EH4大地電磁測(cè)深法在旁多水利樞紐工程勘察中的應(yīng)用

康家亮, 王寶文, 劉文生, 佘小光

(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　130021)

0　引言

西藏旁多水利樞紐工程是西藏自治區(qū)已經(jīng)發(fā)電的最大的水利樞紐工程,在勘察過(guò)程中,遇到了壩基深厚覆蓋層的復(fù)雜地質(zhì)條件,利用常規(guī)鉆探方法無(wú)法查明覆蓋層的厚度。由于覆蓋層和基巖在密度和波速上存在差異,理論上可以采用電法、地震等物探手段進(jìn)行探查,但在實(shí)際工作中往往受地形地質(zhì)條件限制,探測(cè)出的覆蓋層厚度誤差較大,甚至判斷錯(cuò)誤。為查清旁多壩址覆蓋層的厚度、下伏基巖面形態(tài),采用美國(guó)產(chǎn)Stratagem EH-4連續(xù)電導(dǎo)率成像儀進(jìn)行探測(cè)。

1　工程概況

西藏旁多水利樞紐工程地處拉薩河流域中游,壩址位于西藏自治區(qū)林周縣旁多鄉(xiāng)下游1.5 km拉薩河干流上,距拉薩市直線距離63 km,開(kāi)發(fā)任務(wù)以灌溉、發(fā)電為主,兼顧防洪和供水。工程主要由大壩、泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)及灌溉輸水洞等組成,正常蓄水位4 095 m,水庫(kù)總庫(kù)容12.24×108m3,電站裝機(jī)容量160 MW,年發(fā)電量5.38億kW·h。大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩,壩頂高程為4 100.00 m,最大壩高72.30 m,壩頂長(zhǎng)為1 052.00 m。壩基覆蓋層防滲采用混凝土防滲墻帷幕灌漿方案。工程位于高海拔、高地震烈度和深覆蓋層地區(qū)。

壩址勘察中采用常規(guī)鉆探方法鉆進(jìn)最大深度314 m,未鉆穿覆蓋層,鉆進(jìn)難度大,無(wú)法繼續(xù)施工。鑒于工程的重要性,選擇美國(guó)產(chǎn)Stratagem EH-4連續(xù)電導(dǎo)率成像儀繼續(xù)探查覆蓋層厚度及基巖面形態(tài)。

2　工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)屬高山地形,谷底高程4 027～4 034 m,兩岸山頂高程5 300 m左右,相對(duì)高差1 270 m左右。壩址處谷底寬約700 m,河水面寬100～110 m,河谷呈不對(duì)稱(chēng)“U”字型,河床靠近右岸,左岸漫灘階地發(fā)育,寬約550 m。正常蓄水位4 095 m時(shí),谷寬1 020 m。

3　原理及野外工作方法

3.1　原理

EH4電磁成像系統(tǒng)的基本工作原理源自音頻大地電磁測(cè)深法(AMT),其工作原理是基于麥克斯韋方程組完整統(tǒng)一的電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)。利用天然場(chǎng)源,在探測(cè)目標(biāo)體的地表同時(shí)測(cè)量相互正交的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量,然后用卡尼亞電阻率計(jì)算公式得出視電阻率。根據(jù)大地電磁場(chǎng)理論可知,電磁波在大地介質(zhì)中穿透深度與其頻率成反比,當(dāng)?shù)叵码娦越Y(jié)構(gòu)一定時(shí),電磁波頻率越低穿透深度越大,能夠反映出深部的地電特征;電磁波頻率越高,穿透深度越小,則能夠反映淺部地電特征。利用不同的頻率,可得到不同深度上的地電信息,以達(dá)到頻率測(cè)深的目的。

EH4電磁成像系統(tǒng)屬于部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測(cè)深系統(tǒng)。深部構(gòu)造通過(guò)天然背景場(chǎng)成像,其頻率為10 Hz～100 kHz。淺部構(gòu)造則通過(guò)便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射1～100 kHz人工電磁訊號(hào),補(bǔ)償天然訊號(hào)的不足,從而得到高分辨率的探測(cè)圖像。旁多壩址河床覆蓋層探測(cè)主要目的是探明深厚覆蓋層的厚度,100～150 m范圍內(nèi)已由鉆探查明,EH4探測(cè)時(shí)只需使用天然場(chǎng)源。

3.2　測(cè)線布置

由于本工程壩址區(qū)壩軸線部位正進(jìn)行防滲墻造孔施工,為避免施工對(duì)物探工作的干擾,物探工作選擇在壩前和壩后平行壩軸線進(jìn)行。在壩前(BQ)和壩后(BH)各布置一條物探剖面,剖面與壩軸線平行,長(zhǎng)約850 m,距離壩軸線50 m。

采用“十字型布極”方式進(jìn)行張量測(cè)量。探測(cè)時(shí)兩對(duì)電極及兩根磁探頭以測(cè)點(diǎn)為中心對(duì)稱(chēng)布設(shè),其中Ex、Hy與測(cè)線方向一致(即壩軸線在地表的投影線),Ey、Hx與測(cè)線方向垂直。

4　數(shù)據(jù)處理及效果分析[1]

4.1　數(shù)據(jù)處理

(1)預(yù)處理。檢查野外原始記錄與數(shù)據(jù)頭記錄是否一致,如果不一致,查找原因并更正;根據(jù)原始記錄及測(cè)深曲線形態(tài)、數(shù)據(jù)離差,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互處理,刪除明顯的人為干擾數(shù)據(jù);根據(jù)野外數(shù)據(jù)采集點(diǎn)GPS實(shí)時(shí)測(cè)量高程生成地形文件,進(jìn)行靜態(tài)和地形改正。

