电磁法在水利工程勘察中的应用

崔 晨

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830091)

电磁法在勘察领域应用的范围非常广，主要包括了地下水、地热勘察，矿产勘察、溶洞勘察、高阻覆盖区勘察等，表现出了优异的应用效果，勘察的质效高，结果准确。水利工程通常地质条件较差，处于高山河流区域，现场地质勘察会受到自然条件、地形的限制，工程勘察结果可能存在偏差。因此，需采用电磁法进行勘察补充，获取地下隐伏构造，以为水利工程施工提供准确的地质依据[1]。

1 电磁法在水利工程勘察中应用的原理

电磁法是水利工程地质勘察中常用的一种方法，利用电磁感应原理，借助水利工程勘察现场地下岩(矿)石不同的导电性、导磁性，使用专门的地球探测仪器，比如V8多功能电法仪，通过发射系统发送一次脉冲磁场，接收系统接收二次磁场信号，进行水利工程地下地质勘察。该仪器为电法类勘探仪器，由发射系统、接收系统、定位系统、数据处理系统组成，勘察方法包括了瞬变电磁法、大地电磁法、音频电磁法等，在水利工程勘察中应用效果显著。但是在实际的勘察中，由于水利工程现场地下良导体的不同，电磁法勘察的灵敏度存在差异，呈现出不同的电磁异常场幅度，导致最终的解释成果存在差异。文章以电磁法中的瞬变电磁法与EH-4电磁测深法为例，进行电磁法在水利工程中应用原理与应用特点的论述，具体内容如下。

1.1 工作原理

瞬变电磁法为无损探测法，应用多功能电法仪发射系统发送脉冲电流，在发射线圈中形成一次磁场，传递至地下良导体，使良导体发生电磁感应，多功能电法仪然后再利用断电的间隙，其接收系统采集良导体反馈回的瞬变二次磁场，工作原理如图1所示。而二次磁场信号的强弱，显示着良导体导电性的强弱，如果工程勘察地下良导体的导电性差，那么在断电后其瞬变二次场峰值大，但是场强衰减较快，反之瞬变二次场峰值小，衰减速度慢。EH-4电磁测深法根据电磁感应原理，利用EH4电导率张量测量仪，发射人工电磁波弥补大地电磁场，可完成地下1千米深度介质电阻率与电导率的测量，用于解决水利工程地质构造深度探测问题[2]。

1.2 电磁法特点

1.2.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法整合了探测技术与数据处理技术，通过发射系统与接收系统进行地下二次磁场信号的采集，实现软硬件技术的结合，在水利工程勘察中的应用表现出了以下特点：①探测效果好，在多功能电法仪发射一次磁场后，断电进行二次磁场信号的采集，不会受到一次磁场信号的影响，纯二次场探测效果好；②穿透力强，探测深度可超过1km，探测不受低阻覆盖层与高阻覆盖层影响；③采用多道观测，测线布置灵活，不受探测现场地形、地势的影响而形成假异常；④应用于高低阻覆盖层，可准确分辨及定位探测目标；⑤探测仪器体积小、质轻，操作简单方便，并且多功能电法仪可同时进行剖面测量与测深，提高了探测解读的准确性。

图1 瞬变电磁法工作原理

1.2.2 EH-4电磁测深法

EH-4电磁测深法同时使用了人工与天然电磁场，在工程地质构造勘察中应用的稳定性好，并且EH4测量仪体积小，天线为十字交叉形式，发射率在500Hz-100KHz，能接受纵横两个方向的电场与磁场。在实际的应用中做到了密点连续测量，数据实时采集与显示，应用的节能性与便利性良好[3]。

