地球物理勘探在引水隧道工程地質(zhì)中的應(yīng)用

黃 旭，劉少偉

地球物理勘探在引水隧道工程地質(zhì)中的應(yīng)用

黃 旭，劉少偉

（四川冶金地質(zhì)勘查局六〇五大隊(duì)，四川 彭山620800）

綜合運(yùn)用淺層地震折射法、高密度電法和音頻大地電磁測深法三種方法對某礦區(qū)2Km淺埋的礦山尾礦庫引水隧道通過區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、巖性特征、賦水性等地質(zhì)情況進(jìn)行了地球物理勘察，利用物探及地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋，評價(jià)可能影響工程施工的斷層、破碎帶及異常區(qū)域，為設(shè)計(jì)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)及地球物理參數(shù)。

地球物理勘探；尾礦庫；引水隧道；應(yīng)用

礦山引水隧洞的安全運(yùn)行是礦山安全、可持續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而引水隧洞的勘察設(shè)計(jì)建設(shè)又是安全運(yùn)行的前提。引水隧洞施工前的設(shè)計(jì)階段，了解區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、巖性特征、賦水性、第四紀(jì)覆蓋層厚度、下伏基巖面埋深及其界面的起伏形態(tài)等十分重要。在某礦區(qū)尾礦庫巴拉河引水隧道設(shè)計(jì)施工中，為查清引水隧道深部地質(zhì)情況，且考慮淺部橫向分辨精度，因此運(yùn)用綜合淺層地震折射法、高密度電法和大地電磁法三種方法對通過區(qū)域進(jìn)行了勘察，取得了較好的地質(zhì)成果，滿足了工程地質(zhì)勘察要求。

1　工作方法原理

地震勘探主要研究人工激發(fā)的地震（彈性）波在淺層巖、土介質(zhì)中的傳播規(guī)律。地震折射波法是一種簡便經(jīng)濟(jì)的勘探方法，在精度要求不高的情況下，它可為工程地質(zhì)提供淺層地層起伏變化和速度橫向變化資料以及潛水面的變化資料［5］。

電阻率法是建立在地殼中各類巖（礦）石之間導(dǎo)電性差異的基礎(chǔ)上，通過觀測和研究與這種差異有關(guān)的天然電場或人工電場的分布規(guī)律。高密度電阻率法是根據(jù)水文、工程及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的實(shí)際需要而研制的一種電阻率法觀測系統(tǒng)。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電阻率法在野外信息采集過程中可可組合使用多種裝置形式，因而采集的信息量大，數(shù)據(jù)觀測精度高，在電性不均勻的探測中取得了良好的地質(zhì)效果［5］。

電磁法是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和介電性差異為基礎(chǔ)通過觀測和研究人工的或天然的交變電磁場的分布規(guī)律。電磁測深法是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，研究天然或人工（可控）場源在大地中激勵(lì)的地磁場分布，并用電磁場觀測值來研究地電參數(shù)沿深度變化的一類電磁方法。常用的電磁測深方法有天然場源的大地電磁測深、人工場源頻率測深和瞬變測深［5］。

2　工程概況

工作區(qū)為攀枝花市鹽邊縣某礦區(qū)尾礦庫，巴拉河引水隧洞為其中一部分地球物理勘察工作。巴拉河引水隧洞進(jìn)口標(biāo)高為1 171.24m，出口標(biāo)高為1 106.00m，隧洞總長度2 012.74m。巴拉河引水隧洞工程主要由攔泥壩、導(dǎo)流渠、引水隧洞、消力池等組成。測區(qū)表層為第四系粉質(zhì)黏土、含卵石中細(xì)砂土，第三系普格達(dá)組粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，下伏基巖為早元古界會理群斑巖，并且在測線中部大規(guī)模出露基巖。根據(jù)地質(zhì)測繪調(diào)查，DK0+300和DK1+800附近存在斷層或破碎帶。根據(jù)有關(guān)地震資料，本區(qū)地處南北地震帶安寧河谷帶，地殼穩(wěn)定性較差，總體上屬次穩(wěn)定區(qū)域，其地震影響主要來自庫區(qū)東側(cè)的昔格達(dá)斷裂，地震危險(xiǎn)區(qū)影響的烈度為7°。此次測量目的，是采用淺層地震折射波法、高密度電法、音頻大地電磁法三種綜合物探方法查明斷裂及破碎影響帶分布等不良地質(zhì)現(xiàn)象、圍內(nèi)巖性變化，進(jìn)行圍巖分類，提供隧洞途經(jīng)巖體縱波速度。

