EH4在乐滩水库引水灌区岩溶勘察中的应用研究

黄基文，黄先波，罗继勇

（广西水利电力勘测设计研究院，南宁 530023）

EH4在乐滩水库引水灌区岩溶勘察中的应用研究

黄基文，黄先波，罗继勇

（广西水利电力勘测设计研究院，南宁 530023）

介绍了EH4电导率成像系统在探测地下异常体的工作原理和测试方法。先对碳酸盐岩区的已知地质异常体进行EH4探测试验，总结其剖面布置、异常扩展效应和点距选取的规律，确定工作参数，并将试验取得的经验和参数应用到后续在该区开展的乐滩水库引水灌区工程TBM施工隧洞六浪出口段岩溶特征探测工作，并分析其应用效果。

碳酸盐岩地区；EH4；异常扩展效应；乐滩水库引水灌区；引水隧洞

广西中部碳酸盐岩地区，是强岩溶发育区，常伴生溶洞和断层破碎带等不良地质体，来宾市乐滩水库引水灌区工程引水隧洞恰好通过该地区，在隧洞施工中一旦遭遇水源丰富的大规模涌水、涌泥的溶洞，排水抢险极其困难，可能会造成人员和财力的巨大损失。因此，查明隧洞及其周围的岩溶发育特征，结合地质情况提出应对措施，避免隧洞涌水就尤为重要。近年来，EH4电导率成像被广泛应用于寻找深部地下水、采空区以及水文地质勘查中，该系统具有信噪比高、成像效果清晰、探测深度大等特点[1，2]。

1 EH4测试方法与技术

1.1 EH4电导率成像系统原理及特点

野外原始数据采用美国EMI公司和Geometrics公司联合研制的EH4电导率成像系统采集。该系统是结合了可控源与天然源特点的一种高频大地电磁测深系统，工作频率范围在10 Hz～100 kHz。通过连续多点观测交变电磁场互相垂直的4个分量（Ex、Ey、Hx、Hy），分析研究地面波阻抗随频率的变化，了解视电阻率，根据测区内卡尼亚视电阻率的变化情况，达到探测地下异常体的目的。

在电磁理论中，将大地看作水平介质，这时大地电磁场则是垂直投射到地下的平面电磁波，在地面上可测量到相互正交的电场和磁场分量，从而可确定介质的电阻率值，如式（1）所示[3]：

其中 f为频率，ρ为视电阻率，它表征均匀各向同性大地介质条件下地面电磁测量与大地电阻率的关系，而EH4的探测深度在理论上是趋肤深度，表示为：

这表明，电磁波的透射深度随电阻率的增加和频率的降低而增大，也即高频率部分反映浅部的电性特征，低频率部分反映深部的电性特征。

EH4电磁成像系统采用的是人工场源与天然场源相结合的工作方式，既弥补了天然场源在个别频率的不连续，又更好地解决了浅部地质问题。测量系统和发射系统轻便，易观测，具有较高的分辨率。并且不受高阻盖层影响，在基岩或玄武岩大面积覆盖的地区依然能够有效地探测地下深部地质构造。

1.2 EH4数据采集和处理

野外采集数据前，首先进行平行试验，检测仪器是否正常工作，观测两个对应的电场和磁场通道的波形和强度是否一致。其次，进行野外数据采集，它包括地表交变电磁场X、Y方向的电场（Ex、Ey）和磁场（Hx、Hy）水平分量的时间序列。然后，采用IMAGEM软件对采集获得的数据经过傅立叶变换和复杂的函数计算可得到地下交变电磁场的自功率谱和互功率谱，从而从而计算出大地电磁场的频率响应，即随频率变化的电阻率、阻抗相位值以及相关系数等，这时应注意剔除干扰信号，由于信号采集过程中出现了随机干扰或者固定干扰信号，使得视电阻率曲线上个别频点发生跳跃，因此我们应对时间序列信号进行人工编辑，剔除畸变信号和个别跳跃频点。随后，野外采集的电场信号（Ex、Ey、Hx、Hy）经过滤波、放大等处理，再利用IMAGEM软件进行二维反演。反演时，应选择合理圆滑系数，一般在0.05～10之间，可进行多次圆滑系数的选择，挑出最合理的作为最终结果。最后，进行地形校正和插值处理，一般采用每个测点的实际高程为二维反演文件中的第一个频点的高程，其他频点的高程做简单的加减计算，得到校正后的文件。对于深部缺失数据的部分，采用最深的两点的数据线性关系计算深部未知点的视电阻率，也即外延法。最终在Surfer软件下经过插值处理，形成精美视电阻率二维等值线剖面图[4]，结合地质资料对剖面图进行综合解释。EH4系统工作流程具体见图1。

