EH4在水利工程勘察中的应用

安 鑫

(新疆水利水电勘测设计研究,新疆 昌吉 831100)

1 概述

水利工程建设项目特别是水电站和引水工程的建设，给我们各族人民的生产和生活带来了越来越多的便捷，也解决了不少地区的用水用电和基础工农业的发展问题。但是对地表起伏较大以及埋深较大地区工程的勘察工作，用常规的物探方法(电法、渐层折射)受地形和勘察深度的影响较大，难以解决工程勘察中遇到的问题，而EH4音频大地电磁测深法则可以较好的解决上述问题，为水利工程建设项目提供可靠的资料。

2 EH4大地电磁测深方法原理与资料解释

2.1 方法原理[1]

EH4音频大地电磁测深法(AMT)属于一种部分可控源与天然源相结合的大地电磁测深系统[2]。地层中深部的信息利用天然天然场源信号成图，能接受到的有效频率范围在10～105Hz之间，上部地层信息则需要人工场源来补充103～105Hz之间的频段信号，由于电磁场的频率不同，穿透深度也不同，从而可以研究地下不同深度的电性结构[3]。EH4大地电磁测深法适主要以天然源电磁场为主场源，所以要求测试区无人工电磁场的干扰，即远离高压线、地埋线等输变电线路的影响范围。EH4大地电磁法穿透性较好，纵向分辨率较高，可以对一些较小的构造，特别是纵向异常明显的构造，能进行很好的分辨，但对高阻体的横向分布，却很难去判断出其分布的边界范围[4]。

假设天然地磁场是以平面波的形式垂直入射地球表面，在地表可以观测到相互垂直的电场分量(Ex，Ey)和磁场分量(Hx，Hy)，可以计算波阻抗和电阻率[5]，其计算公式为：

(1)

式中f为频率，Hz；ρ为电阻率，Ω·m；Ex为对应x电极方向电场强度，V/m；Hy为y轴方向对应的磁场强度，A/m。

地层的分布一般不是均匀的，因此由式(1)计算出的ρ值并不能代表地层的真是电阻率，故称为视电阻率值，并由此推测对应的理论深度为趋肤深度[6]，计算公式见式(2)：

(2)

式中δ为趋肤深度，m；f为频率，Hz；ρ为电阻率，Ω·m。

由式(2)可知，电磁波的穿透深度，地层电阻率越大，频率越小，测试深度越大。EH4数据采集系统一般由发射机、前置放大和主机3部分构成；一般发射机距主机之间的距离在135～350 m左右，测试的过程必须保持二者同时移动，确保接收到有效的补充信号，野外采集的工作示意图见图1。在野外工作时首先应避开高压线和其他人工电磁场的影响，如果测试条件避不开，则继续调整增益，确保采集到的电道和磁道信号不溢出，同时增加数据采集的次数，其次应保证每个测点的电极入地至少2/3，磁棒水平且平行对应的电场方向，如遇大风，应将磁棒和磁棒线埋入土中，保证采集到数据的完整性。

图1 高频大地电磁法野外工作布置示意

野外测试时，一般以X轴方向为剖面方向，Y轴则垂直X轴布置，X和Y方向的电极距根据现场试验结果确定，一般以10～20 m为宜。根据测试目的选择合适的点距，采集完成1个数据之后将前置放大器沿X轴方向向前移动至下一个点，直至整条剖面测试完成。需要注意的是在测试的过程中需注意天线的前置放大器的距离，应始终保持在135～350 m。工作频率一般7波段(1～92 kHz)叠加16次，主要采集浅部地层信息，1波段(10～1 000 Hz)叠加8次，主要采集中深部地层信息，采集完成后会生成X、Y、Z3个方向的文件，应该对每天测试的数据进行处理，并对原始文件进行备份[7]。

2.2 资料解释

EH4数据处理采用专业的软件进行处理，显示测试剖面上每个测点的视电阻率值，另存为dat文件，最后用suffer成图(见图2)。

图2 高频大地电磁测深法资料处理及成果解释框示意

资料处理分为现场预处理和室内处理两种。采集现场根据原始质量的好坏进行预处理，对不合格的数据重新采集，室内处理第一步是在主机上进行的，主要是对测点数据的MT视电阻率，相关度曲线、相位并重新处理互助功率谱数据[8]，处理的目的是降低干扰，突出有用的信息；第二步是将处理后的数据用专用的CF卡拷贝到计算机上做进一步处理，最后重新成图。

对上述处理后保存数据的再用专业的HMT数据处理系统软件进行2D处理，过程如下：

1) 处理后的数据，用UltraEdit软件对@文件中的每个测点的点极距和点距进行编辑和检查。

2) 打开@文件，对每个测点的相位曲线进行处理，尽量保持在45°左右，对频率曲线和电阻率去上偏离较大的点进行校正或删除，然后选择合适的圆滑系数进行2D成图，输出保存成DAT格式文件。

