觀音巖水電站壩基淺部溶蝕巖體檢測技術(shù)方法

陸超（中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明，650051）

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觀音巖水電站壩基淺部溶蝕巖體檢測技術(shù)方法

陸超
（中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明，650051）

觀音巖水電站壩址區(qū)鈣質(zhì)砂礫巖在地下水作用下，沿層理方向或陡傾角裂隙產(chǎn)生溶蝕，形成規(guī)模較大的囊狀空腔或孔洞，需要查明溶蝕巖體的空間分布情況。但由于巖溶呈零星、孤立的條帶狀、囊狀、陡傾分布，常規(guī)的物探檢測方法難以達(dá)到目的。本工程通過試驗找出適合溶蝕巖體檢測的瞬變電磁法和探地雷達(dá)法，以及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，最終取得預(yù)期成果。

溶蝕巖體；瞬變電磁法；探地雷達(dá)法

0　引言

觀音巖水電站位于云南省麗江市華坪縣與四川省攀枝花市交界的金沙江中游河段，攔河壩為左岸碾壓混凝土重力壩和右岸心墻堆石壩相結(jié)合的組合壩型，最大壩高159 m，整個壩頂全長1 158 m。

由于地下水的作用，觀音巖水電站壩址區(qū)的鈣質(zhì)礫巖、鈣質(zhì)含礫砂巖、鈣質(zhì)砂巖沿層理方向或陡傾角裂隙產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象。由于溶蝕和鈣質(zhì)流失現(xiàn)象比較突出，弱化了基礎(chǔ)巖體的整體強度和滲透穩(wěn)定條件，因此有必要查明巖體溶蝕區(qū)的空間分布情況，為工程設(shè)計和管理、施工參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保工程質(zhì)量和安全。

1　溶蝕巖體特征

1.1溶蝕巖體的地質(zhì)特征

壩址區(qū)鈣質(zhì)砂礫巖的溶蝕主要可分為礫巖溶蝕和砂巖鈣質(zhì)流失兩種類型，其中礫巖鈣質(zhì)溶蝕表現(xiàn)尤為突出，易形成規(guī)模較大的囊狀空腔或孔洞，而砂巖則表現(xiàn)為鈣質(zhì)流失、巖石質(zhì)量變輕，溶蝕呈砂土狀或砂糖狀。

各個溶蝕發(fā)育點大都呈條帶狀、囊狀，水平上分布較為零星、彼此獨立、相互間連通較差，溶蝕發(fā)育均沿著巖層層面（NE向延伸，傾角大于45°）進行，并且受陡傾角橫張節(jié)理或縱張節(jié)理影響控制。

1.3溶蝕巖體的地球物理特征

（1）彈性力學(xué)參數(shù)：溶蝕巖體的密度、波速明顯小于正常巖體。

（2）電性參數(shù)：地下水位線之下的溶蝕巖體，其電阻率值要遠(yuǎn)小于非溶蝕巖體，吸收系數(shù)和介電常數(shù)大于非溶蝕巖體，地下水位線之上的情況則正好相反。另外，溶蝕巖體對電磁波的散射作用較正常巖體明顯。

（3）地球物理工作條件：壩基開挖后基礎(chǔ)巖面將形成規(guī)則臺階和邊界，施工干擾和各類電磁干擾影響較大，一般的檢測方法受地形影響大，另外地面檢測方法中除空氣耦合外，其他方法的耦合條件均不好。

