瞬变电磁法在岩溶土洞发育区的应用

宋伟健，刘权斌，闫 涵，崔笑庚

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130062）

0 引言

近年来，随着水利水电工程的发展，工程区域的扩大，对工程地质勘测的要求越来越严格，精度越来越高，深度越来越深，特别是对在建水利水电工程深埋的地下构造、岩溶、土洞等一系列不良地质构造的探测，因为常规电法受地形限制，勘测深度有限，已不适合解决这一问题。瞬变电磁法由于仪器设备便于携带，不受场地限制，野外操作便捷，适合野外中、深部位的勘查，探测高阻背景中的低阻地质体效果好，尤其是对地下水的反应特别明显，现在已经广泛应用在工程地质勘查中。这次广西某水利枢纽工程就遇到了大规模的岩溶、土洞不良地质现象，高密度电法由于场地限制，不能满足探测深度要求，已不能有效的解决问题，因此我们采用了瞬变电磁法对岩溶、土洞的规模和深度进行探测，并通过验证，取得了很好的结果。

1 瞬变电磁法原理及工作方法

1.1 瞬变电磁法原理简介

瞬变电磁法是以地下介质之间的导电性和导磁性差异为物理基础，利用不接地回线（磁性源）或接地导线（电性源）向地下发送脉冲电磁场（一次场），地下地质体中激励起得感应涡流将产生随时间变化的感应磁场（二次场）。由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次场（磁场或电场响应），通过对这些响应信息的提取或分析，从而达到探测地下地质体的目的。

图1 瞬变电磁原理图

1.2 瞬变电磁法工作方法

这次瞬变电磁法主要用于地面15～80 m深度范围内的较大岩溶及溶蚀区探测。探测部位主要为某水利枢纽工程的左岸枢纽区。

由于现场较为恶劣的环境、复杂的干扰和复杂的地质条件，应根据现场地质及地球物理条件（覆盖层厚度、电阻率）选择合适的线框边长及发射电流等参数。这次瞬变电磁法采用国产cugtem-8大电流瞬变电磁仪，重叠回线装置线圈边长为2 m，发射线圈2匝、有效边长2.828 m，接收线圈为8芯4匝，有效面积为128 m2。发射电流经试验选用50 A，发射脉宽为 10 ms，采样率为 16 μs，采样长度为 65 536 μs。测点间距5m。为了消除随机干扰，每个测点叠加采集15次，干扰严重的地区叠加采集30次。

2 工程概况

2.1 地形地质简况

某水利枢纽工程位于广西省桂平市境内。枢纽是以防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等综合利用的大（I）型水利枢纽工程。枢纽建筑物主要包括泄水、通航、发电、挡水、灌溉取水口、过鱼等建筑物。

由于施工区纯碳酸盐岩包括灰岩、燧石灰岩及白云岩，呈大面积连续分布。灰岩分布面积最广，广泛分布于上库段，岩溶最为发育，岩溶现象不但数量多，而且个体大，垂向深，自开工以来，开挖揭露的溶沟、溶槽、溶洞等岩溶形态十分发育。已发生岩溶塌陷10余处，最大塌坑直径25 m，下引航道渠坡揭露土洞2处，可见施工区存在较大的岩溶塌陷危险性，危及施工安全。

2.2 物性参数

根据初设及技施阶段物探工作资料，该区灰岩电阻率在1 000～5 000 Ω·m之间；覆盖层电阻率在10～200 Ω·m之间；岩溶及溶蚀区电阻率根据填充物类型，电阻率在10～500 Ω·m之间。较完整灰岩与岩溶有较大物性差异，具备物探探测的基本条件。

2.3 任务目的

在左岸枢纽区永久建筑物地基做物探工作，为调查与岩溶塌陷相关的大型浅表岩溶形态、土洞发育情况和地下水的集中排泄通道等岩溶发育规律提供资料。

2.4 工作方法及布置

这次工作选用瞬变电磁法。根据要求及现场实际情况，在左岸枢纽区共布置42条测线。选择其中一条WT09进行举例说明。

在船闸区布置WT09瞬变电磁剖面，其长度为40 m，测点距为5 m。

3 成果分析

将现场采集的二次场衰减数据曲线导入到计算机中，首先预处理剔除坏点数据。将预处理过得数据导入专门的处理软件Cugtem9，设定采集参数、归一化处理、数据叠加后，对二次场衰减曲线使用三点滤波，对多测道图采用手动滤波。时间道选择36道，时间区间选择200（1 000）～11 200 μs进行反演。最后利用surfer成图软件，将反演数据生成每个剖面的卡尼亚电阻率等值线图。

3.1 瞬变电磁法成果分析

瞬变电磁法探测深度较大，但是在理论上存在一定深度范围的浅部盲区，（实际探测结果盲区范围内的低阻地质体依然会反应在其剖面位置的正下方），因此用于船闸中深部（15～30 m）的岩溶探测，其形成的卡尼亚电阻率等值线图在一定程度上反应了岩溶分布情况。对于开挖至建基面的部位，基岩浅表部的岩溶在剖面图上实际反映在其正下方，对其予以深度修正后按低阻异常区识别解译。

地下水遇到发射线圈产生的一次场，会产生强烈的二次场，因此充水的溶洞在电阻率等值线图上表现为低阻异常区。填充物为淤泥、粘土的溶洞与地下水产生的二次场相似，也会在电阻率等值线图上表现为低阻异常区。瞬变电磁法在横向位置上结果较准确，在瞬变电磁电阻率等值线图上划定异常，一般通过两个步骤。

1）卡尼亚电阻率与周围背景值相比降低60%以上可定为低阻异常区，与周围背景值相比提高200%以上可定为高阻异常区。

2）电阻率值线密集，暨电阻率梯度变化最大的内部界限可定异常区边界。

由瞬变电磁电阻率等值线图（图略）可知，在水平距离10～15 m处的蓝色低阻狭缝解译为岩溶发育区，结合钻孔资料，经过深度修正后，其埋深范围为高程-15～-30 m。

4 成果结论

由瞬变电磁测试成果显示，WT09剖面岩溶发育区在剖面水平距离10～15 m处，深范围为高程-15～-30 m。已探测出其位置及规模，达到探测目的。

5 结语

这次工程中，枢纽区地质条件复杂，岩溶性质多样，规模不等。根据开挖及钻探结果，该区发育的岩溶按形态分类有溶沟、溶槽、溶洞及落水洞等。易引发管涌及塌陷地质灾害。常规电法由于场地及测试条件限制，已经不能解决现场实际问题。而瞬变电磁法作为一种新技术，是解决该问题一种有效的尝试，其效果显著。瞬变电磁法在未来的生产中将会发挥出更大的作用。

［参 考 文 献］

［1］刘国兴主编.电法勘探原理与方法［M］.北京：地质出版社，2003.

［2］牛之琏主编.时间与电磁法原理［M］].长沙：中南大学出版社，2007，7.