物探技术在引洮工程断层探测中的应用研究*1

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

物探是地球物理勘探的简称，它是以地下地质体的物性差异为基础，通过仪器观测自然或人工物理场的变化，经过专用软件的分析和处理，确定地下地质体的空间大小、形状、埋深等，达到解决工程地质问题的一种物理勘探方法。近年来，在水利水电工程地质勘察中得到了广泛的应用，解决了一系列工程地质问题，取得了良好的勘探效果。物探方法主要包括可控源音频大地电磁法、声波法、高密度电法、地质雷达法、地震勘探法等，解决的主要问题有地下水、断层、覆盖层、风化层、基岩面起伏、滑坡、场地类别划分等工程地质问题。

1 工程概况

甘肃省引洮供水工程(简称引洮工程)是解决中部干旱地区11个国家扶贫重点县城镇及工业用水、农村人畜饮水、生态环境用水问题，兼有灌溉、发电、防洪等综合利用功能的大型跨流域调水工程。引洮供水二期工程区涉及甘肃中东部4个市、8个县区，二期工程总干渠接引洮一期渠尾，自陇西县马河镇的大营梁南坡起，沿祖厉河与渭河两流域分水岭由西向东，再折向北东，止于会宁县太平镇大山川，渠线以隧洞为主，连接段采用渡槽、暗渠等建筑物，总长95.21km。

引洮供水二期工程于2016年正式开工建设，截至2018年底总干渠已完成总工程量的2/3以上，大部分隧洞已经贯通。该工程前期勘察过程中大量使用了工程物探技术，特别是在总干渠16号和31号隧洞隐伏断层探测中，使用可控源音频大地电磁法对断层F2、F3和F7进行了有效探测，确定了断层的洞身位置，提供了重要的地质依据，为顺利施工提供了重要保障。目前总干渠16号和31号隧洞已均贯通，正在进行二衬工作。

2 隐伏断层的特性及探测手段

根据区域地质资料和工程地质测绘工作可知，引洮供水二期工程总干渠上16号隧洞穿过马河断裂(F3)和兴隆山南缘大断裂(F2)，31号隧洞穿过会宁—义岗大断裂(F7)。这三条断裂均为活动性断裂，因此，总干渠施工过程中能否顺利通过这三条断裂带是该工程的主要制约因素和工期保证的瓶颈，故需要对这三条断裂进行合理有效的勘察和探测工作。

马河断裂(F3)为一大致平行柴家河断裂延伸的反向逆冲断裂，上盘为新近系泥岩，下盘为中上更新统黄土类土。兴隆山南缘大断裂(F2)产状NW330°～315°NE∠60°～80°，晚更新世明显活动，其上盘为前震旦系片麻岩混合岩，下盘为新近系粉砂质泥岩。会宁—义岗大断裂(F7)产状NW310°～320°NE∠50°～70°，具左旋逆冲性质，造成了古近系含砾砂岩、砂砾岩仰冲于新近系泥质粉砂岩夹泥岩之上，水系被左旋错断，断层陡坎、地震滑坡、温泉、地震液化现象多见。

结合三个断层的特性、地形地貌以及埋深等情况，物探工作选择了可控源音频大地电磁法对断层进行探测。

3 测区内地球物理特征

工作区内地层岩性的电性差异特征是开展可控源音频大地电磁测深勘察的地球物理基础和依据，根据在工作区实测的部分岩石露头电阻率参数，结合邻区以往电阻率参数资料进行了统计归类。其电性参数主要表现为：第四系马兰黄土、粉质壤土、粉质黏土电性变化很大，电阻率变化范围在10～200Ω·m，当马兰黄土、粉质壤土、粉质黏土含水时，电阻率较低，但由于该地区十分干旱，因此电阻率一般较高。新近系具有2个电性层，其中粉砂质泥岩、泥质粉砂岩电阻率较低，在7～50Ω·m左右，另一较高阻电性层由砂砾岩组成，电阻率在40～300Ω·m；前震旦系系片麻岩、混合岩电阻率普遍较高，电阻率在140～1000Ω·m；花岗岩体为该区基底高阻电性层，电阻率一般大于300Ω·m。 由此可知区内地层岩石电阻率具有明显的差异，具备地球物理工作的前提条件，可以开展工程物探工作，能够达到探测目的。

