电磁测深技术在卡邦波水电项目上的应用

(中国水利水电第十一工程局有限公司， 河南 郑州 450000)

电磁测深技术在卡邦波水电项目上的应用

赵新泽

(中国水利水电第十一工程局有限公司， 河南 郑州 450000)

电磁测深技术多运用于地质矿产行业的大地电磁测深法勘探，在卡邦波水电项目中采用该技术来查明场区内河床及两岸覆盖层厚度、岩体风化程度与分层状况，为后续大坝设计、施工提供地球物理依据，取得了理想效果。本文从测点布置、测试方法原理及其特性特点等方面的应用要点进行研究，为今后水电项目的同类测试提供借鉴。

电磁测深技术；水电项目；应用

1 概 况

1.1 工程简介

卡邦波水电站位于赞比亚西北省索洛韦兹和穆尼龙嘎区交界的卡邦波河上。卡邦波河是赞比西上游河系的主要支流。工程主要建筑物包括碾压混凝土大坝、引水洞、地下厂房、尾水洞等，装机40MW。

1.2 工程物探勘测目的与要求

该次勘测的目的是通过工程物探，查明卡邦波水电站大坝场区内覆盖层厚度、两岸岩体风化程度与分层，为后续大坝设计、施工提供地球物理依据。主要任务如下：

a. 查明大坝场区内覆盖层厚度(特别是河床覆盖层厚度)。

b. 查明大坝场区内两岸岩体的风化程度及分层。

c. 查明上游、下游围堰处的河床覆盖层厚度等。

1.3 工程物探勘测方法

采用EH4电磁测深法查明该测区覆盖层、强风化层、弱风化层层位的形态及规模。

1.4 完成的工作量

根据勘测目的及场地实际条件进行测线布设，测线以EH4电磁法为主，其中布置勘探线5条，受场地地质条件所限，测点以手持GPS定点，用罗盘、皮尺辅助放线，实际完成工作量见表1。

表1 工程物探工作量统计

2 场地地质概况及地球物理条件

2.1 场地地质概况

大坝场区地貌成因类型为剥蚀丘陵，地貌类型为缓倾斜丘陵地貌，勘测高程范围在1245.00～1305.00m之间。场区植被较发育，主要为草本植物、灌木等。

2.2 地球物理条件

大坝场区上覆松散覆盖层为残坡积土、孤石等，下伏基岩主要以片麻岩、石英片岩为主。

场区上覆覆盖层、下伏基岩、弹性波速、电阻率均存在着较明显的差异，这为工程物探勘察提供了较好的物性条件。场区岩土体参数表见表2。

表2 场区区域岩土体参数

3 测深技术方法及工作布置

3.1 测点的布置

受场地条件所限，选用GPS差分定位直接放点的测量方法，实施该项目物化探工作的测网(剖面)布设，达到快速、经济，并且质量符合相关规范要求。

3.2 方法原理、特点

3.2.1 EH4电磁测深仪工作原理

EH4是利用大地电磁的测量原理，测量TE/TM两个模式的电阻率。配置磁偶极子发射源，发射频率从1～70kHz，以弥补大地电磁场1～5kHz寂静区信号不足，加强高频段的仪器抗干扰能力，当天然交变电磁场入射大地，在地下以波的形式传播时，地面电磁场的观测值由于电磁感应作用，包含地下介质的电阻率分布信息。由于不同频率的电磁场信号具有不同穿透深度，因此大地电磁测深通过研究地表采集的电磁数据能够反演出地下不同深度介质电阻率分布的信息。

3.2.2 EH4基本参数

正交的电场分量(Ex,Ey)和磁场分量(Hx,Hy)的时间序列。然后通过傅立叶变换将时间域的电磁信号变成频谱信号，得到Ex、Ey、Hx、Hy，最后计算卡尼亚电阻率。EH4装置如图1所示。

