综合物探方法在深厚覆盖层探测中的应用

闫永峰

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 昌吉 831100)

地质勘察是水利工程前期的基础工作。随着水利技术进步和民生需要,更多的水利工程向深部发展,地质条件更加复杂,覆盖层埋深更厚,勘察难度增加。合理选用勘察方法能够有效节约勘察成本、加快工程进度。

目前,钻探、化探和物探是水利工程地质勘察的主要手段。钻探[1-4]是通过钻取、分析岩芯,获取地下岩石信息的勘查方法,但钻探工作只能揭露一个点的岩石情况,工期长、成本高;化探[5-8]是通过对地表土壤采样,分析,如同位素分析、微量元素分析等,获取地质信息的勘查方法,广泛运用于找矿、区域地质调查等领域,需要进行大量的采样工作,试验周期较长,成本较高,不适于水利工程应用条件;物探[9-16]是通过物理手段,利用物质的物理特性,如电性差异、密度差异、波的传播速度等分析地下物质的特征的勘探方法,通过物探可进行沿线剖面测试工作,一条测线代表的是一个面,多条测线可代表一个整体,资料解释耗时短、成本较低,适于水利工程勘察。

物探受地形、测试环境等的影响,定性解释工作难度较大,为提高物探资料解释的正确性和可靠性,近年来综合物探方法[17-22]得到广泛应用。张玲玲等[17]使用重力、可控源音频大地电磁测探技术勘查了霍邱马店地区能源资源,确定了地层展布情况和断裂性质、位置及走向;考虑工程建设过程存在的危岩体崩坏、碎石坠落、松散堆积体与碳质页岩自然边坡失稳等风险,蒋召杰[18]使用激电测探法和瞬变电磁法探明了温塘特大桥不良地质情况;朱鑫磊等[19]开展了盾构机穿越岩溶地层中的地磁波CT和微动技术应用研究,综合电磁波CT法精度高和微动技术探测深度大的优势,确定了地下盾构机施工风险和注浆加固范围。

目前,针对覆盖层超200m的物探技术应用较少,本文以枯木拔里水库工程建设为例,使用四极电测深法、微动法和EH4音频大地电磁法,综合其探测深、精度高、成本低、覆盖广、周期短的特点,查明覆盖层厚度,并在物探剖面布置少量钻孔验证物探精度。

1 工程概况

1.1 地形、地质简况

枯木拔里水库工程位工新疆维吾尔自治区阿克苏地区吐格拜勒齐河与木扎提河汇合处下游附近,是木扎提河的控制性工程,承担灌溉、防洪、工业供水,兼顾发电等综合利用任务的枢纽工程。工程坝址区距下游破城子水文站约42km,距下游已建木扎提河三级水电站约29km,距拜城县130km,距阿克苏市180km。工程区位于天山山脉的中西段,哈里可他乌主脊的南侧,属南天山。工程区只有简易公路通往上下坝址区右岸,交通道路较差。河谷宽约1.5km,汛期水量较大。

工程区分布主要岩性为第四系腐殖土、砂砾石、砂岩、花岗岩、片麻岩等。物探测试的目的是查明上坝址、中坝址轴线的覆盖层厚度。

1.2 地球物理特征

测区河床表层干燥砂卵砾石层电阻率为800～2000Ω·m;中间砂砾石层电阻率为2000～3500Ω·m;下伏含水砂砾石层电阻率为500～900Ω·m;粉砂岩电阻率为1200～1800Ω·m,花岗岩、片麻岩电阻率为2500～3000Ω·m。

2 物探工作方法与技术

2.1 野外工作布置

沿上坝址轴线布置一条物探综合剖面,长度1423m,方向250°,ZK1和ZK2为前期勘探孔。沿中坝址轴线布置一条物探综合剖面,长度1550m,方向241°,验证孔3个(ZK9、ZK10、ZK11)。

2.2 野外工作方法及质量评价

根据前期上坝址ZK1钻孔揭示200m未打到基岩,中坝址河床宽度约1.4km,表层为砂卵砾石,两边为出露片麻岩。物探测试工作难度巨大,现场道路条件差,工作效率较低,受河床冰积层影响,供电条件极差。针对这种深厚覆盖层问题,采用多种物探方法结合相互验证。先采用微动法[15,19]、EH4音频大地电磁法[12-14]对物探剖面进行定性解释;再通过大极距四极电测深法[9,10,23]进行复核定量解释。