2 EH4设备试验结果分析

2.1 EH4剖面布置试验

为研究和总结EH4剖面布置规律，采用10 m点距对已知地质异常体（即已开挖的加旦～良马隧洞）进行EH4试验，隧洞洞径约为8 m，隧洞轴线高程为105 m，相对背景区（以灰岩为主的围岩）呈高阻[5]。共布置了5条剖面，剖面（a）、（b）、（c）长均为190 m，分别在隧洞顶部、平行偏移隧洞5 m、10 m布置；（d）、（e）剖面分别垂直隧洞轴线90 m、110 m处布置，剖面长均为60 m，隧洞均在（d）、（e）剖面的30 m处通过。

图1 EH4系统工作流程

图2 加旦～良马隧洞1#、2#线视电阻率等值线图

从图2结果中得出，剖面（a）、（b）、（c）在隧洞轴线正上方和平行偏移隧洞轴线5 m、10 m布置的剖面探测范围内岩溶裂隙异常形态一致性较好，但剖面探测范围内未见隧洞的高阻电性反映，推测为已知地质异常体与背景区电性差异不明显所致。剖面（d）、（e）垂直隧洞轴线90 m、110 m处布置的剖面在105 m高程附近视电阻率等值线呈高阻闭合现象，为隧洞通过部位，与实际情况相吻合。

通过以上探测试验说明垂直已知地质异常体走向布置探测剖面效果较在隧洞轴线正上方或平行偏移隧洞轴线布置的效果明显，这也与物探剖面的布置原则相一致。

2.2 EH4异常扩展效应分析

对已知地质异常体（即已开挖的古火～果遂隧洞、上古岭隧洞）进行EH4异常体积效应探测试验，采用10 m或20 m点距。隧洞洞径约为8 m，隧洞轴线高程为105 m。

图3中（a）、（b）剖面分别垂直古火～果遂隧洞、上古岭隧洞布置，剖面长分别为100 m、200 m，隧洞分别在（a）剖面50 m处、（b）剖面100 m处通过。

图3 古火～果遂隧洞古甲段、上古岭隧洞视电阻率等值线图

图3（a），在剖面49～63 m高程97～83 m段，等值线近似扁平椭圆状高阻闭合，与周围电性差异明显，为隧洞引起的异常位置，但异常位置埋深偏浅，异常大小偏大。图3（b），在剖面93～112 m高程112～98 m处，等值线上部呈高阻闭合，与周围电性比较差异明显，为隧洞通过部位，但异常大小偏大。

再结合图2（d）剖面30～41 m高程112～102 m处，等值线呈高阻闭合，与周围电性差异明显，为隧洞通过部位，与实际情况相吻合，但异常位置略偏大号方向且埋深偏浅，异常大小偏大。图2（e），在剖面17～31 m高程108～97 m处，等值线呈高阻闭合，与周围电性差异明显，为隧洞通过部位，基本与实际情况相吻合，但异常位置略偏小号方向且埋深偏深，异常大小偏大。

通过以上探测试验说明EH4异常存在扩展效应问题，解译的异常位置及异常规模与已开挖隧洞揭露的实际情况略有偏差，但在总体把握上比较准确，在成果解释时应结合地质资料综合分析。

2.3 EH4点距大小选取试验

在已知地质异常体（即已开挖的加旦～良马隧洞、古火～果遂隧洞）基础上，采用10 m、20 m点距进行EH4试验。

图4中（a）、（b）的1#、2#测线分别采用10 m、20 m点距垂直加旦～良马隧洞布置，剖面均为60 m长，隧洞分别在1#线35 m处、2#线30 m处通过。异常大小（8 m）与埋深（50）比为1/7。

图4（c）两个剖面分别采用10 m、20 m点距垂直古火～果遂隧洞布置，剖面长分别为100 m、90 m，隧洞均在剖面50 m处通过。异常大小（8 m）与埋深（260）比为1/33。

从图4中（a）、（b）、（c）的6个剖面，比较10 m、20 m点距探测效果看出：采用10 m、20 m点距探测均出现明显的高阻闭合异常，为隧洞通过部位，与实际情况相吻合，但异常位置、埋深、大小略有偏差。采用10 m点距探测得出的高阻闭合等值线在均匀性和收敛性方面优于采用20 m点距探测，更接近实际地质情况，说明10 m点距更适合该研究区域的探测，但总体而言20 m点距探测也能探测到大部分10 m点距探测到的异常。

通过以上探测试验说明，探测工作中可先选大点距工作，遇到异常位置就沿剖面方向在异常位置前后加密探测。

3 TBM施工隧洞六浪出口段实例分析

TBM施工隧洞六浪出口段属于广西桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程的北干渠部分，工区内可溶岩分布较广，地貌景观的主要特征为：峰丛洼地、谷地等，地形起伏、险峻，隧洞沿线覆盖层分布广泛，主要为第四系红粘土覆盖。下伏基岩有石炭系上统下部地层，岩性主要为灰岩、含燧石条带灰岩夹薄层硅质岩等。含水或含泥的溶洞及断层破碎带与完整灰岩间形成明显的电性差异，该区具备开展大地电磁法探测的电性条件[6]。