2 电磁法在水利工程勘察中的具体应用

2.1 工程案例

以某地水利工程为例，该工程为水库工程，主要用于防汛抗旱。该工程总库容7689万m3，主坝1座、副坝6座，有取水口工程、充水工程，以及一条长10.64km的干渠。其中2座副坝在前期地质勘察中，发现有区域性断层，断层位于2座副坝的坝基，坝基下方存在破碎带，有副坝建成后的坝基渗漏隐患。基于此，需使用瞬变电磁法进行坝基地下破碎带的无损探测，明确区域性断层的实际情况。取水口工程需要穿越大山，深埋隧道施工需要进行地下水分布的勘察，以便于进行水利工程施工方案的优化调整，解决副坝投入运行后的渗漏隐患，及深埋隧道工程施工中可能面临的水害问题，确保整个水库工程的施工质量。

2.2 瞬变电磁法在工程案例中的应用

2.2.1 探测布置

在2座副坝区域性断层探测范围，参照水利工程的地质勘察报告，确定探测区域的工程地质条件，地质构造为断层，地层岩性为厚7～14m的砂砾石层，分布较薄的凝灰质砂岩层、晶屑玻晶凝灰岩等。在探测的范围内共布置6条测线，测线间距为35m左右，平行于副坝轴线布置，测线长度根据探测范围进行灵活控制，在400～1000m之间。探测仪器选用体积小、操作简单的V8多功能电法仪，高频信号为16位，低频24位，可接收40个频点信号，增加动态探测范围及分辨率，反射与接收系统与GPS同步运行，并采用无线连接及移动通信。

2.2.2 探测电性数据

通过该水利工程前期物探成果获取以下地质信息，在副坝的坝基地下40m范围内，从上至下分别是电阻率为15～160Ωm的低液限黏土，100～480Ωm的砂砾石，90～320Ωm的伏基岩。电阻率随着深度的增加逐渐变小，部分河床地下50～110m为基岩，电阻率为70～160Ωm。在本次瞬变电磁法探测中，获取的低液限黏土视电阻率为30～120Ωm，砂砾石为80～130Ωm，基岩为70～520Ωm。

2.2.3 探测解读

多功能电法仪接收系统获取的数据首先进行数据预处理，剔除其中的奇异点与坏点，然后使用电法仪工作站的软件进行数据处理，生成视电阻率深度断面图，综合分析前期获取的工程地质勘察资料，进行该断面图的解读，具体内容如下：①2座副坝坝基的覆盖层，存在不同风化程度较破碎岩体、极破碎岩体、完整性差岩体、新鲜完整基岩等，探测获取的视电阻率依次是30～80Ωm、80～110Ωm、110～130Ωm与180Ωm以上；②主断层，经数据分析初步判断其内岩体挤压程度较大，视电阻率在120～260Ωm之间，断层错动位置在坝基的100～550m之间，六条测线获取的视电阻率存在较小偏差；③错动带分析，确定其内部存在断层发育现象；四是断层发育处有破碎带，地质条件较差，且位于坝基100～300m之间。

2.2.4 探测成果

综合瞬变电磁法探测解读与该水利工程前期的地质勘察、物探等数据信息，确定2座副坝坝基存在主错动断层，并且错动带有断层发育，距离坝基较近，推断出断层的空间分布及走向，获取的成果如下：①瞬变电磁法需断电探测，地下浅部探测成果准确性不够，视电阻率有待考量；②确定了主断层大致空间分布，虽然6条测线探测数据处理后存在偏差，但不影响最终探测结果的精度；③主断层错动带左侧的辐射在测线探测的500m范围内，坝基会受到断层的影响，并且断层有发育表现；④错动带右侧岩体较完整，断层的影响不大；⑤结合获取探测的视电阻值，确定副坝坝基的地质条件较差，施工范围存在主断层错动带，岩体断层发育，强风化裂隙发育、弱风化裂隙发育分布较多，错带内部挤压较为紧密，渗透性不大，但是在断层发育处则渗透性强，易引起副坝坝基渗漏，对副坝施工产生不良的影响，需要在施工方案设计阶段，进行针对性的处理及解决。

