瞬变电磁法在抽水蓄能电站地下洞室超前地质预报中的应用

吴 强，郭佑国，晏 凯

（安徽桐城抽水蓄能有限公司，安徽省桐城市 231400）

0 引言

与常规水电站相比，抽水蓄能电站一般穿越多种地层、地貌，利用较大的水头差储蓄足够的势能进行发电[1]。抽水蓄能电站地下工程洞室多埋藏于山体内部[2]，且埋深较大，而施工期地下工程洞室开挖过程中常遇到断层破碎带、岩溶及地下水等不良地质条件。地下工程洞室超前地质预报探测方法多采用地质雷达，该方法探测距离短，探测时间长，制约了地下工程施工进度[3]。安徽桐城抽水蓄能电站选取对外交通公路隧道和进厂交通洞两个部位作为试验段，同时采用地质雷达、瞬变电磁法进行地下洞室超前地质预报，将瞬变电磁法探测成果与地质雷达探测成果及洞室开挖后的地质素描成果对比分析，研究瞬变电磁法在抽水蓄能电站地下洞室进行超前地质预报的可行性。

1 工程概况

安徽桐城抽水蓄能电站安装4台单级容量为320MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机，总装机规模1280MW，额定发电水头355m。主要枢纽建筑物包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统和地面开关站等建筑物组成，为一等大（1）型水电工程。该电站筹建期工程共开挖11条地下洞室，总长约17.6km。

工程区在大地构造单元上属扬子准地台（Ⅲ）、淮阳台隆（Ⅲ1）、岳西台拱（Ⅲ12），处于北东向郯—庐深断裂与东西向青山—晓天断裂所构成的断块内，该断块为中元古代以来的长期隆起区。输水发电系统沿线山体雄厚，岩性以二长片麻岩为主，局部闪长岩脉侵入，多为熔融接触。断层、节理较发育，以NNE向、NW向、NE向陡倾角为主，断层规模较小，胶结一般～较差，与隧洞轴线交角较大。洞室围岩较完整～完整，局部完整性差，次块状～块状结构为主，岩体透水性微弱，中等～低地应力，围岩分类主要以Ⅱ类、Ⅲ类为主，成洞条件较好。洞室多位于地下水位以下，没有大的透水性构造，一般不存在危害性涌水问题。

2 地质预报方法

地下洞室超前地质预报是保证洞室施工安全、优化工程设计、实现施工信息化的重要基础，地质预报成果的准确性、及时性、科学性是指导地下工程洞室施工安全、优质、高效的前提条件。传统的地质雷达探测分辨率高，但探测距离短（本区探测距离约30m），预报频次高，预报耗时长，施工干扰大；瞬变电磁法探测距离大（本区探测距离最大约300m），数据量丰富，可实现掌子面全区域覆盖测量[4]。瞬变电磁法在地形复杂、构造发育、噪声干扰严重的地区开展勘查工作具有明显优势，可有效探测断层[5]。

3 试验对比

3.1 测线布设方案

地质雷达采用水平剖面布设方式在掌子面进行观测[6]，不能完整反映整个掌子面后方区域的地质情况；而瞬变电磁法通过上下、左右扫描观测方式，可完全了解掌子面后方区域的地质情况[7]，使探测成果更加清晰、直观。地质雷达和瞬变电磁测线布设方案如图1和图2所示。

图1 地质雷达测线布设方案Figure 1 Layout plan of GPR survey line

图2 瞬变电磁测线布设方案Figure 2 Layout plan of transient electromagnetic survey line

3.2 试验对比分析

桐城电站选取对外交通洞K4+655与进厂交通洞J0+275两处掌子面作为试验点，同时采用地质雷达和瞬变电磁法进行地下洞室超前地质预报，并进行试验结果分析。

3.2.1 对外交通洞试验段

（1）地质雷达探测成果。

采用地质雷达法在对外交通洞K4+655掌子面处布设2条剖面，总长度20.4m，测点共104个。探测结果如图3所示。

图3 对外交通洞K4+655掌子面处地质雷达探测成果Figure 3 GPR survey results at K4+655 face of external traffic tunnel

