綜合物探在水電站勘查中的應(yīng)用

劉成懷 劉康和

(1.江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇淮安 223001； 2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

某水電站擬建混凝土面板堆石壩，最大壩高180m，正常蓄水位892m，總庫(kù)容4.776×108m3。壩址所處區(qū)段河道曲折，谷底狹窄，岸坡高陡，河谷呈“V”字形。谷底寬度約15～30m，890m高程處寬度約180～360m；兩岸坡度大于40°～60°，部分為陡壁，岸高一般為200～280m，最高可達(dá)300m。壩區(qū)斷續(xù)分布有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)侵蝕基座型階地，沉積有沖洪積砂卵礫石，其上多被厚度不大的風(fēng)積黃土覆蓋。

受構(gòu)造作用影響，地層走向多變，傾向各異。兩岸巖體卸荷作用強(qiáng)烈，尤以近壩地段為甚，山體上部可見(jiàn)有大量卸荷松動(dòng)巖體，加上構(gòu)造作用影響，不利結(jié)構(gòu)面相互組合，邊坡穩(wěn)定性不佳。

測(cè)試區(qū)內(nèi)的基巖巖性以中厚層灰?guī)r為主，節(jié)理、裂隙密集帶、構(gòu)造破碎帶及邊坡卸荷帶發(fā)育，造成地震波速度及聲波速度的差異。

針對(duì)上述探測(cè)任務(wù)，根據(jù)前期物探成果和工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、場(chǎng)地條件。經(jīng)試驗(yàn)選用探硐地震波法、聲波測(cè)井、鉆孔電視錄像、高密度電法等方法探測(cè)。

1 工作方法

⑴ 探硐地震波測(cè)試：現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)為小相遇時(shí)距曲線觀測(cè)系統(tǒng)，單一排列長(zhǎng)度12～24m，檢波點(diǎn)距1～2m，偏移距1m。檢波器與硐壁巖體以石膏耦合。錘擊震源。

⑵ 中心孔聲波測(cè)井：采用一發(fā)雙收干孔換能器，點(diǎn)距0.2m，由孔底向孔口逐點(diǎn)測(cè)試。

⑶ 鉆孔電視錄像：采用連續(xù)觀測(cè)方式，自上而下勻速（不大于2m/min）下放探頭，并連續(xù)錄像，同時(shí)計(jì)算機(jī)存盤(pán)，以供后期回放進(jìn)行地質(zhì)解譯。

⑷ 高密度電法：采用溫納爾裝置，單一排列為60根分布式電極，基本電極距3m，排列長(zhǎng)度177m，電極隔離系數(shù)16。

2 成果分析

2.1 探硐地震波測(cè)試

探硐巖體地震波隨硐深的變化具有以下規(guī)律：所測(cè)探硐硐口處巖體受物理風(fēng)化卸荷作用，裂隙大部分張開(kāi)，其地震縱波速度較低，一般為1000～2000m/s左右,巖體完整性系數(shù)0.03～0.11，動(dòng)彈性模量為1.34～6.40GPa。隨硐深的增加，動(dòng)彈性參數(shù)有逐漸變大的趨勢(shì)，一般以硐深30m為界線，小于30m時(shí)，地震縱波速度小于3000m/s,巖體完整性系數(shù)小于0.25，動(dòng)彈性模量小于16.22GPa；硐深大于30m時(shí)，地震縱波速度一般為3000～5900m/s, 巖體完整性系數(shù)一般為0.25～0.97，動(dòng)彈性模量一般為16.22～81.34GPa。

2.2 中心孔聲波測(cè)井

綜合分析探硐內(nèi)中心孔的聲波測(cè)試成果，原巖聲波速度一般均大于4500m/s，松動(dòng)巖體聲波速度一般小于4500m/s。以此為劃分標(biāo)準(zhǔn)便可判定該壩址探硐圍巖開(kāi)挖爆破所產(chǎn)生的松動(dòng)厚度。

