(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司， 河南 鄭州 450000)

電磁測(cè)深技術(shù)在卡邦波水電項(xiàng)目上的應(yīng)用

趙新澤

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司， 河南 鄭州 450000)

電磁測(cè)深技術(shù)多運(yùn)用于地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)的大地電磁測(cè)深法勘探，在卡邦波水電項(xiàng)目中采用該技術(shù)來(lái)查明場(chǎng)區(qū)內(nèi)河床及兩岸覆蓋層厚度、巖體風(fēng)化程度與分層狀況，為后續(xù)大壩設(shè)計(jì)、施工提供地球物理依據(jù)，取得了理想效果。本文從測(cè)點(diǎn)布置、測(cè)試方法原理及其特性特點(diǎn)等方面的應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行研究，為今后水電項(xiàng)目的同類測(cè)試提供借鑒。

電磁測(cè)深技術(shù)；水電項(xiàng)目；應(yīng)用

1 概 況

1.1 工程簡(jiǎn)介

卡邦波水電站位于贊比亞西北省索洛韋茲和穆尼龍嘎區(qū)交界的卡邦波河上?？ò畈ê邮琴澅任魃嫌魏酉档闹饕Я鳌９こ讨饕ㄖ锇雺夯炷链髩?、引水洞、地下廠房、尾水洞等，裝機(jī)40MW。

1.2 工程物探勘測(cè)目的與要求

該次勘測(cè)的目的是通過(guò)工程物探，查明卡邦波水電站大壩場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度、兩岸巖體風(fēng)化程度與分層，為后續(xù)大壩設(shè)計(jì)、施工提供地球物理依據(jù)。主要任務(wù)如下：

a. 查明大壩場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度(特別是河床覆蓋層厚度)。

b. 查明大壩場(chǎng)區(qū)內(nèi)兩岸巖體的風(fēng)化程度及分層。

c. 查明上游、下游圍堰處的河床覆蓋層厚度等。

1.3 工程物探勘測(cè)方法

采用EH4電磁測(cè)深法查明該測(cè)區(qū)覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層層位的形態(tài)及規(guī)模。

1.4 完成的工作量

根據(jù)勘測(cè)目的及場(chǎng)地實(shí)際條件進(jìn)行測(cè)線布設(shè)，測(cè)線以EH4電磁法為主，其中布置勘探線5條，受場(chǎng)地地質(zhì)條件所限，測(cè)點(diǎn)以手持GPS定點(diǎn)，用羅盤、皮尺輔助放線，實(shí)際完成工作量見(jiàn)表1。

表1 工程物探工作量統(tǒng)計(jì)

2 場(chǎng)地地質(zhì)概況及地球物理?xiàng)l件

2.1 場(chǎng)地地質(zhì)概況

大壩場(chǎng)區(qū)地貌成因類型為剝蝕丘陵，地貌類型為緩傾斜丘陵地貌，勘測(cè)高程范圍在1245.00～1305.00m之間。場(chǎng)區(qū)植被較發(fā)育，主要為草本植物、灌木等。

2.2 地球物理?xiàng)l件

大壩場(chǎng)區(qū)上覆松散覆蓋層為殘坡積土、孤石等，下伏基巖主要以片麻巖、石英片巖為主。

場(chǎng)區(qū)上覆覆蓋層、下伏基巖、彈性波速、電阻率均存在著較明顯的差異，這為工程物探勘察提供了較好的物性條件。場(chǎng)區(qū)巖土體參數(shù)表見(jiàn)表2。

表2 場(chǎng)區(qū)區(qū)域巖土體參數(shù)

3 測(cè)深技術(shù)方法及工作布置

3.1 測(cè)點(diǎn)的布置

受場(chǎng)地條件所限，選用GPS差分定位直接放點(diǎn)的測(cè)量方法，實(shí)施該項(xiàng)目物化探工作的測(cè)網(wǎng)(剖面)布設(shè)，達(dá)到快速、經(jīng)濟(jì)，并且質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 方法原理、特點(diǎn)

3.2.1 EH4電磁測(cè)深儀工作原理

EH4是利用大地電磁的測(cè)量原理，測(cè)量TE/TM兩個(gè)模式的電阻率。配置磁偶極子發(fā)射源，發(fā)射頻率從1～70kHz，以彌補(bǔ)大地電磁場(chǎng)1～5kHz寂靜區(qū)信號(hào)不足，加強(qiáng)高頻段的儀器抗干擾能力，當(dāng)天然交變電磁場(chǎng)入射大地，在地下以波的形式傳播時(shí)，地面電磁場(chǎng)的觀測(cè)值由于電磁感應(yīng)作用，包含地下介質(zhì)的電阻率分布信息。由于不同頻率的電磁場(chǎng)信號(hào)具有不同穿透深度，因此大地電磁測(cè)深通過(guò)研究地表采集的電磁數(shù)據(jù)能夠反演出地下不同深度介質(zhì)電阻率分布的信息。