4 可控源音频大地电磁法探测成果

可控源音频大地电磁法的最大特点是采用人工场源,大大增加了电磁信号强度,弥补了天然场源信号微弱、不易观测等缺点。该方法工作效率高,利用一个偶极发射可以在两侧扇形区域内测量，分辨率较高、勘探深度大，穿过高阻电性层的能力较强。

本次探测工作使用GDP-32Ⅱ型多功能电法工作站，发电机功率为10kW。根据探测目标体的大概位置，共布置了探测剖面3条，总长度1680m，电测深点共87个，采用沿测线多道同时观测排列的测量方式。

4.1 野外工作过程及技术要求

开工前和收工后，对所有仪器设备必须进行一次全面检查、维护校准和标定。观测相位参数时，发射机的AB极性、接收机的MN极性、磁传感器的接收方向和相对发射机的放置方向在全测区应保持一致。

接收站应避免布置在强磁场、强干扰源的地方，测量电极M、N以及磁传感器所处的布设条件应尽量一致。磁传感器与接收机的距离应不小于10m，其水平误差和方向误差均不得超过3°，风天要挖坑埋设地下。

AB、MN应埋设牢固、接触良好。尽量垂直高压线、暗埋管道和电杆，实现最小耦合，并限制噪声。每个测点观测完毕后，操作员应对数据和曲线全面检查，合格后方可搬站。确定r距的原则是确保勘探深度和分辨能力的条件下宜小不宜大，r>3H,AB≤0.5r，MN≤0.1r，记录点选在MN的中心。

检查观测点数不得少于总数的3%，电阻率的均方相对误差小于5%。

4.2 数据处理与反演过程

本次采用GDP-32仪器配置的scsinv处理软件进行数据分析处理，在数据预处理方面，观测数据进行了畸变点剔除、曲线圆滑等工作。数据处理时进行了近场、静态较正，根据该区的实际情况，通过反复试验选择了相应的参数。处理后利用surfer 软件，绘制了各条测线的视电阻率断面图。

4.3 视电阻率探测成果分析与解释

4.3.1 WT1剖面视电阻率断面图分析推断解释

WT1剖面布置在16号隧洞桩号2+950～3+450段，长度500m，电测深点26个，主要为了进行地质分层和探测F3断层的位置。二维反演视电阻率及地质解释综合断面见图1。

图1 WT1二维反演视电阻率及地质解释综合断面

在洞身桩号3+230处附近有一视电阻率在1～8Ω·m的低阻电性层，视电阻率等值线呈陡梯度带展布，推断为F3断层破碎带的赋存位置，从等值线陡梯度带的展布方向推断出断层倾向西南，从电阻率低值位置推断在高程2100m附近断层含水较多。洞身处断层的宽度推断40～60m，需注意断层含水部位对工程施工的影响。

4.3.2 WT2剖面视电阻率断面图分析推断解释

WT2剖面布置在16号隧洞桩号12+900～13+400段，长度500m，电测深点26个，主要为了进行地质分层和探测F2断层的位置。二维反演视电阻率及地质解释综合断面见图2。

图2 WT2二维反演视电阻率及地质解释综合断面

在洞身桩号13+140处有一视电阻率等值线梯度带向东倾斜展布，推断为F2断层的赋存位置，从等值线陡梯度带的展布方向推断出断层倾向东，从电阻率值推断该断层含水。洞身处断层的宽度推断20～40m，需注意断层对工程施工的影响。

