高密度电法与音频大地电磁法在城市输水隧洞勘察中的应用

2020-12-14叶益信杜家明薛海军艾正敏姜奋勇黄远生

地球科学与环境学报 2020年6期

叶益信，杜家明，薛海军，艾正敏，姜奋勇，黄远生

(1.东华理工大学地球物理与测控技术学院，江西南昌 330013；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西西安 710005)

0 引言

高质量的大型输水隧洞建设对区域防洪排涝能力有着重要的支撑作用，但隧洞工程是一项隐蔽工程，因不良地质体导致地质灾害的事故也常发生。复杂地质构造及起伏地形等会对地球物理场分布造成严重影响，探测目标的有效异常难以被识别，同时隧洞埋藏较深，因此，输水隧洞的地球物理勘察一直是工程领域的难题。

近年来，随着城市物探的不断深入，罗登贵等通过理论模型模拟证明高密度电法各种装置均可进行活动断层的定性探测和地质分层，为高密度电法探测断层提供了理论依据[1]。前人就高密度电法开展了大量研究[2-7]。王志鹏等通过二维高密度电法探测断层，发现该方法有一定的有效性和准确性，且对逆断层的探测效果明显好于正断层[8]。郑智杰等采用高密度电法微测系统，利用铜柱体模拟地下岩溶管道，研究不同深度谷地对高密度电法探测岩溶管道的影响，进一步提高了岩溶区高密度电法找水的探测效果[9]。前人还就音频大地电磁法(Audio-frequency Magnetotelluric，AMT)开展了有益研究[10-11]。朱自串等通过音频大地电磁法反演结果反映的盐岩层、构造特征，为找矿靶区优选、钻孔选址、成矿研究提供了依据[12]。何国丽等验证了音频大地电磁法在硬岩地区进行地下水探测的实用性和有效性[13]。汤井田等针对矿集区大地电磁强噪声压制，在数学形态滤波基础上开展试验研究，有效地压制了音频大地电磁中的强干扰噪声，提高了数据可靠性[14]。段圣龙利用实测音频大地电磁法观测获得的隧洞深围岩电阻率来计算岩体完整性系数，从而对围岩进行分级[15]。也有专家就高密度电法和音频大地电磁法联合使用开展过研究[16]。陈松等在城市地质调查中联合使用高密度电法和音频大地电磁法对主要发育及次生存在的隐伏断裂进行了探测分析,确定了多条断裂位置及空间展布形态，证明了两种方法的结合能够满足隐伏断裂探测的需求[17]。

高密度电法和音频大地电磁法是工程勘探中常用的勘探手段，其联合应用能有效勘探不同深度目标体，从而提高有效勘探范围。本文以浙江省某大型输水隧洞勘察为研究对象，依据前期地质资料，基于高密度电法和音频大地电磁法建立地质模型，并对模型响应数据进行反演试算；根据高密度电法和音频大地电磁法勘察数据，调查勘察区沉积物分布厚度、构造破碎带发育情况等，为大型输水隧洞建设提供地质依据，以及为今后类似地质条件地区隐蔽工程建设提供理论和实践依据。

1 勘察区地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

勘察区位于西湖复向斜近核部的西南扬起部位，其隶属扬子准地台钱塘江台褶带的余杭—嘉兴台陷东北端、浙西北大复向斜的翼部，主要受华夏系和新华夏系构造格局控制。勘察区内主要发育NE向断裂带，走向一般为NE35°～NE60°，在平面上地层错移大，断裂破碎带宽度在数米至数十米不等，断裂带中岩石均硅化分裂，形成构造角砾岩，擦痕等挤压现象明显。NW向断裂带走向一般为NW35°～NW60°，在平面上一般错断NE向断裂带，断裂破碎带宽度在数米至数十米不等，以断裂角砾岩、碎块岩为主。勘察区内断裂主要有：瓜沥—前村断裂(F1),走向为NW30°，倾角为70°，倾向SE，横穿进水口A勘察区纵测线L1、横测线H1，与测点K1+150、0+30位置重合；马金—乌镇断裂(F2)，走向为NE40°～NE50°，倾角为70°，倾向SE，横穿重点勘察B区域测线L2，与测点K2+150重合。