图1 EH4装置示意图

3.2.3 EH4电磁测深仪工作特点

EH4是大地电磁(TM)测深方法中的一种观测系统(装置)。岩(矿)石(层)、水等之间的电阻率差异是投入此方法的物质基础。有如下主要特点：

a. 观测速度快，操作简便，可以不需施加人工场源。

b. 探测深度一般可达1000m；在地电和干扰满足一定条件的情况下，能探明1500m深度以内、具有一定规模和电阻率差异的地质体的垂向形态及分布特征。

3.3 设备投入及技术要求

3.3.1 主要仪器设备

主要仪器投入：电法仪(Stratagem)主机及其配套设备一套、手持GPS一台、地质罗盘等相关设备。

3.3.2 仪器性能检测

用平行测试方法来检测仪器性能。平行测试是指将两个电极相互平行摆放(如X方向)，两个磁棒也朝同一方向摆放(如Y方向)。

该次物探勘测工作中，仪器工作正常，所测得的时间序列图Ex与Ey，Hy与Hx的信号一致，所计算的视电阻率曲线也一致。

3.3.3 观测技术要求

数据采集：EH4的数据采集是通过记录测点号、测量参数、记录测量数据来完成。张量模式采集EX、HX、EY、HY四组数据；标量模式采集EX(EY)、HY(HX)两组数据。

装置参数：电极距50m。工作参数：采集模式H(高频)，采集频段低、中、高三个，滤波50Hz，相关度0.5、0.8，叠加8次。观测技术要求：沿测线为X极(方向)，垂直测线为Y极(方向)，X极与测线方向夹角、与Y电极夹角误差不大于±2°，不同方向的电极线插到前置放大器(AFE)相应的孔中。

3.3.4 仪器设备的现场安放

主机放于距前置放大器(AFE)和磁棒大于10m处。

磁棒距离前置放大器(AFE)不小于5m，“X”磁棒平行测线(“X”与测线平行的误差不大于±2°)，“Y”磁棒垂直测线(“Y”与测线的直角误差不大于±2°)，X、Y磁棒距离不小于2m, 均要求水平放置(磁棒水平线的夹角不大于±2°)，为减少风的干扰，埋置于土中，连接磁棒的线插到前置放大器(AFE)相应孔中。工作过程中，所有人员、动物距磁棒不小于5m，有磁性的物体距磁棒、前置放大器(AFE)不小于20m。

在观测过程中，随时观测信号强弱，根据信号在时间序列图振幅宽度判断并调节增益，使信号振幅约为1/2行宽。如EX、EY信号弱，增益调节到最大以无法使信号振幅约为1/2行宽时，调整和改善电极接地电阻，可通过加盐水、增加电极根数或其他方法。

3.3.5 现场干扰的排除

注意各种干扰，如果干扰难以保证最终结果精度，应重新观测或多次观测并储存合格的观测结果，且详细记录。

3.3.6 现场数据记录

仪器虽具记录存储功能，但当天工作结束后，应及时回放并输出观测结果，保存在电脑和磁盘各一份。在数据回放时，要对当天采集的数据进行初步分析处理，以便及时发现观测过程中可能存在的问题或错误，并及时进行处理或纠正。

3.3.7 数据的检查与校验

采用在某测点不同时间重新布极观测，如果二次观测的视电阻率-频率和相位-频率曲线形态基本一致，即合格；否则，不合格。或采用在某测线不同时间，重新布极观测，如果二次观测的视电阻率曲线形态基本一致，即合格；否则，不合格。

3.4 工作布置

根据任务要求，该测区设计施工5条测线，共计20个物理点。该测区地质原因较为复杂，测深点无法均匀分布，但完全满足施工需要及任务要求。卡邦波峡水电站工程测点布置图如图2所示。