4.3.3 WT3剖面视电阻率断面图分析推断解释

WT3剖面布置在31号隧洞桩号68+880～69+560段，长度680m，电测深点35个，主要是为了进行地质分层和探测F7断层的位置。二维反演视电阻率及地质解释综合断面见图3。

在洞身桩号69+440处附近有一视电阻率等值线陡梯度带向北东倾斜展布，推断为F7断层的赋存位置，从等值线陡梯度带的展布方向推断出断层倾向北东，从电阻率值推断该断层含水。洞身处断层的宽度推断30～50m，需注意该断层对工程施工的影响。

图3 WT3二维反演视电阻率及地质解释综合断面

在洞身桩号69+320处附近有一视电阻率等值线梯度带向西南倾斜展布，推断为F1断层的赋存位置，从等值线梯度带的展布方向推断出断层倾向西南，从电阻率值推断该断层含水。洞身处断层的宽度推断约50m，需注意该断层对工程施工的影响。

5 探测成果与施工地质资料对比

5.1 物探技术主要探测成果

5.1.1 隧洞围岩岩性

16号隧洞桩号2+950～3+450段围岩岩性为重粉质壤土夹粉质黏土；桩号12+900～13+400段围岩岩性为前震旦系片麻岩，局部洞身段可能有地下水。31号隧洞桩号68+880～69+560段围岩岩性为新近系粉砂质泥岩，夹泥质粉砂岩、含砂砾岩，局部洞身段可能有地下水。

5.1.2 16号隧洞发育2条断层

a. F3断层桩号3+230洞身处断层的宽度推断40～60m。

b. F2断层桩号13+140洞身处断层的宽度推断20～40m。

5.1.3 31号隧洞发育2条断层

a. F1断层桩号69+320洞身处断层的宽度推断约50m。

b. F7断层桩号69+440洞身处断层的宽度推断30～50m。

5.2 施工地质编录成果资料

根据引洮供水二期工程施工地质设代工作报告可知，总干渠16号和31号隧洞施工采用钻爆法。

总干渠16号隧洞桩号2+950～3+450段围岩为重粉质壤土(老黄土)，土质均一，密实度良好，没有发现明显的断层存在，在洞身桩号3+200附近围岩含水量较大，有地下水渗出。

总干渠16号隧洞桩号12+900～13+400段围岩为前震旦系(AnZmx3)片麻岩，局部段有石英岩脉，受构造运动及风化的影响，围岩中裂隙、断层发育，岩体多呈碎块状结构，岩体破碎。桩号13+100～13+120段为F2断层破碎带，由断层角砾岩及少量断层泥组成，岩体极为破碎。大部分洞段围岩中有地下水渗出，多呈滴渗状。

总干渠31号隧洞桩号68+880～69+560段围岩为新近系(N2l3)泥质粉砂岩，以泥质胶结为主，成岩程度低，岩石强度低。桩号69+311～69+409段隧洞穿过会宁—义岗区域性断裂影响带，断层产状NW310°～320°NE∠60°～70°，为压扭性断层，洞轴线与该断裂基本垂直。

5.3 对比分析结论

可控源音频大地电磁法对隧洞围岩岩性和地下水的推测结果相对准确，与施工揭露的情况基本相符。

总干渠16号隧洞F3断层由于隧洞围岩岩性为重粉质壤土(老黄土)，施工过程中没有发现明显的断层存在，但推测断层位置附近施工时隧洞围岩含水量较大，有地下水渗出。16号隧洞F2断层推测位置与施工揭露位置有出入，相差20～40m。

总干渠31号隧洞桩号69+311～69+409段为会宁—义岗区域性断裂影响带，该段基本分布在推测到的F1断层与F7断层之间，说明可控源音频大地电磁法探测出了会宁—义岗区域性断裂影响带的边界。

6 结 语

采用可控源音频大地电磁法对引洮二期供水工程隧洞围岩岩性和洞身发育的断层进行了有效探测，通过与施工地质编录资料的对比和研究，说明物探技术在引洮二期供水工程中的探测效果良好。