勘察区主要位于丘陵山区，仅在山间洼地及平坦部位被第四系松散土层覆盖。勘察区内基岩岩性单一，均以砂岩地层为主，富水性相对弱。第四系地层主要以黏性土类、碎石夹黏性土类为主，富水性很差。进水口A勘察区为山前斜谷冲海积、坡洪积、冲洪积沉积平原地貌；重点勘察B区域为低山地貌；出水口C勘察区为山前斜谷湖沼积、坡洪积沉积平原地貌(图1)。工程沿线地形坡度为20°～38°，沟谷大多广宽，坡降较平缓。

图1 勘察区地形及测线布置

勘察区内岩体节理较发育，以次生节理为主，节理发育与断裂的关系十分密切，断裂带两侧节理发育密集，远离断裂带则节理密集度明显降低。勘察区节理面较平直，延伸较远，一般无充填物。其裂隙整体走向为NW10°～NW20°，倾角为50°～70°，倾向NE；部分走向为NE40°～NE60°，倾角为50°～70°，倾向NW。虽然自然条件下节理发育、局部破碎，但丘陵山体坡度一般较缓，边坡较稳定。

勘察区的岩性特点可分为两段。第一段是冲海积地貌单元地段，上部第四系覆盖层从山脚往外越来越厚，土体自稳能力也变差，围岩分级为Ⅵ级。第二段是低山丘陵地貌单元，即岩体隧洞本身穿越段节理较发育，围岩分级以Ⅲ级、Ⅳ级为主。

1.2 地球物理特征

针对第四系纵向及横向不均匀性，堆积界面起伏状态和第四系厚度分布不均。在地质踏勘提供的以砾岩为基底的第四系地表地质特征基础上，根据勘察任务并结合勘察区工程地质条件，制定以高密度电法为主、音频大地电磁法为辅的勘察方案。

对于高密度电法，勘察区地球物理条件表现为残坡积土随含水量的不同，电阻率也相应不同。勘察区表层残坡积土含水量变化较大，中风化基岩表现为高阻，强风化基岩由于孔隙含水表现为相对低阻，裂隙发育带和断裂破碎带含水量较高表现为低阻，并穿过中风化基岩面。这为划分不同风化层和裂隙发育带提供了地球物理前提，其中不同岩性电阻率范围见表1。

表1 勘察区岩土介质电性参数

对于音频大地电磁法，勘察区地球物理条件表现为：因地质构造发育，地下水丰富，基岩中如出现断裂、构造破碎带或不同岩性接触带等地质构造，其岩层电阻率会相应表现出明显降低等差异。因此，勘察区采用音频大地电磁法是适用的。

2 模型试验

为了解真实情况下地下隧洞上方的地电断面及不同地质体中场的分布规律，通过建立地质模型计算模型响应，并对模型响应进行反演试算。本次高密度电法二维正演模型采用RES2DMOD软件进行。根据已知资料设计两个不同异常体位置及规模的地质模型，应用温纳α装置，电极道数为60道，电极距10 m。通过有限差分法进行二维正演计算得到电阻率(R)拟断面图，然后将正演计算结果经过RES2DINV软件利用最小二乘法进行反演，得到电阻率反演断面图，最后对比分析反演成像结果，解释反演情况[18]。

图2为单一异常体模型及高密度电法模拟结果。假定低阻异常体电阻率为70 Ω·m，上覆地层电阻率为300 Ω·m，下伏地层围岩电阻率为1 000 Ω·m。加入5%噪声值，并迭代5次后得到模型反演结果。反演结果显示异常体与背景围岩存在非常明显的电阻率差异，断裂异常明显。由于异常区和背景围岩之间存在电性差异且相互影响，所以通过计算得出的电阻率并不是真实电阻率。但总体而言，模型所展现出的异常与模拟结果在一定误差范围内几乎没有差异，反演均方误差(RMS)为0.44%，这一数值较小且符合要求，表明高密度电法效果较好，可以达到实际探测需求。

