地球物理勘探在引水隧道工程地质中的应用

黄 旭，刘少伟

地球物理勘探在引水隧道工程地质中的应用

黄 旭，刘少伟

（四川冶金地质勘查局六〇五大队，四川 彭山620800）

综合运用浅层地震折射法、高密度电法和音频大地电磁测深法三种方法对某矿区2Km浅埋的矿山尾矿库引水隧道通过区域的地质结构面、岩性特征、赋水性等地质情况进行了地球物理勘察，利用物探及地质资料进行综合解释，评价可能影响工程施工的断层、破碎带及异常区域，为设计提供可靠的地质依据及地球物理参数。

地球物理勘探；尾矿库；引水隧道；应用

矿山引水隧洞的安全运行是矿山安全、可持续生产的基础，而引水隧洞的勘察设计建设又是安全运行的前提。引水隧洞施工前的设计阶段，了解区域的地质结构面、岩性特征、赋水性、第四纪覆盖层厚度、下伏基岩面埋深及其界面的起伏形态等十分重要。在某矿区尾矿库巴拉河引水隧道设计施工中，为查清引水隧道深部地质情况，且考虑浅部横向分辨精度，因此运用综合浅层地震折射法、高密度电法和大地电磁法三种方法对通过区域进行了勘察，取得了较好的地质成果，满足了工程地质勘察要求。

1　工作方法原理

地震勘探主要研究人工激发的地震（弹性）波在浅层岩、土介质中的传播规律。地震折射波法是一种简便经济的勘探方法，在精度要求不高的情况下，它可为工程地质提供浅层地层起伏变化和速度横向变化资料以及潜水面的变化资料［5］。

电阻率法是建立在地壳中各类岩（矿）石之间导电性差异的基础上，通过观测和研究与这种差异有关的天然电场或人工电场的分布规律。高密度电阻率法是根据水文、工程及环境地质调查的实际需要而研制的一种电阻率法观测系统。与常规电阻率法相比，高密度电阻率法在野外信息采集过程中可可组合使用多种装置形式，因而采集的信息量大，数据观测精度高，在电性不均匀的探测中取得了良好的地质效果［5］。

电磁法是以地壳中岩石和矿石的导电性、导磁性和介电性差异为基础通过观测和研究人工的或天然的交变电磁场的分布规律。电磁测深法是根据电磁感应原理，研究天然或人工（可控）场源在大地中激励的地磁场分布，并用电磁场观测值来研究地电参数沿深度变化的一类电磁方法。常用的电磁测深方法有天然场源的大地电磁测深、人工场源频率测深和瞬变测深［5］。

2　工程概况

工作区为攀枝花市盐边县某矿区尾矿库，巴拉河引水隧洞为其中一部分地球物理勘察工作。巴拉河引水隧洞进口标高为1 171.24m，出口标高为1 106.00m，隧洞总长度2 012.74m。巴拉河引水隧洞工程主要由拦泥坝、导流渠、引水隧洞、消力池等组成。测区表层为第四系粉质黏土、含卵石中细砂土，第三系普格达组粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，下伏基岩为早元古界会理群斑岩，并且在测线中部大规模出露基岩。根据地质测绘调查，DK0+300和DK1+800附近存在断层或破碎带。根据有关地震资料，本区地处南北地震带安宁河谷带，地壳稳定性较差，总体上属次稳定区域，其地震影响主要来自库区东侧的昔格达断裂，地震危险区影响的烈度为7°。此次测量目的，是采用浅层地震折射波法、高密度电法、音频大地电磁法三种综合物探方法查明断裂及破碎影响带分布等不良地质现象、围内岩性变化，进行围岩分类，提供隧洞途经岩体纵波速度。

图1　某矿区尾矿库引水隧道地震折射、高密度电和大地电磁法平面布置

3　地球物理特征

岩层波速度采取搜集资料，结合折射时距曲线解译结果，进行波速参数统计。测区强风化层纵波波速值为562～860m/s，中风化层纵波波速值为1 794～3869m/s。AMT法和高密度电法以电阻率的差异来区分岩性及构造体，根据电阻率值的大小以及在地下的展布形态来识别地下地质体的空间分布和性质。影响电阻率的主要因素有矿物成分、岩石的结构、构造及含水情况等。根据经验统计和本区地球物理的反演结果分析，得出各地层的电阻率值。极破碎、极软弱或富水岩体视电阻率≤100Ω·m；破碎、软弱或含水岩体视电阻率值100～400Ω·m；较破碎岩体视电阻率值400～1 000Ω·m；较完整岩体视电阻率值≥1 000Ω·m。

综上，强风化带与中风化带，较完整岩体与破碎、软弱岩体及断层破碎带之间存在一定的物性差异。因此本工区具备开展浅层地震折射波法及音频大地电磁法、高密度电法的地球物理勘察前提。

