水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)新方法的應(yīng)用與展望

【摘要】水利水電工程建設(shè)是我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)建設(shè)的重要內(nèi)容，地質(zhì)勘測(cè)又是水利水電工程的重要環(huán)節(jié)。本文首先對(duì)工程地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析和介紹，然后結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用研究了GPS系統(tǒng)、遙感（RS）技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)（GIS）等3S技術(shù)地質(zhì)勘測(cè)新方法的應(yīng)用以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】水利水電工程；地質(zhì)勘測(cè)；勘測(cè)技術(shù)

一、引言

隨著我國(guó)水利水電工程的快速建設(shè)，地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展。同時(shí)，工程建設(shè)項(xiàng)目也對(duì)工程地質(zhì)勘測(cè)提出了更高的要求。主要包括勘探深度的加大、勘探分辨率（精度）要求的提高，因此，許多傳統(tǒng)的地球物理方法及技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足工程需要。為此，選擇合適的勘測(cè)方法并分析總結(jié)各種工程地質(zhì)勘測(cè)方法及其最新的發(fā)展，這對(duì)工程地質(zhì)勘測(cè)及水利水電工程建設(shè)具有重要意義。近年來(lái)，地學(xué)等基礎(chǔ)理論學(xué)科的發(fā)展，極大地推動(dòng)了我國(guó)水利水電工程勘測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展。本文結(jié)合水利水電工程分析了工程地質(zhì)勘探的3S技術(shù)新方法，重點(diǎn)研究了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)（GIS）新技術(shù)方法及其應(yīng)用，并分別從各個(gè)技術(shù)方向角度對(duì)水利水電工程的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

二、工程地質(zhì)勘探技術(shù)

工程地質(zhì)勘探主要包括山地勘探、鉆探、物探等三種方法，以工程地質(zhì)測(cè)繪為基礎(chǔ)，進(jìn)一步查明地表以下工程問(wèn)題和取得深部地質(zhì)資料。

1．山地勘探。山地勘探是指采用人工或機(jī)械進(jìn)行剝土，或開(kāi)挖探坑、探槽、探井或平硐等揭示地表淺層地質(zhì)情況的勘探手段，可直接進(jìn)行試驗(yàn)、取樣和觀察地質(zhì)現(xiàn)象。平硐和豎井（或大徑鉆井）勘探，是山地勘探工作中的重要組成部分。由于使用的工具和技術(shù)要求相對(duì)簡(jiǎn)單，故在進(jìn)行地表淺層地質(zhì)勘察時(shí)運(yùn)用較多，正因如此，山地勘探的缺點(diǎn)是勘探深度有限。

2．鉆探。多年來(lái)，鉆探在工程勘察中發(fā)揮了重大作用，得到了廣泛應(yīng)用，為提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、縮短勘察周期、保證勘察成果質(zhì)量做出了很大的貢獻(xiàn)，并處于不斷開(kāi)發(fā)與研究新技術(shù)、新方法的過(guò)程中。

20世紀(jì)70年代的金剛石鉆進(jìn)技術(shù)在我國(guó)工程勘探中的應(yīng)用，鉆探效率成倍增長(zhǎng)，巖心采取率普遍達(dá)到90％以上。這徹底改變了鋼粒鉆進(jìn)和硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的技術(shù)落后狀況。因此，金剛石鉆頭基本取代了鋼粒或硬質(zhì)合金鉆頭。砂卵石層、軟弱夾層、破碎帶等特殊層位的鉆進(jìn)取樣技術(shù)的發(fā)展。砂卵石鉆進(jìn)和取樣一直是水利水電工程鉆探的一大技術(shù)難題，在“六五”科技攻關(guān)中，加強(qiáng)對(duì)深厚砂卵石層鉆進(jìn)和取樣技術(shù)的研究，近年來(lái)，研究成功的SM植物膠和MY-1A植物膠沖洗液金剛石鉆進(jìn)砂卵石層取樣新的技術(shù)，較好地解決了砂卵石層中鉆進(jìn)和取樣的難題，推廣較好，已產(chǎn)生了明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。金剛石繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)。在不提鉆的情況下通過(guò)用繩索將裝有巖芯的內(nèi)管直接從專(zhuān)用鉆桿內(nèi)提到地面采取巖芯，是一種先進(jìn)的鉆探工藝。實(shí)踐證明，該工藝大大減少了取芯過(guò)程中來(lái)回提鉆的工作量，較好地解決了在軟弱層等特殊地層鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的如塌孔、取芯質(zhì)量低等難題。其它一些鉆進(jìn)工藝的發(fā)展。如軟弱夾層的鉆進(jìn)技術(shù)、套鉆技術(shù)、大口徑鉆探技術(shù)等，這些技術(shù)經(jīng)多年應(yīng)用而取得的顯著社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，并逐步已納入有關(guān)的現(xiàn)行規(guī)范中。