图2 单一异常体模型及高密度电法模拟结果

图3为两个异常体模型及高密度电法模拟结果。由于静态效应的影响，异常区在背景围岩区域影响有一定程度的加深，但不影响对地质断裂构造的整体判断，断裂异常位置在推断异常区的范围之内。在加入5%噪声值并迭代5次后，反演均方误差为1.80%，反演结果可靠。

图3 两个异常体模型及高密度电法模拟结果

图4为音频大地电磁法模型及模拟结果。为避免其他因素引起的异常，在起伏地形条件下模型只设置单个异常区，地形高差为50 m。假设测点18个，采样间距20 m，采样频率20～20 000 Hz。为了能精确计算起伏地形条件下的模型响应，采用基于非结构网格的有限元法进行计算，并通过基于自适应非结构有限元的快速Occam反演计算得出反演结果。结果表明，音频大地电磁法在低阻异常与背景围岩之间的识别能力较好，尽管不能细致地分辨其下边界，但不影响总体判断地质构造的趋势[19]。

图4 音频大地电磁法模型及模拟结果

3 测线布设与数据处理

3.1 高密度电法

勘察区内地质特征研究程度较低，第四系等覆盖层厚度变化较大。根据勘察区内不同的水文地质条件，分3个重点区域进行详细探测(图1)，且各有不同断裂穿过。在出水口、进水口及部分河流溪水和沼泽等微地貌单元丰富区域，布设横、纵剖面(表2)，避免单剖面结论的片面性。

表2 勘察区测线方位

据现有研究结果，高密度电法的探测深度不仅跟电极装置的排列长度相关，还与地层的电阻率相关。高密度电法勘探主要采用温纳装置[17]，采用60根电极排列，极距10 m，部分横测线极距5 m，供电电压为180～360 V，16层观测，重复30道采集，重复数据取平均值，反演深度大于50 m。采用GEOTOMO公司的RES2DINV软件处理数据，对原始数据进行噪声剔除、叠加部分取平均值反演、后期正反演参数调试、成果文件输出与制图，其中噪声剔除主要针对最小电压、最大重复误差及最小视电阻率等不符合预设范围的数据。

3.2 音频大地电磁法

音频大地电磁法布置于所需探测路线的中心线上，即重点勘察B区域(测点K2+000～K2+340)。该勘察区部分区域河流溪水等微地貌单元丰富，预示着有断裂隐蔽性强的特征。在两条高密度电法勘探线的基础上，再布设纵测线AMT1，测点点距为20 m，采集频率为10～100 000 Hz。其中，低频采集使得勘探达到了一定深度，高频采集使得勘探达到较高分辨率[20]。采集叠加次数不少于10次。室内数据处理包括预处理和反演处理两部分。对数据进行预处理主要有去噪与静态校正；依据地质构造与地形起伏情况，判断静态效应及其严重程度，从而进一步对视电阻率曲线形态进行静态校正。反演处理时，视电阻率和相位的拟合误差均设置为5%，静态校正值设置为10%，迭代终止误差设置为1.5%，正则化因子取值为1，最小迭代次数为100次。

4 结果分析与解释

勘察区基岩主要为强风化—中风化基岩。浅部为杂填土、含砾粉质黏土、碎石夹黏土等第四系地层；深部为中风化砂岩、泥质粉砂岩，地质构造相对较复杂，风化强烈，基岩呈裂隙发育。

高密度电法和音频大地电磁法实测数据反演结果如图5、6所示。其中，高密度电法数据反演迭代4次，拟合误差为1%。根据高密度电法数据反演结果，可以有效推断勘察区内存在断裂构造区域，进而判断断裂构造位置(图5)。结合区域地质资料，基于勘察区内区域断裂带位置及勘探结果，在3个勘探区域综合判断出6条断裂发育带，分别为Fw1、Fw2、Fw3、Fw4、Fh1、Fh2、Famt(图5、6)。