图2　某矿区尾矿库引水隧道浅层地震折射波法勘探成果

4　野外工作及资料处理

浅层地震折射波法用于划分强弱风化带，了解岩土层垂向上纵波速度的变化特征。使用锤击震源，断路触发记时的方式，38Hz垂直检波器接收，多次垂直叠加记录，数据采集存储使用WZG-24A型地震仪，采样间隔0.05ms采样点数8 192点。采用初至折射波进行勘测，采用双重相遇与追逐排列观测系统，每排列4炮，道间距5m，最大炮间距125m，相遇排列最大长度为115m，测线长2 300m，物理点453个，数据点1 920炮·点。在拾取初至时间的基础上，对同一层地震折射波的对比分析，主要依据波的同相性和波形相似性等特点，对相邻两层折射波的对比分析，则用折射波在界面上且置换特征和同轴相交的特点，对相邻排列的连接对比，采用互换时，连接时相等特征，当连接时超过5ms，均对曲线进行平移处理。折射曲线主要用截距时间法和差数时距曲线法分解，分层解释时，均假设成均匀二层介质，有效速度的求取用折射波的交点法：Ve=X/T。在对地震波置换特征，时距曲线特征，岩土波速特征进行定性分析研究的基础上结合地质资料和野外观测结果建立了波速层与地质层位的对应关系，然后用于多种方法反复对比，求得各项定量解释的成果，绘制地震地质断面等成果图件。（图2）

高密度电法探测覆盖层埋深，探测浅埋段隧道岩体破碎情况。高密度电法用对称四极测深装置，采用AMNB施伦贝尔排列进行测量，基本点距4m，测线长2 400m，物理点599个，数据点8 441个。野外数据采集使用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD—2高密度电法仪进行滚动测量，布设电极60根。基本电极间距ΔX=8m，MN=4m，断面上的剖面条数n=14，排列观测段长度120m。最小与最大供电极距Lmin～Lmax=12～124m。在对实测高密度数据进行各排列数据连接、数据格式转换、剖面测点高程输入、测点坏数据切除等预处理后，利用计算机软件（2DRES二维反演）建立地层电性模型，依据模型进行ρs断面正演计算，由正演计算结果与实测ρs断面数据进行比较，经多次拟合迭代后其误差小于设定值，即认为实测ρs断面为反演模型的反映，由此得出实测、正反演ρs色谱断面，并进一步对反演模型进行地形改正，得到地改反演ρs断面。依据断面图电阻率值及电阻率形态，结合地质资料划分软弱、破碎岩体。图 3为高密度电法勘探成果。

图3　某矿区尾矿库引水隧道高密度电法勘探成果

音频大地电磁测深法用于隧洞勘探，探测隧洞范围内岩性变化，断裂及其破碎影响带分布等不良地质现象。选用加拿大凤凰地球物理公司研发的V8多功能电法仪，采用“十”字型观测装置，磁北观测系统，电极偶极矩20m，测线长2 260m，物理点114个。每个点基本测量时间25分钟左右，强干扰地段加长观测时间。野外采集数据使用MTSoft2D系列软件进行处理，在处理过程中，首先对野外数据进行去噪、静态校正等处理，然后进行一维及二维反演成像。综合电测深曲线、ρs断面图（电阻率等值线断面图）以及地质资料，主要考虑电阻率断面图中背景值、低阻异常的形态、低阻异常值及其梯度值等因素，联系实际地段所对应的地层岩性，对地层分界线、断层、岩溶及岩体的破碎、软弱或含水情况进行判释。根据ρs值大小，并考虑地层岩性等因素，将电阻率异常大致分为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ和Ⅱ四类。依据ρs断面图上电阻率异常的等值线及走向趋势确定异常的边界。根据上述分析和解释原则，对物探资料进行判释，绘制出音频大地电磁勘探成果图。图 4为大地电磁法勘探成果。

图4　某矿区尾矿库引水隧道大地电磁法勘探成果

5　综合解释

消力池：此段只布设了高密度电法工作，视电阻率相对较高，地层表部为冲洪积含卵石中细砂土、卵石土，视电阻率值为80Ω·m，其下为强风化斑岩，视电阻率值100～250Ω·m。推断解释与布设的钻孔ZBK1一致。

K1+860.00～K2+010.80段：浅部视电阻率为50～400Ω·m，物探划分为Ⅴ、Ⅳ类，随着深度增加视电阻率为4 000～10 000Ω·m，物探划分为Ⅱ类。地层表部为强风化斑岩，其下为中强风化斑岩。中强风化斑岩为中硬岩，岩体破碎，结构面较发育，微张，起伏光滑或平直粗糙，洞口隧洞围岩厚度较薄。

K1+730.00～K1+860.00段：浅部视电阻率低，约为40～100Ω·m，低阻带呈串珠状上下贯通，深部向K1+860.00～K2+010.80段延伸，物探划分为Ⅴ类，推测为断裂破碎带。根据区域资料该段发育F201廻龙糜棱碎裂岩带，岩体破碎，结构面发育，微张，平直光滑或起伏光滑。地层表部为粉质粘土、昔格达组强风化粉砂质泥岩及强风化斑岩，其下为中强风化斑岩。以上推断与钻孔ZBK2资料吻合较好。