2　溶蝕巖體檢測方法選擇

考慮到不可能在壩基面上大規(guī)模布置鉆孔的現(xiàn)實，淺部溶蝕巖體檢測方法擬采用地面檢測方法，初步選定的地面檢測方法有探地雷達(dá)法、小排列地震反射波法、小線框瞬變電磁法等，并針對擬用檢測方法進行專門試驗。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，分析試驗成果數(shù)據(jù)，主要成果是：（1）地下水位線以上和以下，探地雷達(dá)波形總體形態(tài)相似。采用400 MHz天線發(fā)現(xiàn)溶蝕巖體的異常明顯、穩(wěn)定，干擾小，但探測深度不超過5 m，100 MHz天線、50 MHz天線干擾大，見圖1。（2）采用瞬變電磁法進行溶蝕探測，溶蝕巖體的異常明顯、穩(wěn)定，干擾小，探測深度范圍為5～30 m。地下水位線以下區(qū)，溶蝕巖體表現(xiàn)為低阻體，地下水位線以上，溶蝕巖體表現(xiàn)為高阻體，見圖2。（3）地震影像法的反射信號與溶蝕區(qū)不存在一對一的關(guān)系。因此，觀音巖水電站壩基淺部巖體溶蝕區(qū)檢測采用探地雷達(dá)法和瞬變電磁法進行普查。

圖1　探地雷達(dá)檢測試驗成果圖Fig.1 Test results of ground penetrating radar

圖2　瞬變電磁法檢測試驗成果圖Fig.2 Test results of transient electromagnetic method

3　現(xiàn)場檢測及主要數(shù)據(jù)處理技術(shù)

3.1探地雷達(dá)現(xiàn)場檢測主要參數(shù)及數(shù)據(jù)處理主要技術(shù)

（1）檢測儀器為美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20型雷達(dá)，天線為400 MHz屏蔽天線；

車輛稱重時，希望僅通過調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥便能調(diào)平，同時要考慮在軸箱彈簧處加設(shè)墊片。當(dāng)僅調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥時，ΔS為變量，所以式(4)和(5)所組成的方程組有解時，便說明只調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥就能調(diào)平。

（2）現(xiàn)場探測采用剖面法，測試剖面間距4 m，測點間距0.2 m，疊加128次，每道采樣點數(shù)1 024點，時窗100 ns。

（3）后處理主要是對信號進行增益、濾波、偏移和反褶積等處理，突出有效異常；

（4）檢測成果分為溶蝕巖體和非溶蝕巖體兩大類，其中溶蝕巖體細(xì)分為強溶蝕、中等溶蝕和輕微溶蝕共3個等級。

3.2瞬變電磁法現(xiàn)場檢測主要參數(shù)

（1）儀器為CUGTEM-8瞬變電磁儀，剖面間距4 m，測點間距1 m或3 m。

（2）采樣參數(shù)分為兩部分：①高程981 m以上：重疊回線，發(fā)射電流100 A，發(fā)射線框為2 m×2 m，4匝，接收線框為2 m×2 m，32匝。采樣間隔4 us，采樣點數(shù)4 096點，60～120次疊加；②高程981m以下：重疊回線，發(fā)射電流100 A，發(fā)射線框為4 m×4 m，2匝，接收線框為4 m×4 m，16匝。采樣間隔4 us，采樣點數(shù)4 096點，60～120次疊加。

3.3瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理主要技術(shù)

（1）對現(xiàn)場采集到的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，主要是刪除異常數(shù)據(jù)信號、電磁背景值歸一化兩步工作。異常的信號主要由施工工地各種干擾引起，包括電焊機工作、隨機和工頻3種干擾及正反相信號往同個方向偏移或不對稱現(xiàn)象。另外因檢測場地存在較高電磁背景值等原因，瞬變電磁信號有時會出現(xiàn)“負(fù)”的電位值或較高剩余電位值，因此對此類測點信號做背景歸一化處理。

（2）對不同剖面和測點的視電阻率值和視深度值做歸一化。

①采用小線圈、多匝回線測試，計算出的視電阻率沿深度方向逐漸變小，因此需要對深度方向上的視電阻值進行歸一化處理。深度方向歸一化方法是將相同裝置的全部剖面測點在不同深度點的視電阻率平均值歸一化成相同的值。

②由于不同剖面（或同一剖面不同測試時段）的起算時間存在變化，不同的剖面計算得出的視電阻率也會因此而變化，需要對不同剖面間的視電阻率值做歸一化處理，才能進行有效對比。不同剖面間視電阻率歸一化方法是將不同剖面的視電阻率平均值歸一化成相同的值。

