葉益信，杜家明，薛海軍，艾正敏，姜奮勇，黃遠生

(1.東華理工大學 地球物理與測控技術(shù)學院，江西 南昌 330013；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引 言

高質(zhì)量的大型輸水隧洞建設(shè)對區(qū)域防洪排澇能力有著重要的支撐作用，但隧洞工程是一項隱蔽工程，因不良地質(zhì)體導致地質(zhì)災害的事故也常發(fā)生。復雜地質(zhì)構(gòu)造及起伏地形等會對地球物理場分布造成嚴重影響，探測目標的有效異常難以被識別，同時隧洞埋藏較深，因此，輸水隧洞的地球物理勘察一直是工程領(lǐng)域的難題。

近年來，隨著城市物探的不斷深入，羅登貴等通過理論模型模擬證明高密度電法各種裝置均可進行活動斷層的定性探測和地質(zhì)分層，為高密度電法探測斷層提供了理論依據(jù)[1]。前人就高密度電法開展了大量研究[2-7]。王志鵬等通過二維高密度電法探測斷層，發(fā)現(xiàn)該方法有一定的有效性和準確性，且對逆斷層的探測效果明顯好于正斷層[8]。鄭智杰等采用高密度電法微測系統(tǒng)，利用銅柱體模擬地下巖溶管道，研究不同深度谷地對高密度電法探測巖溶管道的影響，進一步提高了巖溶區(qū)高密度電法找水的探測效果[9]。前人還就音頻大地電磁法(Audio-frequency Magnetotelluric，AMT)開展了有益研究[10-11]。朱自串等通過音頻大地電磁法反演結(jié)果反映的鹽巖層、構(gòu)造特征，為找礦靶區(qū)優(yōu)選、鉆孔選址、成礦研究提供了依據(jù)[12]。何國麗等驗證了音頻大地電磁法在硬巖地區(qū)進行地下水探測的實用性和有效性[13]。湯井田等針對礦集區(qū)大地電磁強噪聲壓制，在數(shù)學形態(tài)濾波基礎(chǔ)上開展試驗研究，有效地壓制了音頻大地電磁中的強干擾噪聲，提高了數(shù)據(jù)可靠性[14]。段圣龍利用實測音頻大地電磁法觀測獲得的隧洞深圍巖電阻率來計算巖體完整性系數(shù)，從而對圍巖進行分級[15]。也有專家就高密度電法和音頻大地電磁法聯(lián)合使用開展過研究[16]。陳松等在城市地質(zhì)調(diào)查中聯(lián)合使用高密度電法和音頻大地電磁法對主要發(fā)育及次生存在的隱伏斷裂進行了探測分析,確定了多條斷裂位置及空間展布形態(tài)，證明了兩種方法的結(jié)合能夠滿足隱伏斷裂探測的需求[17]。

高密度電法和音頻大地電磁法是工程勘探中常用的勘探手段，其聯(lián)合應用能有效勘探不同深度目標體，從而提高有效勘探范圍。本文以浙江省某大型輸水隧洞勘察為研究對象，依據(jù)前期地質(zhì)資料，基于高密度電法和音頻大地電磁法建立地質(zhì)模型，并對模型響應數(shù)據(jù)進行反演試算；根據(jù)高密度電法和音頻大地電磁法勘察數(shù)據(jù)，調(diào)查勘察區(qū)沉積物分布厚度、構(gòu)造破碎帶發(fā)育情況等，為大型輸水隧洞建設(shè)提供地質(zhì)依據(jù)，以及為今后類似地質(zhì)條件地區(qū)隱蔽工程建設(shè)提供理論和實踐依據(jù)。

1 勘察區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

勘察區(qū)位于西湖復向斜近核部的西南揚起部位，其隸屬揚子準地臺錢塘江臺褶帶的余杭—嘉興臺陷東北端、浙西北大復向斜的翼部，主要受華夏系和新華夏系構(gòu)造格局控制?？辈靺^(qū)內(nèi)主要發(fā)育NE向斷裂帶，走向一般為NE35°～NE60°，在平面上地層錯移大，斷裂破碎帶寬度在數(shù)米至數(shù)十米不等，斷裂帶中巖石均硅化分裂，形成構(gòu)造角礫巖，擦痕等擠壓現(xiàn)象明顯。NW向斷裂帶走向一般為NW35°～NW60°，在平面上一般錯斷NE向斷裂帶，斷裂破碎帶寬度在數(shù)米至數(shù)十米不等，以斷裂角礫巖、碎塊巖為主。勘察區(qū)內(nèi)斷裂主要有：瓜瀝—前村斷裂(F1),走向為NW30°，傾角為70°，傾向SE，橫穿進水口A勘察區(qū)縱測線L1、橫測線H1，與測點K1+150、0+30位置重合；馬金—烏鎮(zhèn)斷裂(F2)，走向為NE40°～NE50°，傾角為70°，傾向SE，橫穿重點勘察B區(qū)域測線L2，與測點K2+150重合。