圖1　某礦區(qū)尾礦庫引水隧道地震折射、高密度電和大地電磁法平面布置

3　地球物理特征

巖層波速度采取搜集資料，結(jié)合折射時(shí)距曲線解譯結(jié)果，進(jìn)行波速參數(shù)統(tǒng)計(jì)。測區(qū)強(qiáng)風(fēng)化層縱波波速值為562～860m/s，中風(fēng)化層縱波波速值為1 794～3869m/s。AMT法和高密度電法以電阻率的差異來區(qū)分巖性及構(gòu)造體，根據(jù)電阻率值的大小以及在地下的展布形態(tài)來識別地下地質(zhì)體的空間分布和性質(zhì)。影響電阻率的主要因素有礦物成分、巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及含水情況等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和本區(qū)地球物理的反演結(jié)果分析，得出各地層的電阻率值。極破碎、極軟弱或富水巖體視電阻率≤100Ω·m；破碎、軟弱或含水巖體視電阻率值100～400Ω·m；較破碎巖體視電阻率值400～1 000Ω·m；較完整巖體視電阻率值≥1 000Ω·m。

綜上，強(qiáng)風(fēng)化帶與中風(fēng)化帶，較完整巖體與破碎、軟弱巖體及斷層破碎帶之間存在一定的物性差異。因此本工區(qū)具備開展淺層地震折射波法及音頻大地電磁法、高密度電法的地球物理勘察前提。

圖2　某礦區(qū)尾礦庫引水隧道淺層地震折射波法勘探成果

4　野外工作及資料處理

淺層地震折射波法用于劃分強(qiáng)弱風(fēng)化帶，了解巖土層垂向上縱波速度的變化特征。使用錘擊震源，斷路觸發(fā)記時(shí)的方式，38Hz垂直檢波器接收，多次垂直疊加記錄，數(shù)據(jù)采集存儲使用WZG-24A型地震儀，采樣間隔0.05ms采樣點(diǎn)數(shù)8 192點(diǎn)。采用初至折射波進(jìn)行勘測，采用雙重相遇與追逐排列觀測系統(tǒng)，每排列4炮，道間距5m，最大炮間距125m，相遇排列最大長度為115m，測線長2 300m，物理點(diǎn)453個(gè)，數(shù)據(jù)點(diǎn)1 920炮·點(diǎn)。在拾取初至?xí)r間的基礎(chǔ)上，對同一層地震折射波的對比分析，主要依據(jù)波的同相性和波形相似性等特點(diǎn)，對相鄰兩層折射波的對比分析，則用折射波在界面上且置換特征和同軸相交的特點(diǎn)，對相鄰排列的連接對比，采用互換時(shí)，連接時(shí)相等特征，當(dāng)連接時(shí)超過5ms，均對曲線進(jìn)行平移處理。折射曲線主要用截距時(shí)間法和差數(shù)時(shí)距曲線法分解，分層解釋時(shí)，均假設(shè)成均勻二層介質(zhì)，有效速度的求取用折射波的交點(diǎn)法：Ve=X/T。在對地震波置換特征，時(shí)距曲線特征，巖土波速特征進(jìn)行定性分析研究的基礎(chǔ)上結(jié)合地質(zhì)資料和野外觀測結(jié)果建立了波速層與地質(zhì)層位的對應(yīng)關(guān)系，然后用于多種方法反復(fù)對比，求得各項(xiàng)定量解釋的成果，繪制地震地質(zhì)斷面等成果圖件。（圖2）

高密度電法探測覆蓋層埋深，探測淺埋段隧道巖體破碎情況。高密度電法用對稱四極測深裝置，采用AMNB施倫貝爾排列進(jìn)行測量，基本點(diǎn)距4m，測線長2 400m，物理點(diǎn)599個(gè)，數(shù)據(jù)點(diǎn)8 441個(gè)。野外數(shù)據(jù)采集使用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD—2高密度電法儀進(jìn)行滾動(dòng)測量，布設(shè)電極60根。基本電極間距ΔX=8m，MN=4m，斷面上的剖面條數(shù)n=14，排列觀測段長度120m。最小與最大供電極距Lmin～Lmax=12～124m。在對實(shí)測高密度數(shù)據(jù)進(jìn)行各排列數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、剖面測點(diǎn)高程輸入、測點(diǎn)壞數(shù)據(jù)切除等預(yù)處理后，利用計(jì)算機(jī)軟件（2DRES二維反演）建立地層電性模型，依據(jù)模型進(jìn)行ρs斷面正演計(jì)算，由正演計(jì)算結(jié)果與實(shí)測ρs斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，經(jīng)多次擬合迭代后其誤差小于設(shè)定值，即認(rèn)為實(shí)測ρs斷面為反演模型的反映，由此得出實(shí)測、正反演ρs色譜斷面，并進(jìn)一步對反演模型進(jìn)行地形改正，得到地改反演ρs斷面。依據(jù)斷面圖電阻率值及電阻率形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)資料劃分軟弱、破碎巖體。圖 3為高密度電法勘探成果。