③瞬變電磁法的深度計算是在視電阻率的基礎(chǔ)上計算得出，視電阻做歸一化后應(yīng)對視深度做歸一化處理。歸一化方法是將第2道計算得出的深度歸一化成相同的值，最后對深度統(tǒng)一除或乘某一系數(shù)，使異常深度與已有的鉆孔等地質(zhì)資料對應(yīng)。

4　檢測成果

經(jīng)現(xiàn)場對比試驗、綜合分析，瞬變電磁法視電阻率、探地雷達(dá)反射波與溶蝕程度的對應(yīng)關(guān)系見表1。0～5 m范圍的最終檢測成果以探地雷達(dá)檢測成果為主，5～30 m范圍以瞬變電磁法成果為主。

瞬變電磁視電阻率數(shù)據(jù)通過相應(yīng)軟件建立視電阻率分布模型，繪制各剖面、斷面和切面的視電阻率等值線圖，見圖3～5。

表1　溶蝕程度與各參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系Table 1 Relationship between the degree of corrosion and each parameter

圖3　建基面下10 m處視電阻率分布圖Fig.3 Distribution of apparent resistivity10 m below foundation surface

圖4　A-A’剖面視電阻率分布圖Fig.4 Distribution of apparent resistivity of section A-A'

圖5　B-B’剖面視電阻率分布圖Fig.5 Distribution of apparent resistivity of section B-B'

（1）平面上，溶蝕發(fā)育整體呈條帶狀，與巖層走向（見圖3中的B-B'和C-C'）一致，不同溶蝕區(qū)的溶蝕強度和面積差別較大（見圖3）。

（2）同一溶蝕條帶內(nèi)不同溶蝕區(qū)相對孤立（見圖5），連通性總體較差，不同溶蝕條帶間的溶蝕區(qū)基本不相通（見圖4）。

（3）高程1 030～970 m段，巖體的溶蝕發(fā)育面積變化不大，高程970～950 m段，巖體的溶蝕發(fā)育面積有逐漸變小的趨勢（見圖3、圖4）。

5　結(jié)語

（1）采用瞬變電磁和探地雷達(dá)綜合法，可有效解決觀音巖水電站基巖的溶蝕巖體空間分布問題。

（2）試驗中，曾采用4種不同的瞬變電磁儀進行對比試驗，發(fā)現(xiàn)小線框、多匝線圈計算出的視電阻率沿深度方向逐漸變小，這種現(xiàn)象明顯不符合實際情況，需要進行修正，文中的方法只是依據(jù)工程經(jīng)驗做出簡單修正。

（3）瞬變電磁數(shù)據(jù)處理中，起算時間點對視電阻率和深度有明顯影響，不利于各區(qū)域、各時段的各檢測剖面成果進行橫向?qū)Ρ?，部分限制其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。文中的方法只是依據(jù)工程經(jīng)驗做出簡單修正后對成果進行橫向?qū)Ρ取?/p>

（4）在場地電磁干擾大的情況下，對單次瞬變信號進行分析并去除干擾信號的辦法，在工程實踐中是很好的解決方案。

作者郵箱：570266449@qq.com

Title:Detection technique of corrosion rock in upper part of foundation of Guanyinyan dam//by

LU Chao//PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited

With the effect of groundwater，calcareous sandy conglomerate in area of Guanyinyan hydropower station was corroded along the direction of bedding or steep fracture，forming larger cystic cavity or hole.It was essential to find out the spatial distribution of corrosion rock.As sporadic and isolated distribution of corrosion rock，conventional geophysical detection method was difficult to achieve the purpose.By contrast test，a suitable detection technique combined with transient electromagnetic method，ground penetrating radar method and corresponding data processing method was used for Guanyinyan hydropower station，which achieved expected results.

corrosion rock；transient electromagnetic method；ground penetrating radar

TV698.1

B

1671-1092（2016）03-0029-04

2016-01-28

陸 超（1972-），男，廣西百色人，教授級高級工程師，主要從事工程檢測工作。