勘察區(qū)主要位于丘陵山區(qū)，僅在山間洼地及平坦部位被第四系松散土層覆蓋?？辈靺^(qū)內(nèi)基巖巖性單一，均以砂巖地層為主，富水性相對弱。第四系地層主要以黏性土類、碎石夾黏性土類為主，富水性很差。進水口A勘察區(qū)為山前斜谷沖海積、坡洪積、沖洪積沉積平原地貌；重點勘察B區(qū)域為低山地貌；出水口C勘察區(qū)為山前斜谷湖沼積、坡洪積沉積平原地貌(圖1)。工程沿線地形坡度為20°～38°，溝谷大多廣寬，坡降較平緩。

圖1 勘察區(qū)地形及測線布置

勘察區(qū)內(nèi)巖體節(jié)理較發(fā)育，以次生節(jié)理為主，節(jié)理發(fā)育與斷裂的關(guān)系十分密切，斷裂帶兩側(cè)節(jié)理發(fā)育密集，遠離斷裂帶則節(jié)理密集度明顯降低?？辈靺^(qū)節(jié)理面較平直，延伸較遠，一般無充填物。其裂隙整體走向為NW10°～NW20°，傾角為50°～70°，傾向NE；部分走向為NE40°～NE60°，傾角為50°～70°，傾向NW。雖然自然條件下節(jié)理發(fā)育、局部破碎，但丘陵山體坡度一般較緩，邊坡較穩(wěn)定。

勘察區(qū)的巖性特點可分為兩段。第一段是沖海積地貌單元地段，上部第四系覆蓋層從山腳往外越來越厚，土體自穩(wěn)能力也變差，圍巖分級為Ⅵ級。第二段是低山丘陵地貌單元，即巖體隧洞本身穿越段節(jié)理較發(fā)育，圍巖分級以Ⅲ級、Ⅳ級為主。

1.2 地球物理特征

針對第四系縱向及橫向不均勻性，堆積界面起伏狀態(tài)和第四系厚度分布不均。在地質(zhì)踏勘提供的以礫巖為基底的第四系地表地質(zhì)特征基礎(chǔ)上，根據(jù)勘察任務(wù)并結(jié)合勘察區(qū)工程地質(zhì)條件，制定以高密度電法為主、音頻大地電磁法為輔的勘察方案。

對于高密度電法，勘察區(qū)地球物理條件表現(xiàn)為殘坡積土隨含水量的不同，電阻率也相應不同。勘察區(qū)表層殘坡積土含水量變化較大，中風化基巖表現(xiàn)為高阻，強風化基巖由于孔隙含水表現(xiàn)為相對低阻，裂隙發(fā)育帶和斷裂破碎帶含水量較高表現(xiàn)為低阻，并穿過中風化基巖面。這為劃分不同風化層和裂隙發(fā)育帶提供了地球物理前提，其中不同巖性電阻率范圍見表1。

表1 勘察區(qū)巖土介質(zhì)電性參數(shù)

對于音頻大地電磁法，勘察區(qū)地球物理條件表現(xiàn)為：因地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地下水豐富，基巖中如出現(xiàn)斷裂、構(gòu)造破碎帶或不同巖性接觸帶等地質(zhì)構(gòu)造，其巖層電阻率會相應表現(xiàn)出明顯降低等差異。因此，勘察區(qū)采用音頻大地電磁法是適用的。

