閆占豹，王海波，宋偉健，朱冠宇

（1.無錫聲學(xué)聚像傳感探測(cè)技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214142；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

1 概述

大藤峽水利樞紐工程壩址位于珠江流域黔江河段，是一座防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等綜合利用的流域關(guān)鍵性大型水利樞紐工程，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益及環(huán)境效益，是國務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一。自2015年9月開工以來，該工程出現(xiàn)了一系列巖溶引起的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工安全及進(jìn)度。因此，查明巖溶分布情況是該工程地質(zhì)勘查的重中之重。由于經(jīng)費(fèi)與工期的限制，無法進(jìn)行大量的鉆孔及層析成像勘探，同時(shí)，地質(zhì)情況復(fù)雜，大藤峽樞紐區(qū)處于峰林峰叢與巖溶平原交界處，巖溶類型多，深度大，覆蓋層較厚，大部分區(qū)域覆蓋層厚度在20m以上，局部可達(dá)40m以上，傳統(tǒng)的工程物探方法隨著探測(cè)深度加大分辨率也隨之降低，難以達(dá)到良好的效果。因此，本文結(jié)合多年工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及對(duì)物探方法的深入研究，使用瞬變電磁法進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，逐步克服了瞬變電磁法在工程物探中的一系列疑難問題，取得了良好的探測(cè)效果。

2 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法，也叫時(shí)間域大地電磁測(cè)深，是以地下介質(zhì)之間的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異為物理基礎(chǔ)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，從而探測(cè)介質(zhì)電阻率的一種方法。該方法具有探測(cè)深度大，探測(cè)高阻背景中的低阻地質(zhì)體效果好，地形條件要求低，施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，在煤田及冶金地質(zhì)勘查行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。

瞬變電磁法的早期理論認(rèn)為探測(cè)深度與發(fā)射回線邊長(zhǎng)L有線性關(guān)系，SL326-2005《水利水電工程物探規(guī)程》規(guī)定：“發(fā)射線框邊長(zhǎng)L宜為探測(cè)目的體最大埋深Hmax的0.5～1.0倍”。為了提高探測(cè)深度，單純地增加發(fā)射回線邊長(zhǎng)具有明顯的弊端。伴隨著國內(nèi)科研人員的質(zhì)疑與研究，在2005年第7屆中國地球電磁學(xué)討論會(huì)上提出：TEM的探測(cè)深度主要與觀測(cè)時(shí)間有關(guān)，大發(fā)射回線的主要作用是適應(yīng)接收機(jī)靈敏度和滿足一定的信噪比[3]。該理論的提出極大地促進(jìn)了瞬變電磁法的發(fā)展，隨著國產(chǎn)的大功率TEM儀器在煤田及冶金地質(zhì)勘探中取得成功，驗(yàn)證了小線框大電流瞬變電磁法的有效性。

3 問題的提出及解決方案

瞬變電磁法雖在煤田及冶金地質(zhì)勘探中有大規(guī)模的應(yīng)用，但是在水利水電工程中，此前尚無大規(guī)模應(yīng)用的成功案例，僅有少數(shù)單位將其作為實(shí)驗(yàn)性或者輔助性的方法。主要原因是硬件上較大的發(fā)射電流無法在0時(shí)關(guān)斷造成淺部盲區(qū)，以及軟件上定量分析不成熟，存在較低的橫向分辨率、較大的深度誤差，無法滿足水利水電工程較高精度的探測(cè)要求。

1）盲區(qū)問題。在儀器本身性能一定，通過改變磁矩減小盲區(qū)深度的情況下，其有效探測(cè)深度也同時(shí)減小。通過充分調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，結(jié)合理論公式，選擇最優(yōu)探測(cè)窗口，得到最優(yōu)的工作參數(shù)：50A的發(fā)射電流，發(fā)射線框等效邊長(zhǎng)2.828m，可保證有效探測(cè)深度達(dá)到100m，盲區(qū)深度小于覆蓋層厚度。

2）干擾問題。施工現(xiàn)場(chǎng)有多處積水洼地、涵洞、管道、金屬及電器設(shè)備等?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀察二次場(chǎng)歸一化電位曲線發(fā)現(xiàn)，地表積水及金屬設(shè)備會(huì)使感應(yīng)電流增強(qiáng)，整體放大二次場(chǎng)，但對(duì)深部地質(zhì)體的二次場(chǎng)信號(hào)影響甚微，而高壓線產(chǎn)生的工頻干擾遠(yuǎn)大于二次場(chǎng)信號(hào)，使二次場(chǎng)信號(hào)失效。目前，已有成熟的技術(shù)手段過濾工頻干擾，在采集時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，分別采用16～48次疊加采集的方式，壓制隨機(jī)干擾，并詳細(xì)記錄地表及空中各類可能對(duì)采集數(shù)據(jù)造成影響的一切因素，取得了良好的第一手資料。

3）分辨率。在水利水電工程技施階段，對(duì)勘察工作有著較高的分辨率要求。瞬變電磁法選用“小線框、大電流”的重疊回線裝置，與探測(cè)目標(biāo)有最好的耦合。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，線框的邊長(zhǎng)一定時(shí)，短距離點(diǎn)距能獲得更高的橫向分辨率。因此，可通過減小線框邊長(zhǎng)與點(diǎn)距獲得最佳的橫向分辨率。

4）深度誤差。制約瞬變電磁法巖溶探測(cè)精度的主要因素是存在較大的深度誤差，通過改變“硬件”參數(shù)并不能有效提高探測(cè)精度。因此，在資料處理及解譯工作時(shí)要改變“軟件”參數(shù)，具體為進(jìn)行兩次深度校正。其中，一次校正確定卡尼亞電阻率等值線圖與地層的對(duì)應(yīng)關(guān)系；二次校正根據(jù)鉆孔資料進(jìn)行計(jì)算機(jī)擬合，利用擬合結(jié)果做最后的校正。