(2)反演成圖。采用隨機(jī)攜帶的IMAGEM處理軟件對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行卡尼亞電阻率與阻抗相位的迭代計(jì)算,反演過(guò)程中加入地形文件進(jìn)行地形改正,最終計(jì)算出反演視電阻率斷面圖。

4.2　地質(zhì)解釋

不同巖性的地層具有不同的電阻率。影響電阻率高低的因素有巖性、孔隙度、孔隙充填物的性質(zhì)、含水性和斷裂、破碎等引起的地層結(jié)構(gòu)變化等。根據(jù)鉆孔揭示地層層位與反演電阻率斷面中所反映的電性層分布規(guī)律及特征建立本區(qū)地層解釋標(biāo)志如下:

(1)上部第四系,主要為洪積、崩坡積土,中間夾有漂卵石土,表現(xiàn)為低阻電性特征,其反演電阻率值一般25～800·m,以連續(xù)分布為特點(diǎn)。

(2)下部花崗巖,其分布特征及厚度與反演電阻率斷面圖下部中高阻電性層電阻率相對(duì)應(yīng),其值一般>800 Ω·m,以中高阻電性體為特征。

4.3　成果分析

4.3.1測(cè)線物性解釋及地質(zhì)推斷解釋

BQ測(cè)線、BH測(cè)線分別位于壩軸線的兩側(cè),測(cè)線平行壩軸線布置,測(cè)線方向240°,測(cè)線長(zhǎng)度均為850 m,測(cè)線上地形整體呈東北高、西南低的形態(tài),地形較緩,測(cè)線西南端有河水流過(guò)。

從反演電阻率斷面圖中可以看出,BQ線和BH線形態(tài)基本一致,電性特征橫向分層明顯,覆蓋層表現(xiàn)為低阻特征,基巖表現(xiàn)為高阻特征。

BQ測(cè)線反演電阻率斷面圖(圖1),電性特征分層明顯,覆蓋層反演電阻率一般在25～800 Ω·m,推斷解釋為第四系崩坡積土、洪積土夾沖積漂卵石的綜合反映,其中低阻推測(cè)為富含水的沖洪積漂卵石,總體表現(xiàn)為中間深,兩端淺;深部表現(xiàn)為中高阻電性特征,反演電阻率一般高于800 Ω·m,根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及實(shí)際鉆探巖芯情況,推斷解釋為花崗巖的反映。

圖1　BQ測(cè)線反演電阻率斷面圖

BH測(cè)線反演電阻率斷面圖(圖2),電性特征分層明顯,覆蓋層反演電阻率一般在25～800 Ω·m,推斷解釋為第四系崩坡積土、洪積土夾沖積漂卵石的綜合反映,其中低阻推測(cè)為富含水的沖洪積漂卵石,總體表現(xiàn)為中間深,兩端淺;深部表現(xiàn)為中高阻電性特征,反演電阻率一般高于800 Ω·m,根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及實(shí)際鉆探巖芯情況,推斷解釋為花崗巖的反映。

4.3.2壩軸線地質(zhì)推斷解釋

因壩前測(cè)線距離壩軸線只有50 m,為驗(yàn)證物探工作的可靠性,將壩軸線上兩岸已經(jīng)完成的鉆孔投影到BQ物探剖面上(圖3),可以看到,兩岸已經(jīng)確定基巖部位呈中高阻電性特征,反演電阻率一般高于800 Ω·m。

覆蓋層中的幾處高阻異常點(diǎn),因位于地下水位以下,可以推斷為大型巖石塊體及冰水堆積層中的巨型漂礫。

勘察及壩軸線防滲墻施工過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)覆蓋層具有縱向和橫向差異性較大的特性,根據(jù)覆蓋層中各層粒徑偏重不同,將壩基覆蓋層150 m以上分為沖積的漂(卵)石混合土、冰水積的混合土漂(卵)石透鏡體、砂層透鏡體、膠結(jié)層透鏡體及粘土透鏡體,各層厚度不一,一般厚10～20 m,最厚可達(dá)40 m,成層性及連續(xù)性均較差,且隨深度增加,含泥量和密實(shí)度增大。覆蓋層反演電阻率一般在25～800 Ω·m之間變化,符合覆蓋層的以上特性。據(jù)此判斷物探結(jié)果是可靠的。

圖3　BQ測(cè)線反演電阻率與鉆孔資料對(duì)比圖

將BQ、BH測(cè)線首尾測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),垂直投影到壩軸線上,對(duì)應(yīng)壩軸線樁號(hào)為0+350 m～0+1175 m,兩岸由鉆孔資料確定基巖埋深,中間段采用物探資料推測(cè)基巖埋深,綜合推斷壩軸線上基巖埋深如圖4中所示。中間基巖埋深較大,兩端基巖埋深較淺,壩軸線樁號(hào)0+780 m～0+840 m之間基巖面高程為3 610 m,基巖埋深最大達(dá)420 m,為壩軸線覆蓋層最厚段,兩端逐步變薄。

圖4　壩軸線覆蓋層推斷解釋圖

5　結(jié)束語(yǔ)

旁多水利樞紐工程壩址基巖為花崗巖,與河床覆蓋層在電性上有顯著差異,適合采用大地電磁測(cè)深法勘探覆蓋層厚度。通過(guò)已知鉆孔對(duì)比測(cè)量,EH4大地電磁測(cè)深法反演深度與鉆孔揭露深度基本一致,揭示的河床覆蓋層最大埋深420 m。

參考文獻(xiàn):

[1]何效周.西藏旁多水利樞紐工程壩址區(qū)覆蓋層探測(cè)成果報(bào)告[R].長(zhǎng)春：中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2010.