图5 高密度电法反演剖面

进水口A勘察区中，纵测线L1第四系覆盖层及全风化、强风化层厚度为1～12 m，测点K1+360附近断裂发育带Fw2影响宽度约为13 m，倾角约为67°。测线沿线于测点K1+150处有断裂发育带Fw1，影响宽度约为15 m,倾角约为65°。横测线H1第四系覆盖层及全风化、强风化层厚度为2～10 m，测线沿线于测点0+30附近有断裂发育带Fh1，影响宽度约为10 m，倾角约为69°。同时，断裂发育带Fw1、Fh1也与区域地质断裂F1处于同一位置，二者走向一致。因此，该区域内由物探异常推断出的断裂构造带位置在隧洞设计施工中需要做防护处理或避开。

重点勘察B区域中，纵测线L2第四系覆盖层及全风化、强风化层厚度为3～12 m，测线沿线于测点K2+150处有断裂发育带Fw3，影响宽度约为15 m，倾角约为75°。横测线H2测线范围内地层上部第四系及风化层厚度存在差异，厚度为3～15 m。从音频大地电磁法反演剖面(图6)可以推断，从浅部至深部电阻率多表现为高阻，而测点K2+125～K2+340从浅部至深部呈现多个低阻区域，判断存在断裂发育带Famt。对比两种方法的反演结果，在测点K2+150处均出现电阻率突变区域，充分说明该处存在断裂发育带，且影响宽度约为15 m。同时根据前期地质资料，测点K2+150处于区域地质断裂F2上，电性差异明显，因此，推测此处断裂构造与地质资料吻合，表明反演结果准确可靠。从音频大地电磁法反演剖面(图6)可以看出，断裂发育带Famt的影响高程约为-500 m，因此，在隧洞设计施工中建议考虑其他设计线路，以避开此区域。

图6 音频大地电磁法反演剖面

出水口C勘察区中，纵测线L3第四系覆盖层及全风化、强风化层厚度为1.5～15.0 m，测线沿线于测点K3+200有断裂发育带Fw4,影响宽度约为12 m，倾角约为56°。横测线H3测线范围内地层上部第四系覆盖层及全风化、强风化层厚度为2～9 m，在测线沿线于测点0+35附近有断裂发育带Fh2，影响宽度约为13 m，倾角约为65°。该区域内无已知区域断裂经过，因此，在下一阶段的勘察中，此处物探异常需要做钻探验证。

勘察区总体上电性断面形态是：表层电阻率相对变化较大，中间低阻，底部高阻，电阻率为20～500 Ω·m。其中，表层填土、粉质黏土、全风化基岩、强风化基岩的电阻率为20～500 Ω·m，变化较大；坡地含水性差，砾石成分多，因此，结构松散呈高阻，一般大于300 Ω·m。由于基岩风化后的残坡积层呈砂土状，透水性好，含水量低，地表残坡积土在绝大部分地段表现为相对高阻，典型电阻率为50～150 Ω·m。强风化基岩表现为低阻，典型电阻率为30～100 Ω·m。

结合区域地质资料，勘察区强风化基岩一般呈砂土状或碎块状，裂隙极为发育，透水性较好。其下中风化基岩相对较完整，透水性差，在中微风化顶面上形成富水面，呈低阻界面，电阻率一般低于120 Ω·m。中风化基岩的电阻率大于120 Ω·m，典型电阻率为150～1000 Ω·m。节理裂隙发育带和断裂破碎带的电阻率为20～300 Ω·m，典型电阻率为20～120 Ω·m，一般呈向深部延伸的低阻条带异常显示。裂隙发育带和断裂破碎带的电阻率与强风化基岩在低阻特征上类似，当强风化的界面深度较大或含水时，也会形成向下延伸的低阻异常带，易造成误判。

根据7条测线剖面对地层进行整体分析，可以得出：地层上部为杂填土、碎石夹黏土及含砾粉质黏土，厚为1～15 m，随含水量的不同，电阻率为5～150 Ω·m；地层下伏中风化基岩在测线范围内地层上部第四系及风化层厚度差异较大，电阻率为150～3 000 Ω·m。基岩完整地段电阻率相对较大，全风化、强风化层及局部松散介质因含水，电阻率显示低阻；裂隙发育带及构造破碎带对岩体完整性产生较大影响，软弱结构面控制强度，受地下水作用影响明显，浅部岩体稳定性相对较差，电阻率表现为低阻特征并向下延伸。