2 模型試驗

為了解真實情況下地下隧洞上方的地電斷面及不同地質(zhì)體中場的分布規(guī)律，通過建立地質(zhì)模型計算模型響應，并對模型響應進行反演試算。本次高密度電法二維正演模型采用RES2DMOD軟件進行。根據(jù)已知資料設(shè)計兩個不同異常體位置及規(guī)模的地質(zhì)模型，應用溫納α裝置，電極道數(shù)為60道，電極距10 m。通過有限差分法進行二維正演計算得到電阻率(R)擬斷面圖，然后將正演計算結(jié)果經(jīng)過RES2DINV軟件利用最小二乘法進行反演，得到電阻率反演斷面圖，最后對比分析反演成像結(jié)果，解釋反演情況[18]。

圖2為單一異常體模型及高密度電法模擬結(jié)果。假定低阻異常體電阻率為70 Ω·m，上覆地層電阻率為300 Ω·m，下伏地層圍巖電阻率為1 000 Ω·m。加入5%噪聲值，并迭代5次后得到模型反演結(jié)果。反演結(jié)果顯示異常體與背景圍巖存在非常明顯的電阻率差異，斷裂異常明顯。由于異常區(qū)和背景圍巖之間存在電性差異且相互影響，所以通過計算得出的電阻率并不是真實電阻率。但總體而言，模型所展現(xiàn)出的異常與模擬結(jié)果在一定誤差范圍內(nèi)幾乎沒有差異，反演均方誤差(RMS)為0.44%，這一數(shù)值較小且符合要求，表明高密度電法效果較好，可以達到實際探測需求。

圖2 單一異常體模型及高密度電法模擬結(jié)果

圖3為兩個異常體模型及高密度電法模擬結(jié)果。由于靜態(tài)效應的影響，異常區(qū)在背景圍巖區(qū)域影響有一定程度的加深，但不影響對地質(zhì)斷裂構(gòu)造的整體判斷，斷裂異常位置在推斷異常區(qū)的范圍之內(nèi)。在加入5%噪聲值并迭代5次后，反演均方誤差為1.80%，反演結(jié)果可靠。

圖3 兩個異常體模型及高密度電法模擬結(jié)果

圖4為音頻大地電磁法模型及模擬結(jié)果。為避免其他因素引起的異常，在起伏地形條件下模型只設(shè)置單個異常區(qū)，地形高差為50 m。假設(shè)測點18個，采樣間距20 m，采樣頻率20～20 000 Hz。為了能精確計算起伏地形條件下的模型響應，采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限元法進行計算，并通過基于自適應非結(jié)構(gòu)有限元的快速Occam反演計算得出反演結(jié)果。結(jié)果表明，音頻大地電磁法在低阻異常與背景圍巖之間的識別能力較好，盡管不能細致地分辨其下邊界，但不影響總體判斷地質(zhì)構(gòu)造的趨勢[19]。

圖4 音頻大地電磁法模型及模擬結(jié)果

3 測線布設(shè)與數(shù)據(jù)處理

3.1 高密度電法

勘察區(qū)內(nèi)地質(zhì)特征研究程度較低，第四系等覆蓋層厚度變化較大。根據(jù)勘察區(qū)內(nèi)不同的水文地質(zhì)條件，分3個重點區(qū)域進行詳細探測(圖1)，且各有不同斷裂穿過。在出水口、進水口及部分河流溪水和沼澤等微地貌單元豐富區(qū)域，布設(shè)橫、縱剖面(表2)，避免單剖面結(jié)論的片面性。

表2 勘察區(qū)測線方位

據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，高密度電法的探測深度不僅跟電極裝置的排列長度相關(guān)，還與地層的電阻率相關(guān)。高密度電法勘探主要采用溫納裝置[17]，采用60根電極排列，極距10 m，部分橫測線極距5 m，供電電壓為180～360 V，16層觀測，重復30道采集，重復數(shù)據(jù)取平均值，反演深度大于50 m。采用GEOTOMO公司的RES2DINV軟件處理數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進行噪聲剔除、疊加部分取平均值反演、后期正反演參數(shù)調(diào)試、成果文件輸出與制圖，其中噪聲剔除主要針對最小電壓、最大重復誤差及最小視電阻率等不符合預設(shè)范圍的數(shù)據(jù)。