圖1 右岸PD12探硐zk1、zk2、zk3、zk4中心孔聲波測(cè)試成果圖

其中右岸PD2探硐ZK4、ZK5、ZK6三個(gè)中心孔處巖體松動(dòng)厚度分別為0.8m、0.95m、0.9m；右岸PD12探硐ZK1、ZK2、ZK3、ZK4三個(gè)中心孔處巖體松動(dòng)厚度分別為0.8m、1.0m、0.7m、0.5m；左岸PD13探硐ZK1、ZK2、ZK3、ZK4三個(gè)中心孔處巖體松動(dòng)厚度分別為1.0m、0.8m、0.8m、0.9m。說(shuō)明該壩址探硐巖體松動(dòng)厚度范圍為0.5～1.0m。典型測(cè)試圖見(jiàn)圖1。

2.3 鉆孔電視錄像

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)錄的鉆孔電視錄像資料進(jìn)行編輯回放后，重點(diǎn)對(duì)孔壁巖體破碎、裂隙發(fā)育段和巖性變化等重要特征進(jìn)行描述。典型的孔壁巖體錄像展示圖見(jiàn)圖2。

圖2 鉆孔孔壁錄像成果圖

圖3 測(cè)線2高密度電法斷面圖

2.4 高密度電法

對(duì)野外實(shí)測(cè)的高密度電阻率數(shù)據(jù)，應(yīng)用高密度電法處理軟件進(jìn)行編輯、圓滑、調(diào)整等處理后，再利用最小二乘法進(jìn)行反演處理，最終獲得高密度電阻率斷面圖(典型斷面圖見(jiàn)圖3)。結(jié)合前期勘探成果，本測(cè)區(qū)高密度電法探測(cè)深度可按公式(1)進(jìn)行估算。

式中：h ——深度(m)；

AB ——供電極距(m)。 由圖3可知：本次測(cè)試反演所獲的電阻率斷面圖均客觀地反映了測(cè)試剖面地表面以下垂直和水平方向的巖層結(jié)構(gòu)的變化特征，但地形條件（山頂）和表層不均勻介質(zhì)（同一測(cè)線表層出現(xiàn)巖石或砂石土）對(duì)測(cè)試成果具有一定的影響，可能使解譯判斷出現(xiàn)一定的偏差，經(jīng)綜合分析認(rèn)為該測(cè)線電阻率斷面圖變化特征如下。

（1）表層（淺部）存在低阻凹槽和團(tuán)塊特征，電阻率值一般為2.8～100Ω·m。隨電極隔離系數(shù)的增大，巖性電阻率值由低逐漸變高，呈現(xiàn)明顯的漸變特征。

（2）基巖（灰?guī)r）電阻率最高，一般為2000～7000Ω·m。

（3）裂縫充填物電阻率相對(duì)圍巖較小，一般為100～600Ω·m。

（4）圖中標(biāo)明左側(cè)裂縫位于該剖面樁號(hào)的40m處，近直立微傾小樁號(hào)，延伸深度約16m，分布高程978～994m。

（5）圖中標(biāo)明右側(cè)裂縫位于該剖面樁號(hào)的80m處，直立，延伸深度大于30m，分布高程推測(cè)950～993m。

經(jīng)鉆探驗(yàn)證：該處裂縫深度31m。由此證明物探成果具有很高的探測(cè)精度。

3 基本結(jié)論

（1）平硐內(nèi)巖體地震波縱波速度一般為1000～5900m/s。硐口段巖體波速較低，受風(fēng)化卸荷影響較大，其巖體地震縱波速度較低，一般為1000～2000m/s左右,完整性系數(shù)0.03～0.11，動(dòng)彈性模量為1.34～6.40GPa。隨硐深的增加，動(dòng)彈性參數(shù)有逐漸變大的趨勢(shì)，一般以硐深30m為界線，小于30m時(shí)，巖體地震縱波速度小于3000m/s,完整性系數(shù)小于0.25，動(dòng)彈性模量小于16.22GPa；硐深大于30m時(shí)，巖體地震縱波速度一般為3000～5900m/s,完整性系數(shù)一般為0.25～0.97，動(dòng)彈性模量一般為16.22～81.34GPa。

