探析地球物理勘探在水利水電工程勘察中的應(yīng)用效果

郭生凱 孫文斌 李長(zhǎng)江 徐世業(yè)

摘 要：隨著地質(zhì)勘探技術(shù)的飛速發(fā)展，在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用日益廣泛，因此對(duì)該技術(shù)的要求亦逐步提高，這就需要技術(shù)人員更加精益求精，不斷完善勘測(cè)技術(shù)，創(chuàng)新勘測(cè)模式，積極促進(jìn)整體勘測(cè)水平的提高。本文開(kāi)篇對(duì)地球物理勘探的概念進(jìn)行闡述，并指出這種技術(shù)的主要運(yùn)用方法，結(jié)合黃河沙坡頭水利樞紐工程的情況探討其壩基巖體灌漿效果，有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：地球物理勘探 水利水電 應(yīng)用

在水利水電工程建設(shè)中，地質(zhì)勘測(cè)作為基礎(chǔ)性工作發(fā)揮著十分重要的作用。地球物理勘探作為其中一項(xiàng)重要技術(shù)近年來(lái)得到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，本文就此給出一些自己的看法。

1 地球物理勘探概述

1.1 地球物理勘探的概念

地球物理勘探在工程建設(shè)中的應(yīng)用十分普遍，通常被簡(jiǎn)稱為物探，指的是通過(guò)使用觀測(cè)儀器對(duì)被勘探地區(qū)的相關(guān)情況進(jìn)行觀測(cè)，依據(jù)系統(tǒng)全面的數(shù)據(jù)整理進(jìn)行分析，用專業(yè)化的地質(zhì)原理對(duì)包括位置、埋深、范圍大小等具體信息給出科學(xué)的解釋。地球物理勘探技術(shù)貫穿于水利水電工程建設(shè)的始終，諸如物探的低成本、輕便及快捷的優(yōu)勢(shì)可以加快工程開(kāi)發(fā)的速度。而在現(xiàn)實(shí)實(shí)踐中，根據(jù)地質(zhì)和地形的具體特點(diǎn)，采取相應(yīng)的物探手段和工具，輔以一定的鉆探及坑槽探工作等，可以有效避免因勘探場(chǎng)地布置較大而造成不必要的時(shí)間和資金浪費(fèi)，從而促進(jìn)勘測(cè)工作質(zhì)量與效率的極大提高。

1.2 地球物理勘探的主要方法

在地球物理勘探的實(shí)際應(yīng)用中，采用較多的是基于位場(chǎng)理論的重力場(chǎng)勘探法、磁場(chǎng)勘探法和直流電場(chǎng)勘探法，以及基于波動(dòng)理論的地震波勘探法、電滋波勘探法等方法。

1.2.1 重力場(chǎng)、磁場(chǎng)勘測(cè)法

這種方法相對(duì)于地震勘探法來(lái)講較為古老，并且在精度與可靠度等方面都有一定差距。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高精度的重力、磁力儀被研發(fā)應(yīng)用大大提高了重力場(chǎng)、磁場(chǎng)勘探的精度的同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、磁性矢量層析成像理論尤其是微伽級(jí)重力儀等的使用使得微重力測(cè)量在洞室勘探、邊坡地質(zhì)體變動(dòng)形態(tài)的監(jiān)測(cè)等方面的勘探工作更加方便可靠。

1.2.2 地震勘測(cè)法

在工程地質(zhì)勘探的過(guò)程中利用人工激發(fā)震源產(chǎn)生的地震波來(lái)進(jìn)行勘探就叫做地震勘測(cè)法。當(dāng)前形勢(shì)下，這種方法在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用日益廣泛。較為大型的項(xiàng)目有三峽工程等在進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)所采用的即是彈性波縱波，并取得了較好得工程效益和經(jīng)濟(jì)效益。此外，地震波CT技術(shù)在不斷發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程中日益形成較為完整的方法，尤其是其成像方式諸如利用直達(dá)波、折射波、面波及反射波等多種波進(jìn)行組合的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)鉆孔、隧道、邊坡和山體等多種觀測(cè)手段的結(jié)合來(lái)進(jìn)行二維和三維的地質(zhì)成像，以此促進(jìn)地質(zhì)勘測(cè)從定性逐步向定量發(fā)展。