3．工程物探。地球物理勘探（Geophysical Prospecting）簡(jiǎn)稱(chēng)物探，它是應(yīng)用觀測(cè)儀器測(cè)量被勘探區(qū)的地球物理場(chǎng)，通過(guò)對(duì)測(cè)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理和地質(zhì)解釋來(lái)推斷和發(fā)現(xiàn)地下可能存在的局部地質(zhì)體、地質(zhì)構(gòu)造的位置、埋深、大小及其屬性的科學(xué)。工程物探方法主要有以位場(chǎng)理論為基礎(chǔ)的重力場(chǎng)勘探、磁場(chǎng)勘探、直流電場(chǎng)勘探等，以及以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)的地震波勘探、電滋波勘探等。（1）重、磁位場(chǎng)勘探。相對(duì)于地震勘探而言，重、磁位場(chǎng)勘探是最古老的一種物探，其精度和可靠度較差。目前，一些高精度的重力儀、磁力儀的研制和應(yīng)用，重、磁位場(chǎng)勘探的精度也隨著有了很大程度的提高。同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和磁性矢量層析成像理論的研究和應(yīng)用，使重、磁位場(chǎng)勘探在上個(gè)世紀(jì)獲得了廣泛的發(fā)展應(yīng)用。微伽級(jí)重力儀將微重力測(cè)量用來(lái)勘探洞室和邊坡地質(zhì)體的變動(dòng)形態(tài)并監(jiān)測(cè)其穩(wěn)定性。（2）地震勘探。目前，地震勘探在水利水電工程領(lǐng)域發(fā)展較快。例如：利用彈性波縱波對(duì)三峽等大型水利水電工程的巖體質(zhì)量做定性評(píng)價(jià)，取得了顯著的工程和經(jīng)濟(jì)效益；由中鐵西南科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)研制的負(fù)視速度法和水平地震剖面法、由瑞士Amberg測(cè)量技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的TSP長(zhǎng)距離超前預(yù)報(bào)法、由美國(guó)NSA工程公司開(kāi)發(fā)研制的真正反射層析成像（TRT）超前預(yù)報(bào)技術(shù)等，較好地解決了利用反射波地震勘探進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)的難題。近年來(lái)，地震CT可利用鉆孔、隧道、邊坡、山體等多種觀測(cè)條件進(jìn)行二維、三維地質(zhì)成像，促進(jìn)了地質(zhì)勘測(cè)由定性向定量化的方向發(fā)展。（3）巖體彈性波測(cè)試技術(shù)。目前該項(xiàng)技術(shù)除一般的地震勘探測(cè)試以外主要還有以下幾種測(cè)試：聲波測(cè)井技術(shù)、壩基巖體質(zhì)量快速檢測(cè)系統(tǒng)、瞬態(tài)面波探測(cè)技術(shù)。（4）電磁勘探。主要包括人工場(chǎng)源的連續(xù)的電磁波勘探（EM法）和天然場(chǎng)源的電磁測(cè)探（MT法）。例如：可控源音頻大地電磁法、人工與天然兩種場(chǎng)源、多場(chǎng)源、二維和三維電阻率成像等技術(shù)，在水利水電工程中用來(lái)推測(cè)深埋長(zhǎng)隧洞圍巖介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征、隱伏斷層、破碎帶及異常區(qū)等可能影響工程的各種因素，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。（5）電法勘探。包括電阻率法、充電法和自然電場(chǎng)法、激發(fā)極化法、電磁感應(yīng)法等多種方法。又可分為穩(wěn)定電流場(chǎng)理論、交變流法理論兩大分支。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高密度電法勘探，引進(jìn)了地震勘探的數(shù)據(jù)采集辦法，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)采集，其測(cè)量結(jié)果可實(shí)時(shí)處理并顯示地電斷面或剖面圖，從傳統(tǒng)的一維勘探發(fā)展到二維勘探，此方法屬于電阻率法的范疇，在水利水電工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用較多。目前發(fā)展趨勢(shì)是單源與單點(diǎn)測(cè)量，向多源、多點(diǎn)、多線測(cè)量發(fā)展，從而發(fā)展了三維觀測(cè)技術(shù)。

三、地質(zhì)勘測(cè)新方法及其在水利水電工程中的應(yīng)用與展望

在水利水電工程建設(shè)當(dāng)中，會(huì)遇到和一般工程建設(shè)不同的問(wèn)題，以此也就要求引用更為先進(jìn)的地質(zhì)勘探新方法來(lái)彌補(bǔ)其中的不足。本文分別介紹了3S技術(shù)中全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）等4種新方法，并簡(jiǎn)單分析了它們的應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。3S技術(shù)是指全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等三大技術(shù)系統(tǒng)的集成與總稱(chēng)。遙感技術(shù)是3S技術(shù)的基礎(chǔ)，它提供主要的遙感信息源。GPS技術(shù)用于遙感信息的精確定位，GIS技術(shù)則為遙感信息的獲取提供輔助信息和專(zhuān)家思維，并對(duì)所提取的各種信息進(jìn)行管理和分析且具有制圖功能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)始在一些特大型、大型水利水電工程地質(zhì)勘察中采用3 S技術(shù)。例如，許多大型水利水電工程采用了3S技術(shù)并取得了豐碩成果。

