高密度电法结合EH4电磁法在查明隐伏构造中的应用

李吉艳

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 昌吉 831100)

前期工程勘察中为探明隧洞内隐伏构造、基岩破碎带,通常采用综合物探方法[1-2]探测构造的位置、规模,并布置钻孔进行验证,该方法经济实惠、周期短并能较精准查明地质情况。常用的物探方法有电法勘探[3-4]、地震勘探[5]、磁法勘探[6]、重力勘探[7]、放射性勘探[8]等,单一的物探测试方法解释精度低、资料解释有一定的盲区,使用综合物探方法进行探测既能探明浅层地质条件,也能探明深部地质条件。张业[9]在铁路路基岩溶勘察中,利用高密度电法探测出多个大范围岩溶发育异常区,利用孔内电视直观准确地探查出岩溶的深度和规模,利用跨孔电磁波CT方法探查出岩溶的延伸发育情况,3种物探方法由面到点探测,成果相互验证,优势互补,避免了单一物探方法成果的多解性,取得了较好的岩溶探测效果。张健等[10]采用可控源音频大地电磁法(CSAMT)和微重力法,较好地划分了岩溶区的岩土界面及强岩溶发育带,圈定了溶洞的位置、埋深、规模及空间分布情况。彭勇等[11]使用综合物探法成功解译出了隧道的软弱层、地下水及断层破碎带的位置,为勘察钻孔布设提供了指导,为划分隧道围岩类别提供了较好的依据,同时也为高速公路长大深埋隧道提供了一种新的勘察方法。彭明涛等[12]通过重、磁、电探测方法的正反演模拟成果得出高陡断褶带隐伏断层能够被探测识别的结论,并结合重、磁、电综合物探方法在川东高陡断褶带探测隐伏断层的实际应用效果,总结了隐伏断层的异常形态和异常特征。以上研究充分说明采用综合物探方法能够有效探明各类工程中遇到的路基岩溶、隧道的软弱层隐伏断层等分布情况。但上述研究在探明隐伏构造方面尚停留在浅层,本文依托布尔津县冲乎尔东岸灌区供水改造工程引水隧洞工程,采用高密度电法[13-15]结合HE4电磁法[16-18]探明深层隐伏构造、基岩破碎带。文中介绍了高密度电法、HE4电磁法工作方法与技术,并结合实例分析了探测结果,旨在为类似工程提供依据。

1 工程概况

布尔津县冲乎尔镇布尔津河东岸灌区供水改造工程隧洞段埋深为100～450m,工程区位于阿尔泰褶皱系的克兰地槽褶皱带内,南、南西侧为冲乎尔断陷盆地。冲乎尔断陷盆地北部为基岩中低山区,峡谷两岸山顶高程为1000～1200m,高出河床水位300～500m;冲乎尔断陷盆地高程为750～830m。布尔津河自北向南进入盆地,流经冲乎尔镇,向南经过南部山区注入额尔齐斯河。区域内总的地貌形态受构造控制较为明显,大的地貌形态有中低山区、断陷盆地、河谷三种类型。引水隧洞处于布尔津河中游峡谷段冲乎尔电站水库左岸基岩山体,两岸为侵蚀构造中低山,岩性为奥陶系中—上统云母石英片岩(O2-3hbc)。

布尔津县冲乎尔镇布尔津河东岸灌区骨干工程位于布尔津县冲乎尔镇境内,位于布尔津县城北东方向,距离布尔津县城约70km。从布尔津县至喀纳斯的S232省道经过冲乎尔镇,交通较为便利。

2 工作布置、方法与技术

2.1 工作布置

针对不同测试方法的优缺点,测试工作共分为两部分:一部分为高密度电法测试,其目的是对引水隧洞全洞线进行测试,了解洞线地表下130m范围内地层情况;另一部分为EH4电磁法,其目的是对高密度电法测试中的异常部位进行加密、加深测试,了解测试部位地表下400m范围内地层情况。

高密度电法测试由于部分场地地形限制,无法连续测试,所以沿隧洞洞线进水口至出水口段分别布置高密度电法剖面3条:洞线1-1剖面(0+360～1+210段),方向为142°,剖面长850m;洞线3-3剖面(0+970～2+000段),方向为142°,剖面长1030m;洞线4-4剖面(3+270～3+820段),方向为142°,剖面长580m。

EH4电磁法测试同样受场地地形限制,无法连续测试,所以分别布置EH4电磁法测试剖面2条:洞线5-5剖面(0+640～1+960段),方向为142°,长度为1320m;洞线6-6剖面(2+630～3+230段),方向为142°,长度为600m。