3) 最后用SURFER8对上一步保存的dat文件进行处理，尽量选择较小的行间距成图，并对图件进行解释，最后输出成JPG格式图片。

3 工程实例

3.1 EH4在水电站坝址区堆积体体勘察中的应用

某水电站的坝址区左岸坡度较缓，存在一定规模的堆积碎石土层，根据钻孔揭露，左岸的覆盖层(堆积体)主要为崩塌堆积、坡积、河流冲洪积混合堆积层组成，厚度比较大，其电阻率小于6×102Ω·m；下伏岩层为凝灰岩，弱风化，其电阻率ρ值在1×102～1×105Ω·m之间。工作区的覆盖层和下部的岩体的视电阻率差异明显，适宜进行EH4测试。

1) 顺河方向1#测试剖面

1#测试剖面位于河床左岸的堆积体的底部顺河布置，剖面长度275 m，测试剖面的电阻率范围在10～6 000 Ω·m，电阻率值呈上部底下部高的趋势。覆盖层的电阻率值相对较低，在10～600 Ω·m，解释覆盖层厚度在25～45 m，平均厚度35 m左右；基岩界面起伏不大，推测较完整基岩顶板高程在1 150 m左右，测试剖面未见贯穿的低阻异常带。剖面桩号20 m处的钻孔ZK1揭露基岩埋深39 m，与物探解释深度一致(见图3)。

图3 左岸堆积体1#剖面EH4测试电阻率断面示意

2) 垂河方向2#测试剖面

2#剖面垂河沿堆积体布置，剖面长度250 m，测试剖面的电阻率在40～6 000 Ω·m之间，剖面上部(覆盖层)的电阻率在40～600 Ω·m之间，推测覆盖层厚度在15～50 m，最大厚度位于剖面桩号65～70 m处。下伏基岩在剖面起伏较大，剖面桩号30～175之间存在一“U”形深槽像底部延伸至基岩顶板高程1 040 m左右，电阻率值在600～1 500 Ω·m之间，推测岩体完整性差或接触破碎带；其他测试范围内岩体电阻率在1 000～1 500 Ω·m，岩体完整性较好。剖面桩号150 m处的钻孔ZK2显示覆盖层厚度50 m，孔深140 m以上岩体较破碎，以下岩体完整(见图4)。

图4 左岸堆积体2#剖面EH4测试电阻率断面示意

3.2 EH4在引水工程洞线勘察中的应用

某调水工程的设计洞线高程1 900～1 950 m段经物探遥感解译发现洞线经过处可能存在断层，为了解断层的规模和延伸方向，及对后期工程建设的影响，随后进行了EH4测试工作，确定断层的延伸是否经过设计洞线位置。

1) 推测1#断层EH4测试剖面

该测试剖面沿半山腰从山顶向下测试，剖面长度200 m，洞线设计高程1 950 m，沿测线方向地形局部变化，表层全部为覆盖层。剖面桩号0～110 m、160～200 m电阻率变化呈浅部低深部高的趋势，电阻率值从表层向下连续变化，大部分在50～2 500 Ω·m之间，推测设计洞线附近基岩较完整。剖面桩号110～160 m从浅部向深部形成一个条带状的低阻异常，该异常一直延伸到测试剖面的底部，其电阻率值在200～800 Ω·m，和左右岩体的视电阻率值差异较明显，综合考虑推断该异常为断层破碎带，而且异常的埋深直接跨过设计洞线的位置，在工程的后期建设中应做好隧道地质超前预报工作并加强支护。剖面桩号150 m处的钻孔ZK3显示覆盖层厚度60 m左右，孔深60 m以上岩体较破碎，且局部含断层泥(见图5)。

图5 1#断层EH4测试电阻率断面示意

2) 推测2#断层EH4测试剖面

该剖面测试段地形较陡，测试剖面长200 m，隧洞设计高程在1 910 m，沿剖面方向未发现明显出露的岩体，该条剖面的视电阻率值在20～2 450 Ω·m，在整条测试剖面变化大，呈现出上层电阻率低下层电阻率高的趋势，该段洞线附近电阻率值在1 250 Ω·m以上，推测岩体较完整。剖面桩号0～30 m、120～200 m段电阻率变化呈中上部低，下部高的形态，测试洞线顶部的岩体电阻率较高且变化不大，推测该段岩体相对完整，岩体的视电阻率值在1 200～2 450 Ω·m。剖面桩号30～120 m段自地层浅表部存在一“U”形低阻异常带延伸至设计洞线上方，电阻率值小于1 000 Ω·m，推测为断层构造或影响带，岩体较破碎，在后期的工程建设中应特别注意来自洞线顶部的涌水。剖面桩号100 m处的钻孔ZK4孔深120 m以上岩体较破碎，以下岩体完整(见图6)。

图6 2#断层EH4测试电阻率断面示意

4 结语

通过EH4测试在水电站工的勘察和调水工程勘察中的应用，证明该方法在查找覆盖层厚度和断层勘查中是有用的，EH4测试电阻率断面与后续钻孔验证情况和工程开挖所揭示的地质情况基本吻合，说明该方法在工程勘察中是一种有效的勘测系统，值得推广。同时EH4音频大地电磁测深是一种定性解释的范畴，必须要有已知资料作为背景值方能在工程勘察中起到应有的效果。