可控源音频大地电磁测深法在病险水库坝区勘探中的应用

◇四川水利职业技术学院 闫 胜 邹 立 纪丁愈

根据勘探深度和精度要求选择适用的地面物探方法，可大大节约勘探成本和时间，减少勘探难度，提高勘探精度。以建于20世纪50年代的某病险水库为例，探讨CSAMT法即可控源音频大地电磁测深法在病险水库坝区勘探中的应用。结合工程区工程地质条件和物探地质条件，分析CSAMT法在病险水库坝区勘探应用的有利及不利条件。CSAMT法能够有效探测病险水库坝体中的洞穴、裂缝、松软层和渗漏通道等潜在隐患的规模、位置和埋深，使用物探结果配合相应地质工作，能够为坝区除险加固整治提供地质依据。

1 引言

电法勘探是物探工作最常用的手段，其中大地电磁测深法是利用人工电磁场与天然电磁场相互结合的方式测量目标区域视电阻率ρ，得到深度h-视电阻率ρ等值线图，以此判定成果对地质条件进行综合解释。该类方法基于大地低通滤波效应，利用高频电磁波穿透深度小和低频成分穿透深度相对大的特性，通过在地面设观测点，观测频率范围为10Hz～2000Hz大地电磁脉动信号。将接收到的数据信号进行处理和分析后，可得到反映该测线不同深度电性分布的视电阻率曲线，进而做出地质解释。大地电磁测深法在工程中广泛用于洞穴、油气、地热等的勘探。可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）使用人工场源，测量卡尼亚电阻率，改变频率进行测深，其物性前提是地质体具有导电性和导磁性差异。CSAMT法对于水库坝体隐患探测通常具有较高的分辨率，有效勘探深度2米以上，为探测坝体中隐患的位置和规模提供了可能。

2 工作区基本条件概况

2.1 工程概况

该水库于20世纪50年代修建而成，坝体类型为土石重力坝，水库兴建之初的主要任务是农田灌溉，运行至今已是一座以灌溉为主并结合防洪的小（2）型水库。该水库属Ⅴ等，主要永久建筑物为5级，总库容77.30万m3。大坝坝体为均质土坝，坝顶高程795.3m，最大坝高17.7m，坝顶宽2.8m，长76m。大坝上游为混凝土预制块护坡，坡比自上而下依次为1:2.0、1:2.1；下游天然草皮护坡，坝坡从上至下坡比为1:2.4、1:3.4；坝脚排水棱体高6.4m。物探工作开展前，坝体顶部近左岸及坝体下游坝坡已出现塌陷、局部渗漏等问题，影响水库及坝体安全。

2.2 工程地质概况

工作区为溶蚀型中低山沟谷地貌，为近似对称的“U”形谷，沟谷走向南西，两岸植被较发育，两岸斜坡坡度20°～35°之间，局部为人工开挖形成的陡坎。坝下游沟谷底部地面高程776.9m，坝顶高程795.20m，两岸山顶高程817.5m，沟谷与山顶高差40.6m。第四纪覆盖层（Q4）为黄褐色粘性土，硬塑-可塑状，厚度0～4m，零星分布于沟谷及地势低洼处。基岩为寒武系中统花桥组（∈2h）灰色、薄～中厚层状泥质灰岩、泥灰岩、灰岩。地下水类型主要为岩溶裂隙水，降水补给，水库所在沟谷为排泄基准面，局部见泉点出露。工程区位于向斜东翼近轴部，岩层产状为276°∠11°，工程区地震基本烈度小于Ⅵ度，区域构造稳定性较好。

2.3 物探地质条件

基于以上工程概况和工程地质条件，采用可控源音频大地电磁测深法在该水库坝体工作的有利条件主要体现在以下几个方面：探测期间，工作区岩土处于湿润与稍湿状态，导电性较好。坝体土中水体与覆盖层、岩体存在较大电性差异。土层与下覆基岩电阻率值相差1～2个级次，覆盖层为低阻，下覆基岩为高阻。对于土洞、裂缝等空腔结构，未充水时为高阻，充水时为低阻。对于渗漏通道，若充水时为低阻，围岩显示为高阻；若无充填物，阻值按空气计，渗漏通道为高阻，围岩为低阻。此外，工作区上方无高压电线，无用电设施，场区内电磁噪声比较平静，不利干扰较小。采用可控源音频大地电磁测深法在该水库坝体工作的不利条件主要有：工作区坝肩两岸为斜坡，地形转折起伏较大、覆盖层分布不均匀等干扰因素破坏了电场的均匀性，工作难度相对较高。左坝肩有沥青混凝土公路穿过，车流量较大，对电极棒布设有一定影响。