2.2 工作方法与技术

2.2.1 高密度电法工作方法与技术

高密度电法采用温纳α排列进行采集:电极间距10m,供电时间2s,重复采集次数为3次,随着间隔系数n由1(最小)逐渐增大到16(最大),滚动式扫描测量。测线按地质人员布置,检查测试均方相对误差小于3.5%,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)[19]的要求。

2.2.2 EH4电磁法工作方法与技术

EH4电磁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20m,电极距20m×20m,平行试验记录清晰,无畸变点,相位为20°～50°,相干度大于0.5,原始记录符合测试要求。

3 资料解释

3.1 高密度电法资料解释

高密度电法数据处理采用RES2高密度视电阻率反演软件进行二维反演,具体流程如下:原始数据由高密度电法仪用数据线传至计算机;利用RES2高密度电法数据反演软件对野外观测时出现的坏点参考剔除,通过数据分析,视电阻率出现负值时,参考电压和电流值分析原因,对应视电阻率作为参考修正或删除,视电阻率值超大或超小不符合规律时仅作参考或删除;使用正版RES2高密度电法反演软件,对数据进行反演处理。针对每条剖面,查找地质资料,对异常点进行分析,将数据处理结果转化为DAT文件格式,使用RES2高密度电法反演软件成图。编辑内容主要包括物探成果解释、地质及相关信息等,便于确认物探解释推断成果的可靠性。

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数据文件的编辑。

b.利用HMT数据处理系统程序对已编辑好的数据文件进行处理,对数据文件中出现的坏点、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。

4 测试成果分析

4.1 高密度电法测试成果

4.1.1 洞线1-1剖面(0+360～1+210段)

1-1剖面0+360桩号坐标为29514691,5338388;1+210桩号坐标为29514207,5337689。

由图1可知:剖面桩号0+360～0+650段,未发现低阻异常带,该测试剖面浅部视电阻率为300～700Ω·m,推断为覆盖层或强风化基岩;较深部视电阻率为900～1500Ω·m,推断为弱风化或完整基岩。剖面桩号0+650～0+720段,自测试剖面浅表部至深部存在条带状相对低电阻率异常带,其视电阻率为200～500Ω·m,其视倾角约为80°,推测该段低阻异常体为隐伏构造或基岩破碎带的反映。剖面桩号0+720～1+170段,未发现低阻异常带,该测试剖面浅部视电阻率为500～900Ω·m,推断为覆盖层或强风化基岩;较深部视电阻率为1100～2500Ω·m,推断为弱风化或完整基岩。

图1 1-1高密度电法剖面

4.1.2 洞线2-2剖面(0+700～1+410段)

2-2剖面为1-1剖面和3-3剖面的拼接剖面,0+700桩号坐标为29514485,5338119;1+400桩号坐标为29514059,5337564。

由图2可知:剖面桩号0+780～1+070段,未发现低阻异常带,该测试剖面浅部视电阻率为100～900Ω·m,推断为覆盖层或强风化基岩;较深部视电阻率为900～1500Ω·m,推断为弱风化或完整基岩。剖面桩号1+070～1+220段,自测试剖面浅表部至深部存在条带状相对低电阻率异常带,其视电阻率为300～800Ω·m,其视倾角约为50°,推测该段低阻异常体为隐伏构造或基岩破碎带的反映。剖面桩号1+220～1+400段,未发现低阻异常带,该测试剖面浅部视电阻率为200～900Ω·m,推断为覆盖层或强风化基岩;较深部视电阻率为900～2000Ω·m,推断为弱风化或完整基岩。

图2 2-2高密度电法剖面

4.1.3 洞线3-3剖面(0+970～2+000段)

3-3剖面0+970桩号坐标为29514331,5337897;2+000桩号坐标为29513737,5337054。

由图3可知:剖面桩号0+970～1+520段,未发现低阻异常带,该测试剖面浅部视电阻率为300～800Ω·m,推断为覆盖层或强风化基岩;较深部视电阻率为900～2500Ω·m,推断为弱风化或完整基岩。剖面桩号1+520～1+620段,自测试剖面浅表部至深部存在条带状相对低电阻率异常带,其视电阻率为170～600Ω·m,其视倾角约为60°,推测该段低阻异常体为隐伏构造或基岩破碎带的反映。剖面桩号1+620～2+000段,未发现低阻异常带,该测试剖面浅部视电阻率为400～880Ω·m,推断为覆盖层或强风化基岩;较深部视电阻率为1000～2300Ω·m,推断为弱风化或完整基岩。

图3 3-3高密度电法剖面

4.1.4 洞线4-4剖面(3+270～3+820段)