图5　 某矿区尾矿库引水隧道地质剖面

K1+360.00～K1+730.00段：浅部测得视电阻率相对低，其值40～100Ω·m。视电阻率整体相对较高，约为400～6 000Ω·m，物探划分为Ⅱ、Ⅲ类。地层表部昔格达组强风化粉砂质泥岩，其下为强风化斑岩及中强风化斑岩。中强风化斑岩为中硬岩，岩体较完整，结构面中等发育，闭合～微张，起伏光滑或平直粗糙。

K0+460.00～K1+360.00段：浅部视电阻率相对低，其值40～140Ω·m。视电阻率整体相对较高，约为600～1500Ω·m，物探划分为Ⅱ、Ⅲ类。其中在引水隧道设计位置深部有小于100Ω·m低阻区域，物探划分为Ⅴ类。地层表部为强风化斑岩，其下为中强风化斑岩。中强风化斑岩为中硬岩，岩体较完整，结构面中等发育，闭合～微张，起伏粗糙，主要结构面约洞轴线夹角多为50°～90°，结构面倾角多为45°～70°。以上推断与钻孔ZBK3、ZBK4资料吻合较好。

K0+350.00～K0+460.00段：浅部视电阻率相对低，其值40～140Ω·m。视电阻率整体相对中阻，约为250～600Ω·m，物探划分为Ⅲ类。地层表部昔格达组强风化粉砂质泥岩及强风化斑岩，其下为中强风化斑岩。中强风化斑岩为中硬岩，岩体较完整，结构面中等发育，闭合～微张，起伏光滑或平直粗糙。以上推断与钻孔ZBK5资料吻合较好。

K0+280.00～K0+350.00段：浅部视电阻率相对低，其值40～80Ω·m。视电阻率整体相对低，约为100～250Ω·m，低阻带呈串珠状上下贯通，深部向K0+350.00～K0+460.00段延伸，物探划分为Ⅴ类，推测为断裂破碎带。地层表部为昔格达组强风化粉砂质泥岩，其下为，强风化斑岩及中强风化斑岩。中强风化斑岩为中硬岩，该段为断层破碎带，岩体破碎，结构面发育，微张，平直光滑或起伏光滑。

K0+100.00～K0+280.00段：浅部视电阻率相对低，其值40～100Ω·m。视电阻率整体相对高，约为600～2 500Ω·m，物探划分为Ⅲ类。地层表部为昔格达组强风化粉砂质泥岩及强风化斑岩，其下为中强风化斑岩。中强风化斑岩为中硬岩，岩体较完整，结构面中等发育，闭合～微张，起伏光滑或平直粗糙。以上推断与钻孔ZBK6资料吻合较好。

K0+000.00～K0+100.00段：浅部视电阻率相对高，其值100～250Ω·m。视电阻率整体相对高，约为1500～4 000Ω·m，物探划分为Ⅱ、Ⅲ类。地层表部为强风化粉质粘土、昔格达组强风化粉砂质泥岩及强风化斑岩，其下为中强风化斑岩。中强风化斑岩为中硬岩，岩体破碎，结构面较发育，微张，起伏光滑或平直粗糙，隧洞口围岩厚度较薄。以上推断与钻孔ZBK0、ZK26、ZK27资料吻合较好。

导流明渠：浅部视电阻率相对高，其值100～250Ω·m。地层表部为耕土及巴拉河沟床内冲洪积含卵石砂土、卵石土，物探划分为Ⅴ、Ⅳ类，其下为斑岩，视电阻率整体相对高，约为1500～10 000Ω·m，物探划分为Ⅱ类。以上推断与钻孔ZK25资料吻合较好。

6　结论

1）物探划分的Ⅴ类、Ⅳ类及断层破碎带岩体极破碎极软弱，施工中应密切注意预防塌方、涌水、突泥、垮塌等危害。

2）运用浅层地震折射波法、高密度电法测量点距分别为5m、4m满足测线浅层横向分辨率，音频大地电磁法测量点距20m兼顾了深部地质情况的勘察。综合运用能够区分了覆盖层风化程度，提供由浅部到深部的电阻率信息，划分围岩分类。

［1］底青云，伍法权，等.地球物理综合勘探技术在南水北调西线工程深埋长隧洞勘察中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2005.

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［5］雷宛，肖宏跃，邓一谦.工程与环境物探教程［M］，北京：地质出版社，2006.

TheApp lication of Integrated GeophysicalM ethods to the Engineering GeologicalExp loration of Diversion Tunnel in Tailing Dam Area

HUANG XuLIU Shao-wei
（No.605Geological Party，Sichuan Bureau ofMetallurgicalGeological Exploration，Pengshan Sichuan 620800）

Shallow seism ic refraction method，high density resistivity method and audio magnetotelluric sounding method are use for detecting geological structural planes，lithologic characters and water-bearing capability of diversion tunnel in tailing dam area of am ine which in combination with geological data assesses theengineering geologicalproblemsof the diversion tunnel.

integrated geophysicalmethod；shallow seismic refraction；high-density resistivitymethod.

P631

A

1006-0995（2015）02-0275-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.02.029

2014-05-23

黄旭（1988-），男，四川巴中人，助工，中国地质大学（武汉）在读工程硕士，主要从事物探勘查工作