3.2.2 EH4基本參數(shù)

正交的電場(chǎng)分量(Ex,Ey)和磁場(chǎng)分量(Hx,Hy)的時(shí)間序列。然后通過(guò)傅立葉變換將時(shí)間域的電磁信號(hào)變成頻譜信號(hào)，得到Ex、Ey、Hx、Hy，最后計(jì)算卡尼亞電阻率。EH4裝置如圖1所示。

圖1 EH4裝置示意圖

3.2.3 EH4電磁測(cè)深儀工作特點(diǎn)

EH4是大地電磁(TM)測(cè)深方法中的一種觀測(cè)系統(tǒng)(裝置)。巖(礦)石(層)、水等之間的電阻率差異是投入此方法的物質(zhì)基礎(chǔ)。有如下主要特點(diǎn)：

a. 觀測(cè)速度快，操作簡(jiǎn)便，可以不需施加人工場(chǎng)源。

b. 探測(cè)深度一般可達(dá)1000m；在地電和干擾滿足一定條件的情況下，能探明1500m深度以內(nèi)、具有一定規(guī)模和電阻率差異的地質(zhì)體的垂向形態(tài)及分布特征。

3.3 設(shè)備投入及技術(shù)要求

3.3.1 主要儀器設(shè)備

主要儀器投入：電法儀(Stratagem)主機(jī)及其配套設(shè)備一套、手持GPS一臺(tái)、地質(zhì)羅盤等相關(guān)設(shè)備。

3.3.2 儀器性能檢測(cè)

用平行測(cè)試方法來(lái)檢測(cè)儀器性能。平行測(cè)試是指將兩個(gè)電極相互平行擺放(如X方向)，兩個(gè)磁棒也朝同一方向擺放(如Y方向)。

該次物探勘測(cè)工作中，儀器工作正常，所測(cè)得的時(shí)間序列圖Ex與Ey，Hy與Hx的信號(hào)一致，所計(jì)算的視電阻率曲線也一致。

3.3.3 觀測(cè)技術(shù)要求

數(shù)據(jù)采集：EH4的數(shù)據(jù)采集是通過(guò)記錄測(cè)點(diǎn)號(hào)、測(cè)量參數(shù)、記錄測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)完成。張量模式采集EX、HX、EY、HY四組數(shù)據(jù)；標(biāo)量模式采集EX(EY)、HY(HX)兩組數(shù)據(jù)。

裝置參數(shù)：電極距50m。工作參數(shù)：采集模式H(高頻)，采集頻段低、中、高三個(gè)，濾波50Hz，相關(guān)度0.5、0.8，疊加8次。觀測(cè)技術(shù)要求：沿測(cè)線為X極(方向)，垂直測(cè)線為Y極(方向)，X極與測(cè)線方向夾角、與Y電極夾角誤差不大于±2°，不同方向的電極線插到前置放大器(AFE)相應(yīng)的孔中。

3.3.4 儀器設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)安放

主機(jī)放于距前置放大器(AFE)和磁棒大于10m處。

磁棒距離前置放大器(AFE)不小于5m，“X”磁棒平行測(cè)線(“X”與測(cè)線平行的誤差不大于±2°)，“Y”磁棒垂直測(cè)線(“Y”與測(cè)線的直角誤差不大于±2°)，X、Y磁棒距離不小于2m, 均要求水平放置(磁棒水平線的夾角不大于±2°)，為減少風(fēng)的干擾，埋置于土中，連接磁棒的線插到前置放大器(AFE)相應(yīng)孔中。工作過(guò)程中，所有人員、動(dòng)物距磁棒不小于5m，有磁性的物體距磁棒、前置放大器(AFE)不小于20m。

在觀測(cè)過(guò)程中，隨時(shí)觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)弱，根據(jù)信號(hào)在時(shí)間序列圖振幅寬度判斷并調(diào)節(jié)增益，使信號(hào)振幅約為1/2行寬。如EX、EY信號(hào)弱，增益調(diào)節(jié)到最大以無(wú)法使信號(hào)振幅約為1/2行寬時(shí)，調(diào)整和改善電極接地電阻，可通過(guò)加鹽水、增加電極根數(shù)或其他方法。