4-4剖面3+270桩号坐标为29512916,5336082;3+820桩号坐标为29512580,5335647。

由图4可知:剖面桩号3+270～3+400段,未发现低阻异常带,该测试剖面浅部视电阻率为90～300Ω·m,推断为覆盖层或强风化基岩;较深部视电阻率为400～1500Ω·m,推断为弱风化或完整基岩。剖面桩号3+400～3+480段,自测试剖面浅表部至深部存在条带状相对低电阻率异常带,其视电阻率为20～70Ω·m,推测该段低阻异常体为隐伏构造或基岩破碎带的反映。剖面桩号3+480～3+670段,未发现低阻异常带,该测试剖面浅部视电阻率为70～200Ω·m,推断为覆盖层或强风化基岩;较深部视电阻率为500～2000Ω·m,推断为弱风化或完整基岩。

图4 4-4高密度电法剖面

剖面桩号3+670～3+750段,自测试剖面浅表部至深部存在条带状相对低电阻率异常带,其视电阻率为50～100Ω·m,其视倾角约为60°,推测该段低阻异常体为隐伏构造或基岩破碎带的反映。

4.2 EH4电磁法剖面测试成果

4.2.1 洞线5-5剖面(0+640～1+960段)

5-5剖面0+640桩号坐标为29514541,5338188;1+960桩号坐标为29513774,5337121。该剖面有三个明显的相对低阻异常带,分别为桩号0+670～0+830段、1+120～1+320段、1+570～1+820段。

由图5可知:剖面桩号0+670～0+830段,自测试剖面浅表部至深部存在条带状相对低电阻率异常带,其视电阻率为100～700Ω·m,核部位置在桩号0+730～0+800段,推测该段低阻异常体为隐伏构造或基岩破碎带的反映。剖面桩号1+120～1+320段,自测试剖面浅表部至深部存在条带状相对低电阻率异常带,其视电阻率为100～500Ω·m,核部位置在桩号1+170～1+290段,推测该段低阻异常体为隐伏构造或基岩破碎带的反映。剖面桩号1+600～1+800段,自测试剖面浅表部至深部存在条带状相对低电阻率异常带,其视电阻率为600～800Ω·m,核部位置在桩号1+640～1+720段,推测该段低阻异常体为隐伏构造或基岩破碎带的反映。

图5 5-5 EH4电磁法剖面

4.2.2 洞线6-6剖面(2+600～3+230段)

6-6剖面2+600桩号坐标为29513344,5336601;3+200桩号坐标为29512971,5336135。

由图6可知:剖面桩号2+600～2+770段,自测试剖面浅表部至深部存在条带状相对低电阻率异常带,其视电阻率为300～500Ω·m,推测该段低阻异常体为隐伏构造或基岩破碎带的反映,核部位置在桩号2+700～2+740段。剖面桩号2+770～3+200段,未发现低阻异常带,该测试剖面浅部视电阻率为100～700Ω·m,推断为覆盖层或强风化基岩;较深部视电阻率为800～1800Ω·m,推断为弱风化或完整基岩。

图6 6-6 EH4电磁法剖面

4.3 高密度电法与EH4电磁法测试对应情况

异常处一:高密度测试剖面低阻异常带在桩号0+680～0+770段,核部位置在桩号0+690处;EH4测试剖面在桩号0+670～0+830段,核部位置在桩号0+730～0+800段。

异常处二:高密度测试剖面低阻异常带在桩号1+100～1+250段,核部位置在桩号1+170处;EH4测试剖面在桩号1+120～1+320段,核部位置在桩号1+140～1+260段。后经ZK1(剖面桩号1+170处)验证,孔深180～370m范围内岩体较破碎或破碎,并有小断层通过。

异常处三:高密度测试剖面低阻异常带在桩号1+550～1+650段,核部位置在桩号1+680处;EH4测试剖面在桩号1+600～1+800段,核部位置在桩号1+640～1+720段。后经ZK2(剖面桩号1+680处)验证,孔深80～120m及220～350m范围内岩体较破碎或破碎,并有小断层通过。

高密度剖面与EH4剖面异常带桩号存在偏差,是由于高密度反映底层浅部异常,EH4反映深部异常,但总体趋势仍可对应。

5 结 论

物探方法相较于钻探法和化探法具有低成本、周期短等优势。本文基于测试段洞线范围异常低阻,综合使用高密度电法与EH4电磁法两种物探方法,对洞线位置内隐伏构造、基岩破碎带作出合理预测。研究发现,测试段的4处低阻异常均穿过洞线位置,预测隧洞前方围岩破碎或有小断层通过,自稳能力差,并含有大量的填充物和地下水,塌方风险较高。经现场钻孔验证,现场地质条件与预测结果基本一致。本文提出的综合物探方法探测精度较高,探测深度较深,可为工程后续开挖、围岩类别判定、支护形式确定提供数据支撑。综合物探测试成果对施工现场风险进行预警,对保障隧洞开挖安全有序施工具有重要意义。建议在条件适当的情况下对低阻带核部位置增加钻孔验证工作,以取得全面准确的资料。