（2）探硐中心孔測(cè)試結(jié)果表明：原巖聲波速度一般均大于4500m/s，松動(dòng)巖體聲波速度一般小于4500m/s。以此為劃分標(biāo)準(zhǔn)便可判定該壩址探硐圍巖開(kāi)挖爆破所產(chǎn)生的松動(dòng)厚度。綜合分析測(cè)試成果可得該壩址探硐巖體松動(dòng)厚度范圍為0.5～1.0m。

（3）探硐巖體地震波測(cè)試與聲波測(cè)試巖體動(dòng)彈性參數(shù)的基本原理是一致的，它們都遵循彈性波在巖體介質(zhì)中的傳播規(guī)律。但二者之間的區(qū)別在于所利用的彈性波的頻率不同，聲波的頻率大大高于地震波，因此聲波速度一般比地震縱波速度高5%～20%。本期工作巖體聲波速度與平硐地震縱波速度的差異主要是上述原因，同時(shí)二者測(cè)試的位置、高程不一致，聲波測(cè)試一般在孔內(nèi)進(jìn)行，孔上部具有一定厚度的蓋層，因此測(cè)試部位一般可視為原巖狀態(tài)；而平硐測(cè)試位置一般高于現(xiàn)代河床，且硐壁巖體受到爆破影響，開(kāi)挖后原巖體應(yīng)力發(fā)生改變，故地震縱波速度一般要低于聲波速度。

（4）鉆孔電視錄像中觀測(cè)的孔壁巖體結(jié)構(gòu)和巖性的變化與聲波測(cè)井中劃分的低速帶和聲波速度的變化特點(diǎn)相對(duì)比，具有較好的吻合，能夠較好的確定低速帶或結(jié)構(gòu)面發(fā)育的空間位置。

（5）應(yīng)用高密度電法進(jìn)行裂縫調(diào)查所取得的成果表明：該處表層（淺部）存在低阻凹槽和團(tuán)塊特征，電阻率值一般為2.8～100Ω·m。隨電極隔離系數(shù)的增大，巖性電阻率值由低逐漸變高，呈現(xiàn)明顯的漸變特征；基巖（灰?guī)r）電阻率最高，一般為2000～7000Ω·m；裂縫充填物電阻率相對(duì)圍巖較小，一般為100～600Ω·m。

其中1號(hào)測(cè)線出現(xiàn)1條裂縫，位于該剖面樁號(hào)的60m處，近直立傾向小樁號(hào)，延伸深度約13m，分布高程979～992m。

2號(hào)測(cè)線出現(xiàn)2條裂縫，左側(cè)裂縫位于該剖面樁號(hào)的40m處，近直立微傾小樁號(hào)，延伸深度約16m，分布高程978～994m，右側(cè)裂縫位于該剖面樁號(hào)的80m處，直立，延伸深度大于30m，分布高程推測(cè)950～993m。

3號(hào)測(cè)線出現(xiàn)2條裂縫，左側(cè)裂縫位于該剖面樁號(hào)的44m處，近直立微傾大樁號(hào)，延伸深度大于22m，分布高程推測(cè)960～995m；右側(cè)裂縫位于該剖面樁號(hào)的82m處，傾向大樁號(hào)，延伸深度大于31m，分布高程推測(cè)950～997m。

4號(hào)測(cè)線出現(xiàn)2條裂縫，左側(cè)裂縫位于該剖面樁號(hào)的36m處，近直立微傾大樁號(hào)，延伸深度大于20m，分布高程推測(cè)970～1004m；右側(cè)裂縫位于該剖面樁號(hào)的108m處，傾向大樁號(hào)，延伸深度大于25m，分布高程推測(cè)960～994m。

[1] 劉康和,練余勇著.深埋長(zhǎng)隧洞地球物理勘察及施工超前預(yù)報(bào).天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社,2010年

[2] 水利水電工程物探規(guī)程SL326-2005.中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)