图2 卡邦波峡水电站工程测点布置

3.5 质量保证措施

该次测探严格执行相关规范及标准，质量检查点为2%，视电阻率曲线形态基本一致(见图3)，观测精度及观测误差均符合质量要求。

图3 EH4测深质量检测

4 资料处理

4.1 原始数据处理

将采集的数据及时传输至电脑储存，并进行整理归类。将各类整理好的数据资料，按要求形成纸质资料并装订成册，编制封面、目录和简要说明。

4.2 资料预处理

利用Excel等软件进行数据归类整理，核对点号和线号，剔除畸变点，进行各项改正计算及插值、圆滑滤波等预处理。

4.3 综合研究和提交成果

4.3.1 数据处理与二次信息提取

利用重磁电数据处理与解释软件系统——RGIS，对电磁测深(EH4)采集数据，实施数据处理，尽可能消除干扰信息，提取有用信息；尽可能在平面、垂向划分出地层、矿(化)体及其形态特征。

4.3.2 数据编号和解译

按统一格式对该区域进行编号分类，并结合各个测深点数据及其他信息进行推断解译。

5 成果分析

图4为1线1号测深点—4号测深点视电祖率测深剖面图。

该测线电阻率呈阶梯状，由浅部至深部电阻率逐渐升高，层次较为清晰，部分地区无覆盖层。根据该区域岩土体物性参数及电阻率测深曲线分析，该测线覆盖层埋深在0～5m范围，厚度为2～5m；强风化层埋深在0～7m范围(局部出露地表)，厚度为2～7m；中、弱风化层埋深在8～40m范围，厚度为20～40m。

图4 1号点—4号点视电阻率剖面

图5为2线5号测深点—8号测深点视电祖率测深剖面图。

根据视电阻率曲线分析，该测线8号测深点90m位置出现相对低阻体，与地表风化岩层视电阻率基本相似，且部分地区无覆盖层。根据该区域岩土体物性参数及电阻率测深曲线分析，该测线覆盖层埋深为0～4m，厚度为1～4m；强风化层埋深为0～14m，厚度为4～14m；中、弱风化层埋深为7～35m，厚度为20～30m。

图5 5号点—8号点视电阻率剖面

图6为3线9号测深点—12号测深点视电祖率测深剖面图。

该测线电阻率差异较为明显，部分地区无覆盖层。根据该区域岩土体物性参数及电阻率测深曲线分析，该测线覆盖层埋深在0～7m范围，厚度为2～7m；强风化层埋深在0～12m范围，厚度为4～12m；中、弱风化层埋深在10～70m范围，厚度为40～60m。

图6 9号点—12号点视电阻率剖面

图7为4线13号测深点—16号测深点视电祖率测深剖面图。

该测线电阻率差异较为明显，地表基本无覆盖层。根据该区域岩土体物性参数及电阻率测深曲线分析，该测线覆盖层埋深在0～3m范围，厚度为0.5～3m；强风化层埋深在0～10m范围，厚度为5～10m；中、弱风化层埋深在5～70m范围，厚度为30～60m。

图7 13号点—16号点视电阻率剖面

图8为5线17号测深点—20号测深点视电祖率测深剖面图。

该测线电阻率差异较为明显，地表覆盖层较厚。根据该区域岩土体物性参数及电阻率测深曲线分析，该测线覆盖层埋深在0～17m范围，厚度为2～17m；强风化层埋深在0～27m范围，厚度为3～27m；中、弱风化层埋深在20～60m范围，厚度为20～50m。

图8 17号点—20号点视电阻率剖面

6 结 论

a. 根据该地区电阻率测深剖面图解释与分析，可推出：该地区第四系覆盖层平均埋深为0～10m，平均厚度为0.5～10m；强风化层平均埋深为0～15m(部分地段无覆盖而直接出露地表)，平均厚度为2～15m；中、弱风化层埋深为8～70m，平均厚度为20～60m。

b. 该次工程物探勘测数据良好，反演后解释成果合理，但地球物理勘测为间接测量手段，其成果为推断成果而存在多解性。

EH4电磁测深技术初次运用于水电项目进行勘探测试，为大坝设计施工提供了地球物理依据，取得了理想效果。该技术测试出的数据与后续选点钻孔勘探所揭露出的地质情况基本吻合。

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