2.2.5 探测成效分析

依托于某地水利工程实例，对其2座副坝采用瞬变电磁法进行地质勘察，获取副坝隐伏构造，确定了断层空间分布情况，岩体风化、破碎程度，以及主断层错动带的断层发育信息等，复核副坝前期地质勘察资料，以为副坝施工提供参考与借鉴。通过瞬变电磁法在水利工程中的实践应用，获取了以下结论。

1)本次瞬变电磁法探测使用了无线发射与接收，避免了接地电阻影响，即使探测位置存在高阻覆盖层，也不会影响到勘察结果的准确性，具备在水利工程勘察中应用的基本条件。

2)平行布置测线，一次可实现大范围探测，不受地形、地势制约，在保证探测结果准确性的同时，提高了探测的效率。

3)该探测方法可用于裸露岩石地带，无线接地探测，可作为水利工程地质勘察及物探的补充。

4)充分利用地下良导体，探测的灵敏度、灵活性、分辨率表现优异，探测假异常发生的概率较低。

5)水利工程勘察为野外作业，勘察条件较差，并会受到自然环境、气候条件、以及周围环境中电磁干扰，而采用瞬变电磁法探测，使用集成多功能电法仪，发射、接收、数据处理为一体，抗干扰能力强，有效避免了探测偏差。

6)瞬变电磁法可与高密度电法联合探测，弥补电磁法浅部测量的缺陷，保证探测结果的全面准确，为水利工程提供可靠的工程勘察技术支撑，夯实水利工程施工的基础保障。

现阶段电磁法在水利工程中应用越加广泛，实际应用中表现出了应用便利、受到环境干扰小、探测效率高等优势，通过在水利工程长期实践中的应用，技术发展越加成熟，获取的探测成果准确性高、可用性好，可得到水利工程的地质构造、岩石类型、岩性、裂隙发育、断层发育等数据信息，适用于探测环境干扰大、地形复杂、不良勘察条件等的水利工程探测。

2.3 EH-4电磁测深法在工程案例中的应用

2.3.1 卡尼亚视电阻率计算

EH-4电磁测深法在水利工程勘察中的应用，是基于平面波卡尼亚电阻率的天然电磁源与人工电磁源，并遵循电磁感应原理进行水利工程地质构造的物理勘探。探测采集的数据有Ex与Ey，为正交电场分量时间序列，Hx与Hy磁场分量时间序列，电场与磁场的波阻抗Z=Ex/Hx=-Ey/Hy=ωμ/k，最终推导出卡尼亚电阻率公式如下：

(1)

2.3.2 测量方案

根据取水口工程隧道勘察现场的实际条件，布置纵横两个方向长度分别是800m与600m的测线，测线两端分别设置电极，测点间距20m，EH4主机与前置转换器进行连接。主机调整为常用工作模式，设置为高频与低频段接收，如果勘察现场的信号较差，需增设中频段，共计测量16次。

2.3.3 探测解读及成果

通过在现场采集数据计算出隧道设计高程电阻率值，绘制出取水口隧道断面图，发现存在4个低阻区，第一个低阻区隧道开挖作业面临着3个出水点，水量在75m3/h左右，说明隧道开挖区域有可能为张性构造带，切割过大形成了水系通道。第二个低阻区与第一个相差不大，水量约50m3/h,第三与第四低阻区异常值不高，评估为岩性分界带，含水量较低。综合以上探测成果，4个低阻区岩体较为破碎，含水量不等，隧道工程开挖面临地质构造深度切割带与多个出水点，需要在取水口工程隧道开挖施工方案设计中，提前制定相应的技术解决方案，确保隧道开挖作业的顺利推进。

3 结 语

水利工程勘察的主要内容有岩土类型、地质构造、地形地貌、地表地质等，其中地质构造及地下岩体勘察的难度较大，通常采用多种物探方法，以确定水利工程施工的实际地质条件。但是受到勘察现场环境、自然条件、地形地势等的干扰，难以保证勘察结果的准确性，而采用电磁法进行工程前期物探及地质勘察的补充，可为水利工程提供详实、准确的地下地质信息，以提高水利工程勘察的质效。