由地质雷达探测剖面可知：在掌子面前方0～14m范围内，地质雷达信号表现为强振幅、连续性较差的特征，以高频为主；少量位置中频信号发育，解释该异常区为爆破松动圈及节理发育的综合反映区，围岩完整性一般，地下水少量发育。在掌子面前方17～19m和23～26m范围内，表现为高幅值界面异常，解释为局部缓倾角状节理、裂隙的反映。掌子面前方14～17m、19～23m和26～30m范围内，地质雷达信号表现为连续且均匀平行的特征，以高频为主，振幅较弱，该段岩体较完整，地下水不发育。

（2）瞬变电磁探测成果。

采用瞬变电磁法在对外交通洞K4+655掌子面处布设2个扇形剖面，左右扇形剖面及上下扇形剖面。左右扇形剖面以发射线框的法线垂直于左壁为起点（0°）测量，顺时针方向每15°布置一个测点；当线框法线垂直于掌子面时（90°），每隔0.5m布置一个测点；到达右壁时继续按15°进行扫描，至线框法线与隧道右壁垂直（180°）时测量结束。上下扇形剖面以线框法线与隧道轴线呈30°时为起点，每隔15°布置一个测点，至线框法线与隧道轴线呈150°时，测量结束。工作布置如图4所示。

图4 瞬变电磁扇形观测系统示意图Figure 4 Schematic diagram of transient electromagnetic sector observation system

瞬变电磁法采用CL900和CL1100两种线框对探测效果及探测深度进行对比分析[8]，进行同点位测量。探测结果显示：采用CL900发射线圈时，本区探测距离可达到200m；采用CL1100发射线圈时，探测距离达到300m。具体试验观测结果如图5～图7所示。

图5 瞬变电磁CL900线框观测成果剖面图Figure 5 Cross section diagram of TEM CL900 wire-frame observations

图6 瞬变电磁CL1100线框观测成果剖面图Figure 6 Cross section diagram of TEM CL1100 wire-frame observations

图7 对外交通洞K4+655掌子面瞬变电磁三维成果图Figure 7 Three-dimensional transient electromagnetic results of K4+655 face of external traffic tunnel

根据瞬变电磁CL900、CL1100发射线框上下、左右扫面两种观测系统的探测结果可知：两者数据基本相吻合。整体沿掌子面掘进方向表现为视电阻率值呈低—高的趋势，整体视电阻率值ρs=905～965Ω·m，视电阻率差值较小，解释为该测量段岩性均一，整体较完整，隧洞围岩为混合花岗岩（γ），未发现明显的断裂构造及基岩破碎带。在掌子面前方0～15m（里程K4+655～K4+640）范围内视电阻率呈低阻异常，解释该异常区为爆破松动圈及节理发育的综合反映区，围岩完整性一般，地下水少量发育，围岩等级属于Ⅲ类，与地质雷达探测成果基本一致。在掌子面前方15～300m（里程K4+640～K4+355），视电阻率值呈高值反映，该段岩体较完整，地下水不发育，围岩等级属于Ⅱ类。

（3）地质素描成果。

为准确判定瞬变电磁法探测结果的准确性，现场根据对外交通洞K4+655～K4+355段揭露的围岩地质情况进行复核，结果如下：

地质素描成果显示对外交通洞K4+655～K4+355段围岩整体以微风化混合花岗岩为主，少量位置闪长岩脉发育，节理、裂隙不甚发育；其中，K4+655～K4+630段地下水少量发育。经综合研判，K4+655～K4+625段围岩属Ⅲ类围岩，K4+625～K4+355段围岩属Ⅱ类围岩。

地质素描成果与瞬变电磁法超前地质预报成果基本一致，其中K4+640～K4+625段围岩等级划分与预报成果存在差异，初步判断由于强烈爆破产生松动圈，卸荷裂隙及节理裂隙发育的影响，局部产生松动。

3.2.2 进厂交通洞试验段

（1）地质雷达探测成果。

采用地质雷达法在进厂交通洞J0+275掌子面布设2条剖面，总长度16.4m，测点共84个。地质雷达探测成果如图8所示。

图8 进厂交通洞J0+275掌子面处地质雷达探测成果Figure 8 Ground penetrating radar survey results at J0+275 face of traffic tunnel of entering factory

地质雷达探测剖面综合分析结论如下：在掌子面前方0～30m段发现一处异常区（图中青色线条范围内），异常区主要集中距离右壁0～5m范围内，异常区地质雷达信号表现为强振幅，连续性较差的特征，以高频为主，少量位置中频信号发育，解释该异常区为爆破松动圈及节理发育的综合反映区，围岩完整性一般。在掌子面左壁5～8m范围内，地质雷达信号表现为连续且均匀平行的特征，以高频为主，振幅较弱，该段岩体较完整，地下水不发育。