3.2 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法布置于所需探測路線的中心線上，即重點勘察B區(qū)域(測點K2+000～K2+340)。該勘察區(qū)部分區(qū)域河流溪水等微地貌單元豐富，預示著有斷裂隱蔽性強的特征。在兩條高密度電法勘探線的基礎(chǔ)上，再布設(shè)縱測線AMT1，測點點距為20 m，采集頻率為10～100 000 Hz。其中，低頻采集使得勘探達到了一定深度，高頻采集使得勘探達到較高分辨率[20]。采集疊加次數(shù)不少于10次。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理包括預處理和反演處理兩部分。對數(shù)據(jù)進行預處理主要有去噪與靜態(tài)校正；依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造與地形起伏情況，判斷靜態(tài)效應及其嚴重程度，從而進一步對視電阻率曲線形態(tài)進行靜態(tài)校正。反演處理時，視電阻率和相位的擬合誤差均設(shè)置為5%，靜態(tài)校正值設(shè)置為10%，迭代終止誤差設(shè)置為1.5%，正則化因子取值為1，最小迭代次數(shù)為100次。

4 結(jié)果分析與解釋

勘察區(qū)基巖主要為強風化—中風化基巖。淺部為雜填土、含礫粉質(zhì)黏土、碎石夾黏土等第四系地層；深部為中風化砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，地質(zhì)構(gòu)造相對較復雜，風化強烈，基巖呈裂隙發(fā)育。

高密度電法和音頻大地電磁法實測數(shù)據(jù)反演結(jié)果如圖5、6所示。其中，高密度電法數(shù)據(jù)反演迭代4次，擬合誤差為1%。根據(jù)高密度電法數(shù)據(jù)反演結(jié)果，可以有效推斷勘察區(qū)內(nèi)存在斷裂構(gòu)造區(qū)域，進而判斷斷裂構(gòu)造位置(圖5)。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，基于勘察區(qū)內(nèi)區(qū)域斷裂帶位置及勘探結(jié)果，在3個勘探區(qū)域綜合判斷出6條斷裂發(fā)育帶，分別為Fw1、Fw2、Fw3、Fw4、Fh1、Fh2、Famt(圖5、6)。

圖5 高密度電法反演剖面

進水口A勘察區(qū)中，縱測線L1第四系覆蓋層及全風化、強風化層厚度為1～12 m，測點K1+360附近斷裂發(fā)育帶Fw2影響寬度約為13 m，傾角約為67°。測線沿線于測點K1+150處有斷裂發(fā)育帶Fw1，影響寬度約為15 m,傾角約為65°。橫測線H1第四系覆蓋層及全風化、強風化層厚度為2～10 m，測線沿線于測點0+30附近有斷裂發(fā)育帶Fh1，影響寬度約為10 m，傾角約為69°。同時，斷裂發(fā)育帶Fw1、Fh1也與區(qū)域地質(zhì)斷裂F1處于同一位置，二者走向一致。因此，該區(qū)域內(nèi)由物探異常推斷出的斷裂構(gòu)造帶位置在隧洞設(shè)計施工中需要做防護處理或避開。

重點勘察B區(qū)域中，縱測線L2第四系覆蓋層及全風化、強風化層厚度為3～12 m，測線沿線于測點K2+150處有斷裂發(fā)育帶Fw3，影響寬度約為15 m，傾角約為75°。橫測線H2測線范圍內(nèi)地層上部第四系及風化層厚度存在差異，厚度為3～15 m。從音頻大地電磁法反演剖面(圖6)可以推斷，從淺部至深部電阻率多表現(xiàn)為高阻，而測點K2+125～K2+340從淺部至深部呈現(xiàn)多個低阻區(qū)域，判斷存在斷裂發(fā)育帶Famt。對比兩種方法的反演結(jié)果，在測點K2+150處均出現(xiàn)電阻率突變區(qū)域，充分說明該處存在斷裂發(fā)育帶，且影響寬度約為15 m。同時根據(jù)前期地質(zhì)資料，測點K2+150處于區(qū)域地質(zhì)斷裂F2上，電性差異明顯，因此，推測此處斷裂構(gòu)造與地質(zhì)資料吻合，表明反演結(jié)果準確可靠。從音頻大地電磁法反演剖面(圖6)可以看出，斷裂發(fā)育帶Famt的影響高程約為-500 m，因此，在隧洞設(shè)計施工中建議考慮其他設(shè)計線路，以避開此區(qū)域。