3.3.5 現(xiàn)場(chǎng)干擾的排除

注意各種干擾，如果干擾難以保證最終結(jié)果精度，應(yīng)重新觀測(cè)或多次觀測(cè)并儲(chǔ)存合格的觀測(cè)結(jié)果，且詳細(xì)記錄。

3.3.6 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄

儀器雖具記錄存儲(chǔ)功能，但當(dāng)天工作結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)回放并輸出觀測(cè)結(jié)果，保存在電腦和磁盤各一份。在數(shù)據(jù)回放時(shí)，要對(duì)當(dāng)天采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析處理，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)過(guò)程中可能存在的問(wèn)題或錯(cuò)誤，并及時(shí)進(jìn)行處理或糾正。

3.3.7 數(shù)據(jù)的檢查與校驗(yàn)

采用在某測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間重新布極觀測(cè)，如果二次觀測(cè)的視電阻率-頻率和相位-頻率曲線形態(tài)基本一致，即合格；否則，不合格?；虿捎迷谀硿y(cè)線不同時(shí)間，重新布極觀測(cè)，如果二次觀測(cè)的視電阻率曲線形態(tài)基本一致，即合格；否則，不合格。

3.4 工作布置

根據(jù)任務(wù)要求，該測(cè)區(qū)設(shè)計(jì)施工5條測(cè)線，共計(jì)20個(gè)物理點(diǎn)。該測(cè)區(qū)地質(zhì)原因較為復(fù)雜，測(cè)深點(diǎn)無(wú)法均勻分布，但完全滿足施工需要及任務(wù)要求?？ò畈◢{水電站工程測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2所示。

圖2 卡邦波峽水電站工程測(cè)點(diǎn)布置

3.5 質(zhì)量保證措施

該次測(cè)探嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量檢查點(diǎn)為2%，視電阻率曲線形態(tài)基本一致(見(jiàn)圖3)，觀測(cè)精度及觀測(cè)誤差均符合質(zhì)量要求。

圖3 EH4測(cè)深質(zhì)量檢測(cè)

4 資料處理

4.1 原始數(shù)據(jù)處理

將采集的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至電腦儲(chǔ)存，并進(jìn)行整理歸類。將各類整理好的數(shù)據(jù)資料，按要求形成紙質(zhì)資料并裝訂成冊(cè)，編制封面、目錄和簡(jiǎn)要說(shuō)明。

4.2 資料預(yù)處理

利用Excel等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)歸類整理，核對(duì)點(diǎn)號(hào)和線號(hào)，剔除畸變點(diǎn)，進(jìn)行各項(xiàng)改正計(jì)算及插值、圓滑濾波等預(yù)處理。

4.3 綜合研究和提交成果

4.3.1 數(shù)據(jù)處理與二次信息提取

利用重磁電數(shù)據(jù)處理與解釋軟件系統(tǒng)——RGIS，對(duì)電磁測(cè)深(EH4)采集數(shù)據(jù)，實(shí)施數(shù)據(jù)處理，盡可能消除干擾信息，提取有用信息；盡可能在平面、垂向劃分出地層、礦(化)體及其形態(tài)特征。

4.3.2 數(shù)據(jù)編號(hào)和解譯

按統(tǒng)一格式對(duì)該區(qū)域進(jìn)行編號(hào)分類，并結(jié)合各個(gè)測(cè)深點(diǎn)數(shù)據(jù)及其他信息進(jìn)行推斷解譯。

5 成果分析

圖4為1線1號(hào)測(cè)深點(diǎn)—4號(hào)測(cè)深點(diǎn)視電祖率測(cè)深剖面圖。

該測(cè)線電阻率呈階梯狀，由淺部至深部電阻率逐漸升高，層次較為清晰，部分地區(qū)無(wú)覆蓋層。根據(jù)該區(qū)域巖土體物性參數(shù)及電阻率測(cè)深曲線分析，該測(cè)線覆蓋層埋深在0～5m范圍，厚度為2～5m；強(qiáng)風(fēng)化層埋深在0～7m范圍(局部出露地表)，厚度為2～7m；中、弱風(fēng)化層埋深在8～40m范圍，厚度為20～40m。