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程左岸樞紐建筑物主要位于黔江左岸河床與Ⅰ級(jí)階地范圍內(nèi)，地面高程一般25～44m。樞紐區(qū)位于峰叢與巖溶平原交界處，地質(zhì)條件復(fù)雜，基巖巖性為灰?guī)r、白云巖，覆蓋層主要為紅粘土、卵石混合土，厚度多在20m以上。巖溶主要發(fā)育在郁江階的灰?guī)r、白云巖中，巖溶類型總體上屬溶原寬谷覆蓋型。既有第三系前古巖溶，又有現(xiàn)代巖溶，巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜。船閘開挖揭露基巖面起伏大，溶溝、溶槽、溶洞、落水洞等巖溶形態(tài)發(fā)育。根據(jù)勘探及開挖結(jié)果，施工區(qū)斷層較發(fā)育，多數(shù)規(guī)模不大。主要為陡傾角斷層，走向在N55°～80°W。

4.2 成果分析

在瞬變電磁電阻率等值線圖上劃定異常有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：1）卡尼亞電阻率與周圍背景值相比降低60%以上可定為低阻異常區(qū)，與周圍背景值相比提高200%以上可定為高阻異常區(qū)；2）電阻率等值線密集暨電阻率梯度變化最大的內(nèi)部界限可定異常區(qū)邊界。由于瞬變電磁法對(duì)地下水的響應(yīng)比較靈敏，地下水位以下的巖溶（溶洞、溶溝、溶隙、溶蝕破碎帶）在電阻率等值線圖上均表現(xiàn)相似的低阻異常區(qū)，這為巖溶的識(shí)別帶來了便利。如某剖面樁號(hào)0+700～0+950m段，有較明顯的低阻異常2處，整體形態(tài)呈串珠狀及漏斗狀，可推測(cè)此處為巖溶發(fā)育。近直立低阻異常推測(cè)為陡傾角構(gòu)造溶蝕帶。經(jīng)鉆探驗(yàn)證，異常所在部位均為溶洞發(fā)育。該段局部剖面具體瞬變電磁電阻率等值線圖和地質(zhì)解譯圖見圖1，2。

圖1 瞬變電磁電阻率等值線圖

4.3 探測(cè)效果

圖2 瞬變電磁剖面解譯圖

在約12km的物探剖面上，累計(jì)探測(cè)出152個(gè)異常，主要為橫向串珠形、橫向扁平形和圓形的淺部異常，以及漏斗形、狹縫形和狹縫群的深部異常。其中，橫向串珠形異常及漏斗狀異常的數(shù)量較多。為了驗(yàn)證異常，在物探測(cè)線上布置了20個(gè)鉆孔，其中，18個(gè)鉆孔的巖溶鉆探結(jié)果與物探解譯的巖溶位置、深度基本一致，準(zhǔn)確率達(dá)90%。

5 亟待解決的問題

通過上述工作，使用小線框大電流的瞬變電磁法已達(dá)到較好的探測(cè)效果，但是仍有部分影響解譯精度的因素，單純依靠瞬變電磁法難以解決。

1）受空間分辨率與電阻率分辨率的限制，在反演得到的卡尼亞電阻率等值線圖上，反映小溶洞群與大溶洞的異常沒有特定的形態(tài)，卻有相似的電阻率，難以分辨巖溶類型。

2）深度校正需要已知地質(zhì)信息來擬合校正參數(shù)，目前難以達(dá)到“盲探”效果。

3）物探反演的異常范圍往往大于實(shí)際的巖溶發(fā)育范圍。目前，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)是在橫向上取異常中心的1/3部分對(duì)應(yīng)實(shí)際地質(zhì)體，瞬變電磁法取異常范圍的1/3是否合理，需進(jìn)一步的工作檢驗(yàn)。

6 結(jié)語

巖溶是發(fā)育規(guī)律最復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象之一，也一直是勘察工作的難點(diǎn)，只有采取多種勘察手段相結(jié)合的方式，才能取得與實(shí)際相符的資料。在巖溶地質(zhì)條件復(fù)雜的大藤峽樞紐區(qū)，物探作為重要的地質(zhì)勘察方法受限于各種因素，其常規(guī)方法確難以獲得良好的應(yīng)用效果。而小線框大電流瞬變電磁法克服了覆蓋層厚、地表障礙物多等諸多不利因素，達(dá)到了縮短勘察工期、提高勘察精度的目的。

1）目前，多數(shù)國產(chǎn)的礦用瞬變電磁儀具有較大的發(fā)射電流，大電流也具有較大的探測(cè)深度，但電流并非越大越好。在水利水電工程中，淺表部的巖溶對(duì)工程的影響更大，選擇合適的電流參數(shù)，使盲區(qū)深度小于覆蓋層厚度。

2）小線框瞬變電磁法設(shè)備靈活輕便，施工效率高，邊緣效應(yīng)小，橫向分辨率高也是其一大優(yōu)勢(shì)。較高的橫向分辨率尤其適用于地質(zhì)條件復(fù)雜多變的巖溶地區(qū)。

3）瞬變電磁法對(duì)地下水的反應(yīng)極其明顯，含水的溶洞與破碎帶在反演圖像上均為明顯的低阻異常，空溶洞與粘土充填溶洞在反演圖像上卻無明顯異常。故瞬變電磁法只用于含水巖溶探測(cè)，空溶洞與粘土溶洞宜選擇其他方法。