圖6 音頻大地電磁法反演剖面

出水口C勘察區(qū)中，縱測線L3第四系覆蓋層及全風化、強風化層厚度為1.5～15.0 m，測線沿線于測點K3+200有斷裂發(fā)育帶Fw4,影響寬度約為12 m，傾角約為56°。橫測線H3測線范圍內(nèi)地層上部第四系覆蓋層及全風化、強風化層厚度為2～9 m，在測線沿線于測點0+35附近有斷裂發(fā)育帶Fh2，影響寬度約為13 m，傾角約為65°。該區(qū)域內(nèi)無已知區(qū)域斷裂經(jīng)過，因此，在下一階段的勘察中，此處物探異常需要做鉆探驗證。

勘察區(qū)總體上電性斷面形態(tài)是：表層電阻率相對變化較大，中間低阻，底部高阻，電阻率為20～500 Ω·m。其中，表層填土、粉質(zhì)黏土、全風化基巖、強風化基巖的電阻率為20～500 Ω·m，變化較大；坡地含水性差，礫石成分多，因此，結(jié)構(gòu)松散呈高阻，一般大于300 Ω·m。由于基巖風化后的殘坡積層呈砂土狀，透水性好，含水量低，地表殘坡積土在絕大部分地段表現(xiàn)為相對高阻，典型電阻率為50～150 Ω·m。強風化基巖表現(xiàn)為低阻，典型電阻率為30～100 Ω·m。

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，勘察區(qū)強風化基巖一般呈砂土狀或碎塊狀，裂隙極為發(fā)育，透水性較好。其下中風化基巖相對較完整，透水性差，在中微風化頂面上形成富水面，呈低阻界面，電阻率一般低于120 Ω·m。中風化基巖的電阻率大于120 Ω·m，典型電阻率為150～1000 Ω·m。節(jié)理裂隙發(fā)育帶和斷裂破碎帶的電阻率為20～300 Ω·m，典型電阻率為20～120 Ω·m，一般呈向深部延伸的低阻條帶異常顯示。裂隙發(fā)育帶和斷裂破碎帶的電阻率與強風化基巖在低阻特征上類似，當強風化的界面深度較大或含水時，也會形成向下延伸的低阻異常帶，易造成誤判。

根據(jù)7條測線剖面對地層進行整體分析，可以得出：地層上部為雜填土、碎石夾黏土及含礫粉質(zhì)黏土，厚為1～15 m，隨含水量的不同，電阻率為5～150 Ω·m；地層下伏中風化基巖在測線范圍內(nèi)地層上部第四系及風化層厚度差異較大，電阻率為150～3 000 Ω·m?；鶐r完整地段電阻率相對較大，全風化、強風化層及局部松散介質(zhì)因含水，電阻率顯示低阻；裂隙發(fā)育帶及構(gòu)造破碎帶對巖體完整性產(chǎn)生較大影響，軟弱結(jié)構(gòu)面控制強度，受地下水作用影響明顯，淺部巖體穩(wěn)定性相對較差，電阻率表現(xiàn)為低阻特征并向下延伸。

5 結(jié) 語

(1)為探究復雜地質(zhì)條件下斷裂構(gòu)造對城市輸水隧洞勘察區(qū)探測結(jié)果的影響，通過構(gòu)建模型對高密度電法與音頻大地電磁法的模型響應數(shù)據(jù)進行反演計算，發(fā)現(xiàn)反演結(jié)果推斷的斷裂構(gòu)造位置與模型斷裂位置完全吻合，可以用于后期實測資料分析解釋的依據(jù)。

(2)通過對城市輸水隧洞進水口勘察區(qū)、重點勘察區(qū)域和出水口勘察區(qū)的實測數(shù)據(jù)反演，確定了多條斷裂發(fā)育帶(Fw1、Fw2、Fw3、Fw4、Fh1、Fh2、Famt)位置及影響寬度，推斷斷裂發(fā)育帶Fw1、Famt與已知區(qū)域斷裂位置高度吻合，其他推斷斷裂走向與已知區(qū)域斷裂的空間延伸方向也較一致。

(3)在城市輸水隧洞重點勘察區(qū)域，通過對比高密度電法與音頻大地電磁法反演結(jié)果，準確判斷出斷裂位置及影響寬度。這說明在建造輸水隧洞的前期勘察中，采用高密度電法和音頻大地電磁法相結(jié)合的綜合物探技術(shù)用以探測斷裂構(gòu)造，可以提高勘察成果的準確性和可靠性，能為今后類似隱蔽工程的勘察提供技術(shù)經(jīng)驗借鑒。