圖4 1號(hào)點(diǎn)—4號(hào)點(diǎn)視電阻率剖面

圖5為2線5號(hào)測(cè)深點(diǎn)—8號(hào)測(cè)深點(diǎn)視電祖率測(cè)深剖面圖。

根據(jù)視電阻率曲線分析，該測(cè)線8號(hào)測(cè)深點(diǎn)90m位置出現(xiàn)相對(duì)低阻體，與地表風(fēng)化巖層視電阻率基本相似，且部分地區(qū)無(wú)覆蓋層。根據(jù)該區(qū)域巖土體物性參數(shù)及電阻率測(cè)深曲線分析，該測(cè)線覆蓋層埋深為0～4m，厚度為1～4m；強(qiáng)風(fēng)化層埋深為0～14m，厚度為4～14m；中、弱風(fēng)化層埋深為7～35m，厚度為20～30m。

圖5 5號(hào)點(diǎn)—8號(hào)點(diǎn)視電阻率剖面

圖6為3線9號(hào)測(cè)深點(diǎn)—12號(hào)測(cè)深點(diǎn)視電祖率測(cè)深剖面圖。

該測(cè)線電阻率差異較為明顯，部分地區(qū)無(wú)覆蓋層。根據(jù)該區(qū)域巖土體物性參數(shù)及電阻率測(cè)深曲線分析，該測(cè)線覆蓋層埋深在0～7m范圍，厚度為2～7m；強(qiáng)風(fēng)化層埋深在0～12m范圍，厚度為4～12m；中、弱風(fēng)化層埋深在10～70m范圍，厚度為40～60m。

圖6 9號(hào)點(diǎn)—12號(hào)點(diǎn)視電阻率剖面

圖7為4線13號(hào)測(cè)深點(diǎn)—16號(hào)測(cè)深點(diǎn)視電祖率測(cè)深剖面圖。

該測(cè)線電阻率差異較為明顯，地表基本無(wú)覆蓋層。根據(jù)該區(qū)域巖土體物性參數(shù)及電阻率測(cè)深曲線分析，該測(cè)線覆蓋層埋深在0～3m范圍，厚度為0.5～3m；強(qiáng)風(fēng)化層埋深在0～10m范圍，厚度為5～10m；中、弱風(fēng)化層埋深在5～70m范圍，厚度為30～60m。

圖7 13號(hào)點(diǎn)—16號(hào)點(diǎn)視電阻率剖面

圖8為5線17號(hào)測(cè)深點(diǎn)—20號(hào)測(cè)深點(diǎn)視電祖率測(cè)深剖面圖。

該測(cè)線電阻率差異較為明顯，地表覆蓋層較厚。根據(jù)該區(qū)域巖土體物性參數(shù)及電阻率測(cè)深曲線分析，該測(cè)線覆蓋層埋深在0～17m范圍，厚度為2～17m；強(qiáng)風(fēng)化層埋深在0～27m范圍，厚度為3～27m；中、弱風(fēng)化層埋深在20～60m范圍，厚度為20～50m。

圖8 17號(hào)點(diǎn)—20號(hào)點(diǎn)視電阻率剖面

6 結(jié) 論

a. 根據(jù)該地區(qū)電阻率測(cè)深剖面圖解釋與分析，可推出：該地區(qū)第四系覆蓋層平均埋深為0～10m，平均厚度為0.5～10m；強(qiáng)風(fēng)化層平均埋深為0～15m(部分地段無(wú)覆蓋而直接出露地表)，平均厚度為2～15m；中、弱風(fēng)化層埋深為8～70m，平均厚度為20～60m。

b. 該次工程物探勘測(cè)數(shù)據(jù)良好，反演后解釋成果合理，但地球物理勘測(cè)為間接測(cè)量手段，其成果為推斷成果而存在多解性。

EH4電磁測(cè)深技術(shù)初次運(yùn)用于水電項(xiàng)目進(jìn)行勘探測(cè)試，為大壩設(shè)計(jì)施工提供了地球物理依據(jù)，取得了理想效果。該技術(shù)測(cè)試出的數(shù)據(jù)與后續(xù)選點(diǎn)鉆孔勘探所揭露出的地質(zhì)情況基本吻合。

ApplicationofelectromagneticsoundingtechniqueinKabompoHydropowerProject

ZHAO Xinze

(SinohydroBureau11Co.,Ltd.,Zhengzhou450000,China)

The electromagnetic sounding technology is mostly applied to magnetotelluric sounding method exploration of geology and mineral resources industries. The technology is adopted in kabompo Hydropower Project to find out field riverbed and coverage layer thickness at both banks, rock mass weathering degree and layering condition, thereby providing geophysical basis for subsequent dam design and construction. Ideal effects are obtained. In the paper, the measurement point layout, test method principles, features, characteristics and other application keys are studied, thereby providing reference for similar tests in future hydropower projects.

electromagnetic sounding technology; hydropower project; application

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.015

TV221

B

1005-4774(2017)012-0060-06