圖3　某礦區(qū)尾礦庫引水隧道高密度電法勘探成果

音頻大地電磁測深法用于隧洞勘探，探測隧洞范圍內(nèi)巖性變化，斷裂及其破碎影響帶分布等不良地質(zhì)現(xiàn)象。選用加拿大鳳凰地球物理公司研發(fā)的V8多功能電法儀，采用“十”字型觀測裝置，磁北觀測系統(tǒng)，電極偶極矩20m，測線長2 260m，物理點(diǎn)114個(gè)。每個(gè)點(diǎn)基本測量時(shí)間25分鐘左右，強(qiáng)干擾地段加長觀測時(shí)間。野外采集數(shù)據(jù)使用MTSoft2D系列軟件進(jìn)行處理，在處理過程中，首先對野外數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、靜態(tài)校正等處理，然后進(jìn)行一維及二維反演成像。綜合電測深曲線、ρs斷面圖（電阻率等值線斷面圖）以及地質(zhì)資料，主要考慮電阻率斷面圖中背景值、低阻異常的形態(tài)、低阻異常值及其梯度值等因素，聯(lián)系實(shí)際地段所對應(yīng)的地層巖性，對地層分界線、斷層、巖溶及巖體的破碎、軟弱或含水情況進(jìn)行判釋。根據(jù)ρs值大小，并考慮地層巖性等因素，將電阻率異常大致分為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ和Ⅱ四類。依據(jù)ρs斷面圖上電阻率異常的等值線及走向趨勢確定異常的邊界。根據(jù)上述分析和解釋原則，對物探資料進(jìn)行判釋，繪制出音頻大地電磁勘探成果圖。圖 4為大地電磁法勘探成果。

圖4　某礦區(qū)尾礦庫引水隧道大地電磁法勘探成果

5　綜合解釋

消力池：此段只布設(shè)了高密度電法工作，視電阻率相對較高，地層表部為沖洪積含卵石中細(xì)砂土、卵石土，視電阻率值為80Ω·m，其下為強(qiáng)風(fēng)化斑巖，視電阻率值100～250Ω·m。推斷解釋與布設(shè)的鉆孔ZBK1一致。

K1+860.00～K2+010.80段：淺部視電阻率為50～400Ω·m，物探劃分為Ⅴ、Ⅳ類，隨著深度增加視電阻率為4 000～10 000Ω·m，物探劃分為Ⅱ類。地層表部為強(qiáng)風(fēng)化斑巖，其下為中強(qiáng)風(fēng)化斑巖。中強(qiáng)風(fēng)化斑巖為中硬巖，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，微張，起伏光滑或平直粗糙，洞口隧洞圍巖厚度較薄。

K1+730.00～K1+860.00段：淺部視電阻率低，約為40～100Ω·m，低阻帶呈串珠狀上下貫通，深部向K1+860.00～K2+010.80段延伸，物探劃分為Ⅴ類，推測為斷裂破碎帶。根據(jù)區(qū)域資料該段發(fā)育F201廻龍糜棱碎裂巖帶，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，微張，平直光滑或起伏光滑。地層表部為粉質(zhì)粘土、昔格達(dá)組強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖及強(qiáng)風(fēng)化斑巖，其下為中強(qiáng)風(fēng)化斑巖。以上推斷與鉆孔ZBK2資料吻合較好。

圖5　 某礦區(qū)尾礦庫引水隧道地質(zhì)剖面

K1+360.00～K1+730.00段：淺部測得視電阻率相對低，其值40～100Ω·m。視電阻率整體相對較高，約為400～6 000Ω·m，物探劃分為Ⅱ、Ⅲ類。地層表部昔格達(dá)組強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，其下為強(qiáng)風(fēng)化斑巖及中強(qiáng)風(fēng)化斑巖。中強(qiáng)風(fēng)化斑巖為中硬巖，巖體較完整，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，閉合～微張，起伏光滑或平直粗糙。

K0+460.00～K1+360.00段：淺部視電阻率相對低，其值40～140Ω·m。視電阻率整體相對較高，約為600～1500Ω·m，物探劃分為Ⅱ、Ⅲ類。其中在引水隧道設(shè)計(jì)位置深部有小于100Ω·m低阻區(qū)域，物探劃分為Ⅴ類。地層表部為強(qiáng)風(fēng)化斑巖，其下為中強(qiáng)風(fēng)化斑巖。中強(qiáng)風(fēng)化斑巖為中硬巖，巖體較完整，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，閉合～微張，起伏粗糙，主要結(jié)構(gòu)面約洞軸線夾角多為50°～90°，結(jié)構(gòu)面傾角多為45°～70°。以上推斷與鉆孔ZBK3、ZBK4資料吻合較好。