借鉴前期探测试验取得的经验和参数开展TBM施工隧洞六浪出口段岩溶特征探测工作，本次EH4剖面沿隧洞轴线布置，采用20 m点距，沿剖面方向在异常出现位置前后采用10点距加密探测，在成果解释时结合地质资料综合分析，使解释异常位置、埋深、大小更接近实际情况。

图4 加旦～良马隧洞1#、2#线、古火～果遂隧洞视电阻率等值线图

图5 TBM施工隧洞六浪出口段视电阻率等值线图

图5中，剖面0～540 m对应桩号B25+632～26+172，分析该剖面视电阻率等值线图：

（1）在剖面160～300 m高程200～70 m，低电阻率异常呈带状，从小号往大号倾斜，纵向梯度明显变化，推测为岩溶裂隙发育密集带或岩溶裂隙发育区所致岩体破碎的电性反映。隧洞施工过程在桩号B25+811附近遇到大溶洞，约对应剖面175 m处，由此可见，溶洞位置处于物探解译异常范围之内，异常位置与实际情况基本吻合。

（2）在剖面450～540 m高程110～40 m，视电阻率梯度变化明显，存在电性差异，为一视电阻率较低异常体，推测此处为岩溶裂隙发育区所致岩体破碎的电性反映。隧洞施工过程在桩号B26+072附近遇到大量涌水、涌泥现象，约对应在剖面445 m处，涌水、涌泥位置处于物探解译异常的小号方向约5 m附近，解译与实际情况大致吻合，解译异常位置略偏大号方向。

（3）在剖面450～540 m高程110～40 m，视电阻率梯度变化明显，存在电性差异，为一视电阻率较低异常体，推测此处为岩溶裂隙发育区所致岩体破碎的电性反映。隧洞施工过程在桩号B26+157附近遇到溶洞、塌方，约对应在剖面530 m处，溶洞、塌方位置处于物探解译异常范围之内，异常位置与实际情况基本吻合。

TBM施工隧洞六浪出口段在施工过程中，桩号B25+811、B26+072、B26+157三处遇到溶洞、涌水、塌方现象，其中B25+811和B26+157在物探解译异常范围之内，B26+072处物探解译位置略偏大号，物探解译的异常位置及异常规模与实际情况略有偏差，但在总体能够比较准确查明隧洞及其周围的岩溶发育特征等问题，为施工地质提供科学依据。

4 结论

开展探测工作前通过在碳酸盐岩区进行EH4试验，总结规律和确定工作参数，将取得的经验和参数应用到同在该区的TBM施工隧洞六浪出口段的探测工作中，取得较好探测效果。通过此次探测得出如下结论：

（1）EH4电磁成像系统可以提供高分辨率的电阻率成像，清晰地区别了含水或岩溶破碎带和其他地层，在岩溶隧洞勘查中是一种有效的、实用的勘探方法。

（2）由于该系统受高阻盖层影响小，在高阻盖层区域也够比较准确查明隧洞及其周围的岩溶发育特征等问题，为施工地质提供科学依据。

（3）虽然EH4解译的异常位置及异常规模与已开挖隧洞揭露的实际情况仍有差异，但在总体把握上比较准确，对岩溶问题可进行一定的超前宏观预测。

[1] 王烨，曹哲明，汤井田，等.铁路隧道工程勘察高频大地电磁测深应用效果研究[J].工程地质学报，2005（3）：424-428.

[2] 曹哲明.音频大地电磁法在宜万铁路隧道勘察中的应用效果[J].铁道勘察，2004（1）:53-54.

[3]劳雷公司.EH4操作手册[Z].

[4] 于爱军，黄辉.EH4电磁系统用于金矿找矿的效果--以山东山后和甘肃阳山矿区为例[J].黄金地质，2002，8（1）:51-55.

[5] 广西水利电力勘测设计研究院.广西桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程施工详图阶段物探报告[R].南宁:广西水利电力勘测设计研究院，2012.

[6] 广西水利电力勘测设计研究院.广西桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程招标设计阶段TBM施工隧洞北泗～六浪段大地电磁法探测报告[R].南宁:广西水利电力勘测设计研究院，2010.

（责任编辑：刘征湛）

Application of EH4 in karst survey in Letan Reservoir irrigation zone

HUANG Ji-wen,HUANG Xian-bo,LUO Ji-yong
（Guangxi Water and Power Design Institute,Nanning 530023,China）

An introduction was made on the operating principle and testing method of EH4 conductivity imaging system used for survey of underground anomalies.Testing survey of EH4 was conducted first with known geological anomalies in carbonate area.The rules of profile arrangement,anomaly spreading effects and receiving space were summarized,and the working parameters were determined.Experience and parameters out of test were applied in karst survey for the Liulang outlet section of TBM construction tunnel of Letan Reservoir irrigation project.

Carbonate area;EH4;anomaly spreading effect;Letan Reservoir irrigation zone;diversion tunnel

P631.8

B

1003-1510（2016）02-0029-05

2016-01-22

广西水利厅科技项目（编号：KY-201302）资助

黄基文（1983-），男，广西钦州人，广西水利电力勘测设计研究院工程师，硕士，主要从事工程物探工作。