2.4 场区岩土物性特征

根据场区岩土特征及现场测试统计，场地岩土物性参数见表1。

表1 场区岩土物性参数

3 工作方法与技术

3.1 工作原理概述

本次工作是在大地电磁测深法、MT、AMT、频率测深法、自然电场法等电法勘探理论的基础上，利用天然电场探测地质岩土体及其构造不同产生的电阻率变化等来判断、分析地质异常体。利用相应电脑软件对大量探测数据进行分析处理及成图，结合地质理论、地质条件等综合分析，通过定性与半定量的成果解释，反映地下电阻异常体的走向、埋深、厚（宽）度等相关信息。

3.2 仪器设备与工作参数

仪器设备：采用ADMT-6型全自动大地音频电场物探仪。由主机、两根测量电极、一根电极线等组成。主机由内置电池供电，采用高性能AD采样、FFT数字滤波技术收存数据；测量电极为铜电极；电极线为单线铜芯屏蔽电缆，电极线接头为专用旋钮插头。

图1 ADMT-6智能大地音频物探仪工作示意图

工作参数：根据场地条件与工程特点，本次探测电极距MN=20m，测点间距X＝1.0m，测量模式为两极剖面法，增益控制旋钮选择“0”挡。

3.3 测线布置及原始资料处理

沿坝轴线延伸方向分别在坝体迎水面堤肩、坝顶、背水面堤肩各布置1条测线，编号为WT-1、WT-2、WT-3。测线长度分别为70.0m，81.0m，68.0m，测线总长219.0m。本次物探工作，测试点有192点，数据1728个。其中，WT-1测线共有测试点61点，获得测试数据549个；WT-2测线共有测试点72点，获得测试数据648个；WT-3测线共有测试点59点，获得测试数据531个。

测试期间无参数调换、测试操作正常，测试数据真实可靠。根据测点间距与测点数据深度关系，将获取的数据进行空间坐标排序处理，再使用Surfer8.0软件对数据进行网格转换，成图处理后生成每一条测线的可视化物探剖面图，并进行不同数值区域不同色彩填充，区别物性特征。图件处理完成后，不同地质体及结构状态在水平距离与垂向深度得到直观显示。

3.4 成果分析及其地质解释

Wt-1物探剖面推测地质解释：坝体填筑物土石分布不均匀、密实度不均匀。坝体下基岩埋深一般为4～6米，基岩面起伏较大，基岩溶沟溶槽较发育。在右岸测线13～15米，18～19米，左岸48～51米、54～56米为主要物探异常区域，其它部位也出现不同宽度异常区域，推测为渗漏通道。

Wt-2物探剖面推测地质解释：坝体填筑物土石分布不均匀、密实度不均匀，多处存在架空岩体空隙。坝顶土层厚约3.5米，其下为2.5米厚的岩块层，水平状分布，在42米处断开。测线14～16米，31～36米，56～58米为竖直状延续高阻体。测线36～44米，49～56米为主要物探低阻区域，推测为渗漏通道。坝顶塌陷坑位于测线45米处，发育于两渗水孔洞之间。测线12米、53米处推测为隐伏土洞。

Wt-3物探剖面推测地质解释：坝体填筑物土石分布不均匀、密实度不均匀，多处存在架空岩体空隙。坝顶土层厚约4.0米，其下为岩块层，岩块之间空隙1～2米，充填粘土。测线45～50米，54～56米为主要物探低阻区域，推测为渗漏通道。

水库坝体物探地质剖面见图2。

图2 水库坝体物探地质剖面图

4 结论

采用可控源音频大地电磁测深法对坝区进行探测，基本查明测试区段10米深度范围坝体结构特征、软弱层及渗漏通道空间分布情况，探测成果对于病险水库隐患处理具有一定指导意义。

（1）根据可控源音频大地电磁测深法探测结果分析，可认定水库坝体土石分布不均匀，密实度不均匀，岩块间架空孔隙较多。根据坝体各处不同深度电性差异，可分析出有多处发育渗漏通道与松软层，宽0.5～1.0m，主要分布在靠近坝体左岸部位。

（2）由于可控源音频大地电磁测深法只是物探勘查的一种手段，受场地条件限制影响，物探测线长度有限，探测深度受限，探测成果有一定局限性，宜采取其它勘查方法对物探推测的隐患结构进行工程验证。

（3）采用可控源音频大地电磁测深法，由于各岩土层厚度变化较大，物性纵、横向变化较大，可能造成异常解释深度误差偏大，解释数值仅作为参考资料。探测成果推测的隐患类型、岩土结构特征准确率一般为80%左右。