1.2.3 電磁勘測(cè)法

這種方法主要包括利用天然磁場(chǎng)源的電磁測(cè)探（即MT 法）以及人工場(chǎng)磁場(chǎng)源的連續(xù)電磁波勘探（即EM 法）兩種，與其他幾種方法相比有著明顯的優(yōu)越性，因而得以在水利水電工程建設(shè)中備受青睞。具體而言，這種方法可以實(shí)現(xiàn)采用人工和天然的兩種場(chǎng)源、多場(chǎng)源，二維與三維電阻率成像技術(shù)，并采用可控源的音頻大地電磁法等技術(shù)在水利水電工程勘探中具有重要的作用，諸如對(duì)深埋長(zhǎng)隧洞圍巖介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、其中的隱伏斷層、破碎層和異常區(qū)等影響工程的消極因素的檢測(cè)具有明顯的工程和經(jīng)濟(jì)效益。

1.2.4 電法勘測(cè)法

這一方法實(shí)際上是一種對(duì)電阻率法、充電法、激發(fā)極化法、自然電場(chǎng)法和電磁感應(yīng)法的統(tǒng)稱。其中，電阻率法在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用較為普遍。近年來(lái)，高密度電法勘探得到迅速發(fā)展，并在數(shù)據(jù)采集及成像方式等方面表現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢(shì)，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)快速采集，及時(shí)處理測(cè)量結(jié)果等等，而實(shí)質(zhì)上其仍舊屬于電阻率法的范疇之內(nèi)。

1.2.5 地球物理測(cè)井法

這種方法是隨著數(shù)值模擬方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，并逐步應(yīng)用于水利水電工程建設(shè)中。而且，鉆孔彩色電視的可適范圍從之前的90mm鉆孔逐步發(fā)展到50mm鉆孔。不僅如此，地球物理測(cè)井法對(duì)圖像的采集、壓縮和存儲(chǔ)均實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化后的效果，使圖像的后期制作及處理工作成為可能。

2 地球物理勘探在水利水電工程中的應(yīng)用及效果

結(jié)合近年來(lái)地球物理勘探在水利水電工程中的應(yīng)用所取得的地質(zhì)效果，介紹以下黃河沙坡頭水利樞紐工程的壩基巖體灌漿效果。

2.1 工程概況

黃河沙坡頭水利樞紐位于黃河干流上，南依香山山脈北麓，北鄰騰格里沙漠南緣，東北部為衛(wèi)寧盆地。該樞紐是一項(xiàng)以灌溉、發(fā)電為主的綜合利用工程，主要由主壩和副壩兩部分組成。其中主壩壩基地層受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，巖體中隱微裂隙發(fā)育，多呈鱗片狀?？値?kù)容0.26億m?，總裝機(jī)容量11.6萬(wàn) kW，灌溉面積8.95萬(wàn)h㎡。

2.2 地球物理勘探技術(shù)的應(yīng)用及效果

樞紐針對(duì)以上情況采取聲波測(cè)井和地震波CT技術(shù)來(lái)改善。

2.2.1 聲波測(cè)井法的應(yīng)用效果

聲波測(cè)井是以巖土體的彈性特征為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)定巖土體的聲波傳播速度及其它聲學(xué)特點(diǎn)如聲波傳播幅度、頻率及衰減等的不同，達(dá)到研究地層特性的目的。實(shí)測(cè)工作在鉆孔內(nèi)進(jìn)行，且由下而上逐點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)間距0.2 m。聲波測(cè)井流程為Ⅰ序（選擇G2、G4孔）、Ⅱ序（選擇G6、G8孔）、Ⅲ序（G9、G10孔）灌漿孔的灌前測(cè)試和灌后及J1檢查孔測(cè)試。

綜合分析灌漿孔及檢查孔聲波檢測(cè)成果可知，每序孔灌后波速與灌前波速相比均有提高。平均提高率為11.5%～25.7%，最大提高率達(dá)52%。J1檢查孔測(cè)試結(jié)果與其較近的G9、G10孔相比，整體波速提高也較明顯。

2.2.3 地震波CT技術(shù)的應(yīng)用效果

地震波CT技術(shù)是以巖土體的彈性特征為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)定孔間巖土體的地震波傳播速度，進(jìn)行地震波CT成像分析，達(dá)到對(duì)孔間巖土體的研究和評(píng)價(jià)之目的。