K0+350.00～K0+460.00段：淺部視電阻率相對低，其值40～140Ω·m。視電阻率整體相對中阻，約為250～600Ω·m，物探劃分為Ⅲ類。地層表部昔格達(dá)組強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖及強(qiáng)風(fēng)化斑巖，其下為中強(qiáng)風(fēng)化斑巖。中強(qiáng)風(fēng)化斑巖為中硬巖，巖體較完整，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，閉合～微張，起伏光滑或平直粗糙。以上推斷與鉆孔ZBK5資料吻合較好。

K0+280.00～K0+350.00段：淺部視電阻率相對低，其值40～80Ω·m。視電阻率整體相對低，約為100～250Ω·m，低阻帶呈串珠狀上下貫通，深部向K0+350.00～K0+460.00段延伸，物探劃分為Ⅴ類，推測為斷裂破碎帶。地層表部為昔格達(dá)組強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，其下為，強(qiáng)風(fēng)化斑巖及中強(qiáng)風(fēng)化斑巖。中強(qiáng)風(fēng)化斑巖為中硬巖，該段為斷層破碎帶，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，微張，平直光滑或起伏光滑。

K0+100.00～K0+280.00段：淺部視電阻率相對低，其值40～100Ω·m。視電阻率整體相對高，約為600～2 500Ω·m，物探劃分為Ⅲ類。地層表部為昔格達(dá)組強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖及強(qiáng)風(fēng)化斑巖，其下為中強(qiáng)風(fēng)化斑巖。中強(qiáng)風(fēng)化斑巖為中硬巖，巖體較完整，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，閉合～微張，起伏光滑或平直粗糙。以上推斷與鉆孔ZBK6資料吻合較好。

K0+000.00～K0+100.00段：淺部視電阻率相對高，其值100～250Ω·m。視電阻率整體相對高，約為1500～4 000Ω·m，物探劃分為Ⅱ、Ⅲ類。地層表部為強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)粘土、昔格達(dá)組強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖及強(qiáng)風(fēng)化斑巖，其下為中強(qiáng)風(fēng)化斑巖。中強(qiáng)風(fēng)化斑巖為中硬巖，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，微張，起伏光滑或平直粗糙，隧洞口圍巖厚度較薄。以上推斷與鉆孔ZBK0、ZK26、ZK27資料吻合較好。

導(dǎo)流明渠：淺部視電阻率相對高，其值100～250Ω·m。地層表部為耕土及巴拉河溝床內(nèi)沖洪積含卵石砂土、卵石土，物探劃分為Ⅴ、Ⅳ類，其下為斑巖，視電阻率整體相對高，約為1500～10 000Ω·m，物探劃分為Ⅱ類。以上推斷與鉆孔ZK25資料吻合較好。

6　結(jié)論

1）物探劃分的Ⅴ類、Ⅳ類及斷層破碎帶巖體極破碎極軟弱，施工中應(yīng)密切注意預(yù)防塌方、涌水、突泥、垮塌等危害。

2）運(yùn)用淺層地震折射波法、高密度電法測量點(diǎn)距分別為5m、4m滿足測線淺層橫向分辨率，音頻大地電磁法測量點(diǎn)距20m兼顧了深部地質(zhì)情況的勘察。綜合運(yùn)用能夠區(qū)分了覆蓋層風(fēng)化程度，提供由淺部到深部的電阻率信息，劃分圍巖分類。

［1］底青云，伍法權(quán)，等.地球物理綜合勘探技術(shù)在南水北調(diào)西線工程深埋長隧洞勘察中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005.

［2］常娟，陳誠，吳著明.礦山引水隧洞安全管理預(yù)警系統(tǒng)淺析［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2010.

［3］曾國，崔德海，劉杰，李凱.地震折射波法和高密度電法在隧道勘察中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2009.

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TheApp lication of Integrated GeophysicalM ethods to the Engineering GeologicalExp loration of Diversion Tunnel in Tailing Dam Area

HUANG XuLIU Shao-wei
（No.605Geological Party，Sichuan Bureau ofMetallurgicalGeological Exploration，Pengshan Sichuan 620800）

Shallow seism ic refraction method，high density resistivity method and audio magnetotelluric sounding method are use for detecting geological structural planes，lithologic characters and water-bearing capability of diversion tunnel in tailing dam area of am ine which in combination with geological data assesses theengineering geologicalproblemsof the diversion tunnel.

integrated geophysicalmethod；shallow seismic refraction；high-density resistivitymethod.

P631

A

1006-0995（2015）02-0275-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.02.029

2014-05-23

黃旭（1988-），男，四川巴中人，助工，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）在讀工程碩士，主要從事物探勘查工作