（2）瞬变电磁探测成果。

与对外交通洞试验段类似，同样采用CL900与CL1100两种线框进行同点位测量，具体试验观测结果如图9～图11所示。

图9 瞬变电磁CL900线框观测成果剖面Figure 9 Cross section diagram of TEM CL900 wire-frame observations

图10 瞬变电磁CL1100线框观测成果剖面Figure 10 Cross section diagram of TEM CL1100 wire-frame observations

图11 进厂交通洞J0+275掌子面瞬变电磁三维成果图Figure 11 Three-dimensional transient electromagnetic results of J0+275 face of traffic tunnel into factory

瞬变电磁CL900与CL1100两种发射线框上下、左右扫面两种观测系统的探测成果显示，两者结果基本相吻合。整体沿掌子面掘进方向表现为视电阻率值呈低—高的趋势，视电阻率值ρs=605～665Ω·m，视电阻率差值较小，解释为该测量段岩性均一、整体较完整，隧洞围岩为上太古界大别山群刘畈组二长片麻岩（Ar2l），未发现明显的断裂构造及基岩破碎带。在掌子面前方0～30m（里程J0+275～ J0+305）范围内视电阻率呈低阻异常，异常区向掌子面右下方呈放射状延伸，解释该异常区为爆破松动圈及节理发育的综合反映区，异常主要位于掌子面右下方，围岩等级属于Ⅲ类，与地质雷达探测成果基本一致。在掌子面前方30～300m（里程J0+305～J0+605），视电阻率值呈高值反映，该段岩体较完整，地下水不发育，围岩等级属于Ⅱ类。

（3）地质素描成果。

根据进厂交通洞J0+275～J0+575段地质素描成果进行分析复核，结果如下：

该段围岩以微风化二长片麻岩为主，少量位置闪长岩脉发育。J0+275～J0+300段节理裂隙较发育，J0+300～J0+575段节理裂隙不甚发育，地下水不发育。经综合研判，J0+275～J0+575段围岩属Ⅱ类围岩。

由上可知，实际开挖情况与瞬变电磁超前地质预报成果基本一致。J0+275～J0+305段围岩等级划分与预报成果存在差异，初步判断该段节理裂隙较发育，虽在局部形成节理密集带，但整体稳定性较好。

4 施工进度对比

桐城电站地下洞室超前地质预报设计的物探方法为地质雷达。在充分了解本区地层背景、岩性及物性基础上，结合洞室施工条件，将超前地质预报工作方式变更为瞬变电磁法。地质雷达与瞬变电磁两种探测方式施工进度对比如图12所示。

图12 地质雷达与瞬变电磁施工进度对比图Figure 12 GPR and TEM construction progress comparison chart

本次对比假设隧洞地质预报长度400m。地质雷达观测需进行14次，单次观测时间约2h，共计需要约52h；瞬变电磁在相同情况下，只需要观测2次，单次观测时间3h，总计需要6h。由上可知，在同等超前预报工作量的情况下，地质雷达所需总时长是瞬变电磁的8倍多。利用瞬变电磁法进行洞室开挖超前地质预报，大大减少了进洞观测次数，同时也减少了隧洞施工的停工次数，为施工总进度争取更多的时间。

5 费用对比

根据《工程勘察设计收费标准》[9]，地质雷达法与瞬变电磁法单价对比如表1所示。

表1 地质雷达法与瞬变电磁法单价对比表Table 1 Comparison table of unit price between GPR method and TEM method

由表1可知，地质雷达探测与瞬变电磁法探测费用折算成每米单价后相差7.7%，费用基本一致。

6 结论

通过安徽桐城抽水蓄能电站应用瞬变电磁法进行超前地质预报，可得出如下结论：

（1）采用瞬变电磁法进行超前地质预报，探测结果与常用的地质雷达探测基本一致，探测范围更广，且探测精度也较高。

（2）瞬变电磁法可极大程度地减少对地下洞室开挖的干扰，有效减少因超前地质预报造成的施工停工时间，为地下洞室开挖争取更多的时间。

（3）瞬变电磁法与地质雷达探测预报每米单价基本一致，瞬变电磁法的使用不会增加工程造价。