根据《水利水电工程勘探规程 第1部分:物探》(SL/T 291.1—2021)[23]物探工作方法与技术的选择应满足以下总体要求:

a.被探测对象与周围介质应存在物性差异,其几何尺寸与埋藏深度之比不宜小于1/10。

b.物探工作应遵循从已知到未知、从简单到复杂的原则,从已知地质条件的地段开始,取得现场背景资料后再开展复杂地段的工作。

c.地质、地球物理条件复杂或重要地段,宜采用多种物探方法相互验证。

2.2.1 电法工作

电测深工作主要采用四极对称装置,MN/AB=1/10,最小AB/2为1.5m,最大AB/2以充分反映目的层和曲线完整为原则,一般在600～800m。野外测量采用单次读数法,为保证曲线质量,对曲线畸变点进行重复观测,并对观测点进行一定的检查。根据规范要求重复观测应符合下列规定:

a.在测线的端点、曲线的突变点和畸变线段、仪器参数或观测条件改变的情况下,应进行重复观测,重复观测的平均相对误差应小于5%。

b.操作员应现场检查每个记录,若不符合要求,应查明原因并及时重测。

2.2.2 EH4电磁法工作

EH4音频大地电磁测深法,接受天然源和可控源的电磁波,通过测量相互正交的电场和磁场分量,可确定介质的电阻率值。测试点距为20m,电极距为(10m、10m),平行试验记录清晰,无畸变点,相位介于20°～50°之间,相干度大于0.5,原始记录符合测试要求。测试结果符合《水利水电工程勘探规程 第1部分:物探》(SL/T 291.1—2021)的要求。

2.2.3 天然源面波法工作

天然源面波法也称微动法,从微动信号中提取瑞利面波的频散特性,通过对频散曲线反演来推测地下的横波速度分布。采用2Hz检波器10通道测量,测站最大边长60m,采样间隔5ms,迭代次数500次,并应用SPAC(空间自相关法)法提取频散曲线。检波器布置采用“嵌套式等边三角形排列”台阵。

3 资料解释

3.1 电法资料解释

电测深资料解释要求:电测深视电阻率曲线绘制应采用双对数纵横坐标,曲线完整、电性标志层在电极距上反映明显。电测深曲线电性分层明显、类型确定。电测深曲线经消差、圆滑、畸变校正后,不影响解释精度。具有定量解释所需的电参数。电性界面和地质界面基本对应。

四极电测深资料解释工作,首先对电测深曲线的类型进行定性分析,测区电测深曲线大部分为“Q、H”型曲线,表层高阻为干燥砂砾石的反映,中间层为含水砂卵石层,尾部相对低阻为基岩的反映,后以已知的钻孔资料来确定砂砾石层及目的层基岩的电性特征,然后采用二层量板与辅助量板相结合的方法进行定量解释,并结合曲线类型的变化进行整体宏观控制。

3.2 EH4电磁法资料解释

数据处理采用HMT数据处理系统程序反演软件进行二维反演,具体过程如下:

a.原始数据由EH4连续电导率剖面仪传至计算机,利用UltraEdit数据传输与转换软件对原始数据进行@文件的编辑。

b.利用HMT数据处理系统程序对已编辑好的@文件进行处理,对@文件中出现的坏点、不合格点进行剔除修正,通过数据分析,分析造成的原因,对视电阻率值超大或超小不符合规律的仅作参考或删除,处理后输出DAT文件。

c.使用SURFER反演软件对输出的DAT文件进行成图处理,并对最终结果进行完善。

3.3 天然源面波法资料解释

天然源面波法资料解释具体过程如下:

a.对原始资料进行整理核对、编录。

b.通过专用软件显示或打印各调查区所采集的记录,形成频散曲线后存盘。

c.根据频散曲线进行分层和层速度计算并作出定性解释。

d.在定性解释的基础上,进行定量解释;确定各层的厚度,计算各层的横波传播速度,并对获得的结果进行反演拟合处理。

e.对定量解释的频散曲线利用Mapgis软件绘制面波等速度剖面图,然后结合测区的勘探资料,根据各速度参数划分地层并进行地质分层解释。

4 物探测试成果

4.1 上坝址轴线物探测试成果

上坝址轴线物探测试成果见图1～图3。

图1 上坝址轴线EH4音频大地电磁法测试成果

上坝址坝轴线物探测试工作采用了EH4音频大地电磁法、天然源面波法进行定性辅助解释,再通过四极电测深测试进行定量解释。图1为EH4音频大地电磁法测试成果,显示底部基岩界面总体呈现“U”字形,最大基岩埋深在坝轴线桩号0+780(ZK2)处。由图1可见ZK1处基岩埋深约为230m,ZK2处基岩埋深约为360m,粉砂岩电阻率为1000～2000Ω·m;由天然源面波测试成果可见,剖面桩号0+300～0+800段地层0～200m深度范围内面波波速为500～1400m/s,推测为砂砾石层,推测剖面桩号0+300～0+800段基岩埋深大于200m。根据电测深法、EH4音频大地电磁法及天然源面波法综合解释:剖面0+000～0+500桩号段表层砂砾石层厚度为15～20m,电阻率为900～1100Ω·m;下伏砂砾石层厚度为25～50m,电阻率为2000～2500Ω·m;中间饱水砂砾石层厚度为140～170m,电阻率为500～700Ω·m;底部基岩埋深为183～248m,电阻率为1300～1800Ω·m;剖面0+500～0+1300桩号段表层砂砾石层厚度为8～10m,电阻率为1300～2000Ω·m;下伏砂砾石层厚度为16～45m,电阻率为2400～3400Ω·m;中间饱水砂砾石层厚度为188～322m,电阻率为600～900Ω·m;底部基岩埋深为265～363m,电阻率为1400～1800Ω·m;0+1300～0+1423桩号段表层砂砾石层厚度为5～8m,电阻率为1300～2200Ω·m;下伏砂砾石层厚度为15～20m,电阻率为2800～3400Ω·m;中间饱水砂砾石层厚度变薄为125～260m,电阻率为600～800Ω·m;底部基岩呈陡斜形态,埋深为76～300m,电阻率为1400～1800Ω·m。

