瞬变电磁法在水利工程冬季勘察中的应用分析

张伟，许昕鹏

（江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏扬州225000）

1 引言

随着我国综合实力的不断发展，国家对水利工程建设的重视程度也越来越高，但是，由于多数水利工程施工现场具有地形陡峭的特点，所以，通常情况下，前期工程勘察工作开展的难度都比较大。瞬变电磁法作为新时期的先进技术，近年来在我国水利工程中应用的范围也愈发广泛，尤其是对于部分岩体出露区域，在冬季勘察且存在冻土覆盖的情况下，传统的接地类电法难以发挥全部作用，此时，可以通过对瞬变电磁法的有效应用，实现低温环境下对指定工程的勘察。

2 瞬变电磁法概述

2.1 瞬变电磁法的主要原理

瞬变电磁法（TEM）实际上是一类时间域电磁法，是无损探测法中的代表技术。其基本原理为电磁感应定律，脉冲式一次磁场由发射线圈中的脉冲电流形成，通过对断电间隙时间的应用，使用接收线圈接收瞬变二次磁场，地质体导电性会在极大程度上决定其强弱与时间特性。相关人员可以通过对断电之后各时间段场强衰减的具体情况展开分析，如此确定地电分布实际状态。若导电性差，地质体瞬变二次场峰值大，则衰减速度比正常值快；若导电性好，地质瞬变二次场峰值小，则衰减速度比正常值慢[1]。

2.2 瞬变电磁法的主要优势

瞬变电磁法的主要优势包括：（1）促进功率灵敏度提升，在增强信噪比的同时增加勘探深度；高阻围岩地区由地形起伏所致的假异常现象基本不会出现；（2）勘探低阻围岩区时,在多道观测方式的作用下，不难分辨早期的地形影响，可以根据实际情况通过同点组合展开观测，以获得更强的异常响应，并且分层能力强，形态也并不复杂；（3）对线圈方位、点位以及接发距离并不是特别严格，测地工作简单且高效；（4）对低阻覆盖层而言有较高的穿透能力，深度也非常可观；（5）能同时完成剖面测量与测深任务，进而为勘察人员提供更多的有利信息。

3 瞬变电磁法应用于水利工程冬季勘察的策略

3.1 案例工程概况

本文以位于我国北方的某水库为研究对象，其具体任务为冬季勘察，坝址区河谷无显著阶地特征，且呈“U”形；上坝址左岸坝基与下坝址右岸坝基，均由区域性断层F1贯穿，隐伏断裂沿河展布，受到挤压影响而出现的破碎带，可能会在一定程度上作用于坝基渗漏，同时，将可研审查意见“需要对坝址区河床部位的顺河向区域性断裂的性状予以查明和复核”作为根据。除此之外，由于施工期处于气温较低的冬季，时域瞬变电磁法相比较来讲，不易受冻土高阻屏蔽层的影响，不会影响勘探效率与质量，因此，在此工程中使用瞬变电磁法非常有利。

3.2 工程地质情况

测深范围内属于由上而下的河床与河漫滩地层岩性：角砾晶屑玻屑凝灰岩、局部夹薄层凝灰质砂岩或者晶屑玻晶凝灰岩，是侏罗系上统玛尼吐组中的主要构成；冲积沼泽堆积砂砾石层，基本上以8~16m的分布厚度为主；侏罗系上统玛尼吐组含角砾晶屑玻屑凝灰岩，是山体组成岩体的主要构成；山顶由近水平状分布的第三系上新统五叉沟组玄武岩覆盖，这是台地的源头。

3.3 作业人员提前做好布置工作

作业人员需进行瞬变电磁探测测线的合理布置，线数量大约为6条，测线间的距离需控制在30~40m；测线长度需要勘探人员根据现场实际情况来决定，但基本上需处于300~900m。测试过程中使用V8 System2000.net多功能电法仪，并将工作参数调整至以下状态：发射电流10A，使用双频扫描的模式，工作频率设置在5Hz以及25Hz[2]。

3.4 合理分析电性特征

埋深范围大概为40m，低液限黏土、砂砾石以及下伏基岩由上至下分布，电阻率为 15~155Ω·m、90~560Ω·m、80~300Ω·m；在埋深逐渐增加的情况下，基岩电阻率与其成反比，呈递减趋势；河床局部粗粒砂砾石电阻率为1080~1170Ω·m，为40~100m埋深的基岩电阻率约为60~180Ω·m。根据瞬变电磁试验结果可以观察出，浅部低液限黏土与砂砾石的综合体视电阻率为25~100Ω·m；风化等级不同的基岩视电阻率均处于75~560Ω·m的范围内。

3.5 水利工程冬季勘察成果

通过对各测线探测结果进行分析可知探测范围内主错动断层（F1）以及在影响带中形成或次生小断层的空间状态。同时，推测左岸完整性较差岩体的边界以及于周围地面的出露位置，本文主要将勘察成果总结为以下5点：（1）在关断时间的影响与约束下，勘察人员难以有效获取浅部信息，即所探测到的浅部覆盖层厚度与电阻率值，并没有较高的可信度；（2）在主断层（F1）错动带位置已经掌握的情况下，明确得知其于桩号450~550m间分布，与各测线所得出的位置对比来看，存在一定的差异，探测范围内走向大致在NE50°~NE60°、倾向SE、视倾角70°~80°；（3）能够观察到主断层错动带左侧断层带，或断层影响带大概处于测线揭露范围分布宽度450m的范围内，其中存在2条伴生或次生的小断层发育；（4）主断层错动带右侧相比较来讲，不易受到断层影响，岩体完整度相对较高；（5）将岩体视电阻率分布实际情况作为根据，主断层错动带内岩体相对来讲更加紧密，也并不具备很强的渗透性，风化深槽部位岩体在发育区为伴生或次生小断层的情况下，具备更强的渗透性。

经过本次水利工程冻土覆盖区勘探工作，对瞬变电磁法的有效运用，F1断层的影响宽度、岩体破碎状态与走向等因素基本上均以明确，由此可见，瞬变电磁法在水利工程冬季勘探中是非常有效的[3]。

3.6 结论

经实践证明：（1）使用将不接地回线发射与接收的方法，不会出现接地电阻的问题，即使勘探区域在冬季处于冻土覆盖状态，所取得的探测成果也非常可观，适用范围相对十分广泛；（2）合理应用大定源回线，中心区域能够在一次布设中进行多条平行测线的采集，在不易受地形影响的同时，在一定程度上提升工作效率；（3）这种方法可以在接地条件较差的区域推广，能对常规的接地类电法起到有效的辅助作用；（4）在使用瞬变电磁法的过程中，只要能保证野外方法技术应用的科学性与工作装置的合理性，同时，控制好回线边长与发送频率，再使反演软件的有效运用得到保障，即使存在一定程度的电磁干扰，勘探效果也基本上不会受到影响。

4 结语

总之，瞬变电磁法相比较其他方法来讲，不仅受地形的影响较小，还具备不易受干扰、工作效率高等优势，对水利工程勘察效率与质量的提升非常有利，勘察人员可以通过对瞬变电磁法的有效运用，获取对水利工程准确有效的资料，在确保对研究区岩性地层、断裂展布、不良地质以及地下富水情况掌握准确的情况下，为日后水利工程冬季勘察工作的顺利实施奠定牢固基础。