘探在水利水电工程选址和坝体设计方面，深厚覆盖层的存在给工作带来了巨大难度。在优良天然地基有限环境下，水利水电工程在深厚覆盖层上建设已成为必然之势，而该地层具有透水性强、堆积厚度大、岩性不稳定且结构松散等不良特征，极大程度上增加了坝基处理难度，因此，必须探明覆盖层厚度、分层及地质组成情况。拟建H水电站受地形限制坝址选择在宽约1.5 1.8 km的“U”形河谷，左右两岸地形宽缓，主要由结构松散的泥石流堆积和坡洪积组成，谷坡陡峻且基岩裸露，总体完整。坝址区域以坚硬、完整的黑云母长英质片麻岩和条带状混合岩为主；河床成分复杂，覆盖层深厚，主要由泥石流、坡洪积和冲洪积沉淀而成。为探明坝基区域覆盖层厚度及其工程性质，采用大地电磁测深技术，沿横河方向布设一条长约18 8 0 m测带，测点间距40m，共布设48 个，采集频率在10 10 0 Hz。原始数据采集并经处理和分析后，获得反演部面图，结果显示，0 116 0 m段含水量较高；116 0 18 8 0 m段以卵石为主，局部含有崩坡积块碎石。从反演剖面图和物探结果来看，拟建河床基底覆盖层共分为3层，最大厚度达到了430 m，地质信息见表2。表2拟建河床深厚覆盖层地质信息表地层（从上至下）地质情况电阻率/(2 m）形成方式主要成分泥砂，现代河床冲第一层50200含少量卵石击堆积第二层以砾石为主200500堰塞湖沉积主要成分砂砾，第三层200400冲洪积堆积含少量泥砂经钻孔验证，结果与大地电磁测深解释基本吻合。3.3隐伏断层勘探相较于传统基岩，隐伏断层往往潜藏于地表以下无出露，如果水利水电工程建（构）筑物建设于此类地质构造上，将构成巨大安全隐患。M水电站为提升发电能力，计划建设引水隧洞提高蓄水效率，经地质人员实地勘察，地表基本以覆盖层为主，但在过沟线路沟底一带有零星基岩“探头”，并有多条以碎粒岩为主、挤压紧密的数米级断层破碎带，累积带宽达上百米。从地形地貌来198上接第19 5 页）2023年5 月规划设计与勘察江西建材看，引水隧洞所在山脊存在断裂通过迹象，疑似隐伏断层。为了验证工程区域隐伏断层是否存在及其倾向如何，勘察人员在所见断裂露头区域布置一条测点间距30 m，总长为1420m，采集频率10 10 0 Hz的大地电磁测深剖面，测区范围地表岩体呈破碎状态。在经数据采集、处理、分析和反演操作后，获得图2 所示地质剖面图。1600p/om1500137012501400113013001010层89012007701100破6505301000碎410059900290带170800507001002003004005006007008009001000110012001.3001:400模向距离D/m图2引水隧洞大地电磁测深法反演剖面依据剖面结果，该引水隧洞工程区域地质情况解释如下：地表覆盖层厚约5 5 m，其下是电阻率为40 0 16 0 0 Qm的基岩，在桩号8 7 5 10 5 5 段，电阻率显示异常（过低，150450Qm），经判断，其为断裂破碎带。在剖面范围内，该断裂破碎带横向展布宽度约10 5 m，倾斜于小桩号方向，并且一直下延至底部。施工过程中，选用先进的施工技术，并尽量采用周边的原材料，减少运输成本和提高施工效率。（3）根据滑塌的内外因素选用综合性防治措施。加固时，可同时加固岩土与排放地下水，当路基边坡受到雨水冲刷、爆破等影响时，边坡也会发生滑塌事故，在加固过程中，应选择适宜的方式与位置进行爆破。5.2处理措施应用高速公路路基边坡防滑技术时，其具体实施应以防护为核心，通过整体计划设计布控，因地制宜，就地选材，合理利用防护技术 4。针对边坡稳定性影响因素、稳定性现状及可能的破坏模式，结合其地质结构及岩土体性质、施工条件等因素，提出处治措施建议如下：（1）调整公路线位，通过线位左移避绕滑坡区或通过抬高路基降低边坡高度。（2）对边坡进行卸载，放缓坡率。（3）对于坡顶裂缝，采用非膨胀性黏土进行充填封堵并覆盖防水薄膜。（4）在滑坡体中下部增加抗滑桩等防护措施5 1。（5）加强坡面防水措施。（6）加强坡体排水，如在坡脚设置一排仰斜排水孔。（7）相关防护措施施工应避开雨季，并间隔开挖施工。实践证明，在地质构造复杂地区，隐伏断层构造与周围区域电性差异越大，大地电磁测深法识别效果越好。4结语在水利水电工程地质勘察中应用大地电磁测深法，具有以下优点：（1）仪器轻便，作业周期短，耗费经费小；（2）数据采集快速且保真率高，资料处理和解释技术成熟；（3）勘探深度大，效率高，质量优，所获地质信息更丰富。利用大地电磁测深法获得的地质结果，可作为选择、制定水利水电工程建设运营方案的有效技术依据，总体优势明显，值得推广。参考文献【1刘祖鉴，刘诗华，马一行，等大地电磁法关于断裂分辨力的研究J.地质论评，2 0 2 0.6 6（S1）：5 9-6 1.2范祥泰，张志厚，苏建坤，等大地电磁测深法探测山区深埋隧道隐伏构造：以安石隧道探测为例【J.科学技术与工程，2021,21（15):6 2 11-6 2 2 0.3赵诚亮MT法在文登地区干热岩资源勘查中的应用J工程地球物理学报，2 0 19，16（4）：5 2 5-5 2 9.4走赵立波，杨吉武，黄书华。音频大地电磁法在断裂探测中的应用【J.西部探矿工程，2 0 2 2，34（2）：12 9-130.【5 杨冶，姜志海，岳建华，等干热岩勘探过程中地球物理方法技术应用探讨J，地球物理学进展，2 0 19，34（4）：15 5 6-15 6 7.6王红梅，董书宁，王鹏翔，等。复杂地质条件下煤矿地下水监测预警技术J】.西安科技大学学报，2 0 2 2，4（3）：5 0 1-5 11.（8）建议加强坡体相关监测，如坡面变形监测、坡体深部位移监测等 6 。6结语本文对遂川至大余高速公路B4标段路堑边坡的地质条件和可能出现的破坏模式进行了分析，结合土工试验给出建议值和处理措施，可基本消除施工过程中此边坡带来的不利影响，降低高速公路实际施工的风险，提升边坡整体固化施工效果，保障路面的运行安全。参考文献【1】赵川波.高速公路路基边坡的滑塌防护施工技术应用研究J。工程机械与维修，2 0 2 3（2）：10 2-10 4.2至李伊钦.贵州山区沿河公路选线与路基修筑技术探讨【J.交通世界，2 0 2 3（Z2）：6 5-6 7，7 0.3范坤.高速公路路基边坡滑塌防护施工技术要点分析【J.四川建材，2 0 2 3，49（4）：10 5-10 6，12 6.【4刘斌，徐国强，黄海亮.西藏地区某项目高大边坡组合治理控制J.四川建筑，2 0 2 3，43（1）：12 2-12 3.5席政，席德美，席燕，等.矿山最终边坡稳定性预测分析与安全措施研究J.水泥工程，2 0 2 3（2）：7 4-7 6，7 9.6颉沛，蔡佳豪.甘肃省某高边坡稳定性及加固措施研究J.江西建材，2 0 2 2（2）：44-46.