试论电磁勘探方法在水利工程中的应用

刘洪铖 殷成 张国强

吉林省水利水电勘测设计研究院 吉林 长春 130012

改革开放以来，我国水利工程项目发展迅速。为了保障水利工程经济高效和保证水利施工安全，水工建筑物的安全等，水利工程勘察中遇到的断层、破碎带、岩溶区和采空塌陷区等问题，了解断层的产状、破碎带的规模、岩溶区埋藏条件和采空塌陷区的范围，为水利设计提供基础的设计数据是迫切需要的。为处理以上水利工程中的勘察问题，电磁勘探方法取得了较为广泛的应用，同时，在地热源的勘察、自然灾害调查等方面起着重要作用。本文对电磁勘探技术在水利工程之中应用的一些实例进行具体的分析。

一、我国水利工程电磁勘探技术的现状

我国水利工程坝址，地下泵站的选址以及隧洞工程的选线，工程区跨复杂地质单元等等自然条件总体来说较为复杂，那么就要求运用现有的物探技术手段将水利工程中遇到的上述地质问题在工程中及时得到解决。电磁勘探技术是现有的有效的一种物探技术手段。该方法是分析存在的物性差异，采纳地球物理条件、地质以及边界特征等等，可以获得较好的测试结果。通过不同物探方法综合分析，完善成果，提高解译精度和分析质量，最终满足水利工程勘察的需要。

二、电磁勘探技术在水利工程中的应用

1 、地质雷达

地质雷达是经过地面天线T发射，经地下地质体的反射，由地面上的另一个天线R接收，根据接收到的回波，来判断地下地质体的位置、结构、电性参数等信息（图1）。脉冲波旅行时间为[1]

当已知介质的波速，和测得的旅行时间t，可得到反射界面的深度。

图1 地质雷达工作原理图

地质雷达常用的测试方法有剖面测量法和宽角测量法。工程上常采用剖面测量法，收、发天线以工作需要设定的间距同时沿着测线方向移动即可。地质雷达具有探测周期短，精度高，无损检测等特点,得到广泛应用。在水利工程中，水的介电常数较稳定，可以根据介电常数的差异性实现勘察目的。如在库坝渗漏的检测，可以分析出渗漏位置范围、几何形态等[2]；在工程的勘察中，区分地下地质体的界面以及深度，探测出裂隙、断层等不利于水利工程的地质构造；在输水隧洞衬砌检测、地下硐室围岩检测等领域[3]，也发挥了重要作用。

2 、瞬变电磁

瞬变电磁法是时间域内的一种以电磁感应原理为基础的电磁法。瞬变电磁法发射脉冲的激励场，地下导电介质在产生二次感应涡流，感应涡流强度随着时间变化，里面包含了地下导电体丰富的地质信息，通过对接收到的感应涡流场强度信号的处理与解译，达到对地下地质体的了解[4]。瞬变电磁法的勘探深度同发射磁矩、地层电阻率有关，地层电阻率和发射磁矩越大，勘探深度越大[5]；瞬变电磁法的勘探精度同接收线框的大小、测点的点距有关，线框大、平均作用大，精度较差，测点的点距大，也会影响精度[6]；TEM的磁力线垂直于线框的平面，因此，受到线框外异常体的影响较小。

在某水利工程中，瞬变电磁法常用来进行渗漏检测 、地下水资源勘查、岩溶勘察等[7]。在图2中，展示了瞬变电磁法在防渗墙渗漏检测的勘探成果。根据探测目的体的埋深，采用小回线装置。从电阻率剖面图上可以看出，该剖面电阻率从上到下呈递增电性特征，0-25m，视电阻率大小相对较低，结合库区地质资料，表层25m推测为全新统地层（粘性土含少量碎块石和人工填土），25m以下为防渗墙范围，这与施工资料基本吻合。深度25-45m，剖面存在部分低阻异常地段，初步推断为防渗墙渗漏区域，渗漏区位置与施工和钻孔验证资料基本吻合。

图2 瞬变电磁法勘探成果

3 、激发极化

激发极化法是应用激电效应，地下地质体在充、放电过程下，会发生随着时间缓慢变化，产生附加的电场现象，根据不同地质体充放电过程的差异作为基础，研究关于大地的激电效应，实现探测地下地质体情况的分支电法。该方法因不同的地质体所产生的充放电过程的时间和频率差异，可分为时间域、频率域来研究。时间域激电法是研究地质体在直流脉冲或者稳定电流的激发作用下，地下地质体的电场随时间变化的激电效应；频率域激电法通过变换交流电交变电流的频率，观测地下地质体在交变电流频率变化下产生的激电效应。其常用的装置类型有中间梯度装置、联合剖面装置、近场源装置、对称四极测深装置、偶极装置等[8]。

在水利工程中，激发极化法更多的是用来找水。早在十九世纪末，国外就已经展开了含水岩石激发极化效应的研讨工作，并一直应用在地下水勘查工作中[9]。激发极化法主要研究地下介质的二次场衰减速度和二次场强度，参照激发极化效应的参数有很多，反映含水异常的参数主要有：极化率、半衰时、激发比、电阻率、充电率等。通过测得的含水异常再结合地质勘查资料分析，就可以准确的判断地下含水层[10]。

4 、大地电磁（EH4、EM3D）

大地电磁法是应用宇宙中的雷电、太阳磁暴辐射到地球上的天然电磁场作为信号探测源。还可选用发射机补充死频带等信号弱的频段，进行混合场源电磁法勘探。电磁系统能够接收10Hz到100KHz（EH4）和0.1Hz到20KHz（EM3D）的宽频范围信号。大地电磁可以应用于矿产勘察、地热资源勘察、地下水、岩溶等的分析研究、采空影响区、工程地质调查和环境灾害监测等[11-13]。

大地电磁波的趋肤深度或穿透深度与频率的高低相关，可用（2）式计算其深度[14]。

式中δ的单位是m，ρ的单位是Ω·m，f的单位是Hz。

依据亥姆霍兹方程和电磁波传播理论，运用相关软件能够处理完成所有的数据与合成。

在某水利工程中，利用EH-4和EM3D用来进行区域构造等勘察。在图3中，展示了EH-4法在构造方面的勘探成果。在图4中，展示了EM3D法的具体勘探成果。

图3 EH-4某水利工程隧洞勘探剖面图

从电阻率剖面图上可以看出，存在3处局部低阻异常，物探解译推测为构造异常带，现场踏勘结合区域地质和钻探情况与实际基本一致。

图4 EM3D某水利工程隧洞勘探剖面图

从电阻率剖面图上可以看出，存在2处局部低阻异常，物探解译推测为构造异常带和岩性接触带，现场踏勘结合区域地质和钻探情况与实际基本吻合。

三、结束语

（1）近些年，我国各种水利工程建设的多样化和复杂化开展,电磁探测方法与其它工程物理方法一样，得到更为广泛的实践应用并在实践中不断完善成熟。

（2）该类方法的视电阻率剖面等等值图能直观、形象地反映出地质体的电性随深度变化的分布形态及范围变化的结构特征；当围岩与探测地质体存在明显的电阻抗差异，干扰小，收集的数字信息通过定性与定量解释，合理结合地质和钻探资料，可从中寻找规律，综合对比分析取得令人满意的勘察效果。适用于坝址场地选址、水工建筑、隧洞工程等水利工程勘探等重要领域。

（3）电磁探测方法的仪器设备虽然日趁成熟，且向三维迈进，但还存在诸多问题而有待提高改进。充分考虑地下水和周边环境等边界条件的影响和合理的采用仪器观测系统参数是电磁类探测法能否取得成功应用关键。