4.2 中坝址轴线物探测试成果

中坝址轴线物探测试成果见图4～图6。

图4 中坝址轴线EH4音频大地电磁法测试成果

中坝址轴线物探测试工作采用了EH4音频大地电磁法、天然源面波法进行定性辅助解释,再通过四极电测深法测试进行定量解释。图4为EH4音频大地电磁法测试成果,显示底部基岩界面总体呈现“U”字形,中坝址覆盖层最深位置在剖面桩号0+800处,最大埋深深度约为410m,片麻岩电阻率为750～2000Ω·m;图5为中坝址轴线0+300～1+100桩号段天然源面波法测试成果图,微动与电磁法资料能够很好地符合,可以确定中坝址覆盖层埋深最深位置在剖面桩号0+800处,最大埋深深度约为410m,片麻岩横波波速为1600～1800m/s;图6为(ZK10)处电测深曲线,测试曲线为“HKH”型,中间层电阻率为800～1200Ω·m,基岩电阻率取值为1500～2500Ω·m,电测深解释(ZK10)为最大埋深位置(380m)。根据四极电测深法、EH4音频大地电磁法及天然源面波法综合解释所得:剖面0+000～0+155桩号段表层坡积物厚度为0～47m,电阻率为2000～4000Ω·m;剖面0+155～0+800桩号段表层第二电性层厚度为8～25m,电阻率为600～4000Ω·m;第三电性层厚度为39～55m,电阻率为800～3000Ω·m;第四电性层厚度为95～145m,电阻率为800～2000Ω·m;第五电性层厚度为74～100m,电阻率为800～1300Ω·m;第六电性层厚度由浅至深为0～158m,电阻率为800～1300Ω·m;底部基岩埋深为55～409m,电阻率为1000～3000Ω·m。0+800～0+1290桩号段表层第二电性层厚度由深至浅为0～22m,电阻率为600～4000Ω·m;第三电性层厚度为27～45m,电阻率为1200～3000Ω·m;第四电性层厚度为70～98m,电阻率为800～2000Ω·m;第五电性层厚度为59～100m,电阻率为800～1300Ω·m;第六电性层厚度由深至浅为0～158m,电阻率为800～1300Ω·m;底部基岩埋深为187～409m,电阻率为1500～3000Ω·m。0+1290～0+1550桩号段覆盖层厚度逐渐变薄至基岩出露,基岩电阻率为2500～3000Ω·m。

图5 中坝址轴线天然源面波法测试成果

图6 (ZK10)电测深曲线

4.3 钻孔验证

根据物探测试成果,在中坝址坝轴线布置了3个验证孔(ZK9、ZK10、ZK11),具体测试成果见表1 。钻孔测试结果表明,综合物探方法测试结果较为准确、解释精度较高,EH4音频大地电磁法、微动法及四极电测深法对应性较好。

表1 物探成果与钻孔揭露精度统计

5 结 论

结果表明,基于四极电测深法、微动法和EH4音频大地电磁法的综合物探方法在覆盖层超200m的勘查应用中精度超90%,效果良好,可为类似工程提供技术参考依据。

a.通过分析四极电测深法、微动法和EH4音频大地电磁法的使用条件和优势,提出“四极电测深、微动法和EH4音频大地电磁法”综合物探方法,成功开展了深厚覆盖层探测。

b.基于“四极电测深法、微动法和EH4音频大地电磁法”综合物探方法,探明上坝址轴线中间层为饱水砂砾石层,电阻率为500～900Ω·m,基岩埋深为150～360m,电阻率为1400～1800Ω·m;中坝址轴线中间层电阻率为800～1300Ω·m,基岩埋深为180～410m,基岩电阻率为1500～3000Ω·m,片麻岩横波波速为1600～1800m/s。

c.四极电测深法、微动法和EH4音频大地电磁法三者探测位置、深度基本一致,将测得的覆盖层厚度与钻孔验证结果比较,精度达到90%以上,取得了较好勘探效果,表明“四极电测深、微动法和EH4音频大地电磁法”综合物探方法适用于深厚覆盖层探测。