壩址右壩肩巖體灌漿區(qū)地震波CT測(cè)試是在W1和W2鉆孔中進(jìn)行的。每次序CT剖面測(cè)試時(shí)，首先在W1孔0.0～24.0 m激發(fā)，在W2孔0.0～20.0 m段接收，然后互換在W2孔0.0～24.0 m激發(fā)，在W1孔0.0～20.0 m段接收。激發(fā)震源為雷管，激發(fā)間距為1.0 m，接收道間距2.0 m。 W1～W2鉆孔間巖體地震波CT測(cè)試流程為Ⅰ序孔灌前、Ⅱ序孔灌后（齡期15 d）、Ⅲ序孔灌后（齡期18 d）波速對(duì)穿測(cè)試。在外業(yè)實(shí)測(cè)的地震波CT原始記錄上，讀取每一炮點(diǎn)的每一接收道的直達(dá)波初至?xí)r間。應(yīng)用“WYS97工程CT軟件”進(jìn)行處理，從而獲得W1～W2間每一成像單元的波速值，然后利用SURFER等值線處理軟件，繪制出Ⅰ序孔灌前、Ⅱ序、Ⅲ序孔灌后W1～W2間波速等值線圖。處理時(shí)，采用直射線聯(lián)合迭代法，巖體空間成像網(wǎng)格單元?jiǎng)澐譃?.5 m×0.5 m，迭代次數(shù)一般為15～20次，計(jì)算殘差小于3.0。

結(jié)合W1～W2鉆孔間巖體地質(zhì)情況，分析Ⅰ序孔灌前W1～W2鉆孔間巖體波速等值線分布規(guī)律可知，巖體的波速及其等值線形狀主要由巖性和巖層傾向控制?？咨钚∮?.0 m，巖性主要是泥巖和頁(yè)巖，其巖體平均波速值較低，其值為1 560 m/s；孔深大于3.0 m，巖性主要為砂巖夾頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖等，其巖體平均波速值均相對(duì)較高，其值為2 230～2 820 m/s。波速大于2 600 m/s的封閉等值線形狀主要是由W1孔向W2孔傾斜分布，與巖性及巖層傾向基本一致。Ⅱ序孔灌后W1～W2鉆孔間巖體波速等值線與Ⅰ序孔灌前的分布規(guī)律基本一致，但波速等值線有“上抬”趨勢(shì)，且波速大于2 600 m/s的封閉等值線的傾斜度變緩?？咨钚∮?.0 m，巖體平均波速值為1 640 m/s；孔深大于3.0 m，巖體平均波速值為2 420～2 880 m/s。相對(duì)Ⅰ序孔灌前整體波速平均提高率為3.6%。Ⅲ序孔灌后W1～W2鉆孔間巖體波速值變化不大，相對(duì)Ⅰ序孔灌前整體波速平均提高率為4.0%，相對(duì)Ⅱ序孔灌后整體波速其平均提高率為0.4%。但W1～W2鉆孔間巖體波速等值線的分布規(guī)律，與Ⅰ序孔灌前和Ⅱ序孔灌后相比發(fā)生了改變，波速等值線的形狀由Ⅰ序孔灌前的傾斜分布變?yōu)榻綘罘植?，說(shuō)明Ⅲ序孔灌后巖體的整體強(qiáng)度得到改善。

結(jié) 語(yǔ)

地球物理勘測(cè)技術(shù)的發(fā)展使其在水利水電工程建設(shè)中發(fā)揮著日益舉足輕重的作用，這就要求技術(shù)人員及時(shí)完善相關(guān)知識(shí)和技能，降低地質(zhì)勘查的危險(xiǎn)系數(shù)，促進(jìn)地質(zhì)勘測(cè)質(zhì)量的提高。誠(chéng)然，地質(zhì)勘查所涉及的區(qū)域大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，相關(guān)部門(mén)應(yīng)充分考察相應(yīng)的地質(zhì)情況，總結(jié)系統(tǒng)完善的特點(diǎn)，從而能夠及時(shí)采取有針對(duì)性的方法，不斷提高地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完整性，為水利水電工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供良好的信息支撐。

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