1．GPS技術(shù)在水利工程地質(zhì)勘測(cè)中的應(yīng)用及展望。GPS在水利水電工程地質(zhì)勘察測(cè)量及定位控制的應(yīng)用越來(lái)月廣泛，它能較好地解決跨河、跨溝水準(zhǔn)在高程控制方面難以傳遞的問(wèn)題，以及通視條件較差、觀測(cè)條件受限、勘察區(qū)控制點(diǎn)較少或在山區(qū)、林區(qū)等區(qū)域大大減少作業(yè)時(shí)間，提高測(cè)量精度，進(jìn)行工程地質(zhì)勘察。工程地質(zhì)勘察通過(guò)GPS確定觀測(cè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。和普通測(cè)量手段不同，具有定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)便、可全天候觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，它不要求觀測(cè)站之間通視，并且可將其采集和儲(chǔ)存的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析與處理。

2．遙感（RS）在水利工程地質(zhì)勘測(cè)中的應(yīng)用及展望。遙感技術(shù)一般分為航天遙感、航空遙感和地面遙感共3大類(lèi)。遙感可以通過(guò)衛(wèi)星直接提供一定比例尺縮小的自然景觀綜合立體影像圖、航片以及陸地?cái)z影照片，能真實(shí)、集中地反映大范圍的地貌形態(tài)、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和滑坡、崩塌、泥石流、巖溶等外動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象。遙感技術(shù)是研究區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性必用的手段。因?yàn)檫b感圖像能提供大量宏觀的線性構(gòu)造信息，較好地反映區(qū)域地質(zhì)特征、水系分布特征和地貌形態(tài)。也可以對(duì)水庫(kù)區(qū)崩塌、滑坡、泥石流進(jìn)行調(diào)查。巖溶調(diào)查。利用遙感影像，特別是彩紅外影像在進(jìn)行巖溶及巖溶水文地質(zhì)調(diào)查方面有其特殊的優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐證明，清江招來(lái)河、高壩洲，黃河萬(wàn)家寨等工程曾利用彩紅外航片解譯來(lái)研究巖溶及巖溶滲漏問(wèn)題，都取到了良好的效果。巖土工程開(kāi)挖面地質(zhì)編錄。由長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)和完善的“高邊坡快速地質(zhì)編錄系統(tǒng)”，成功地應(yīng)用于長(zhǎng)江三峽永久船閘、瀾滄江小灣、清江水布埡等工程的巖質(zhì)高邊坡開(kāi)挖中的地質(zhì)編錄。

近年來(lái)，工程地質(zhì)勘測(cè)遙感技術(shù)的應(yīng)用的新動(dòng)向就是與GIS、GPS技術(shù)的綜合集成應(yīng)用。

3．地理信息系統(tǒng)（GIS）在水利工程地質(zhì)勘測(cè)中的應(yīng)用及展望。GIS技術(shù)能處理圖形、圖像、空間數(shù)據(jù)及相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理、空間分析等問(wèn)題，還能自動(dòng)制作平面圖、柱狀圖、剖面圖和等值線圖等工程地質(zhì)圖件。近幾年工程地質(zhì)勘察行業(yè)的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)就是將GIS技術(shù)應(yīng)用于工程地質(zhì)信息管理和制圖輸出。目前，由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)開(kāi)發(fā)研制的MAP2GIS是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多且比較成熟的專(zhuān)業(yè)軟件，是一種專(zhuān)業(yè)的地理信息系統(tǒng)軟件。

目前，我國(guó)水利水電行業(yè)工程地質(zhì)勘測(cè)方法正處于一個(gè)飛速發(fā)展的階段。我國(guó)水能資源的蘊(yùn)藏量居世界第一位，國(guó)家的電力建設(shè)方針也把重點(diǎn)放在水利水電上。隨著西北、西南大江大河的規(guī)劃開(kāi)發(fā)，無(wú)論在地形地質(zhì)條件或工程建筑的規(guī)模上都與過(guò)去有很大的不同。因此，對(duì)于工程地質(zhì)勘測(cè)的要求愈來(lái)愈高；對(duì)于某些常見(jiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題的評(píng)價(jià)，需要有更多的資料予以論證，并要求我們使水利水電工程地質(zhì)勘察工作由“定性分析”向“定量計(jì)算”方向發(fā)展，從定性、半定量的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)逐步發(fā)展到定量評(píng)價(jià)。需要我們重新認(rèn)識(shí)和審視目前我國(guó)水利水電工程的各種勘測(cè)手段及其應(yīng)用水平，大力推進(jìn)各種勘測(cè)方法的發(fā)展及其綜合應(yīng)用。一方面，一些傳統(tǒng)的勘測(cè)手段仍然起著不可替代的作用；另一方面，合理選擇水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)方法顯得重要。

四、總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，工程地質(zhì)勘測(cè)新方法將源源不斷的涌現(xiàn)出來(lái)，但目前國(guó)內(nèi)水利水電工程建設(shè)的工程地質(zhì)勘測(cè)還處于相對(duì)“落后”的階段，怎樣加強(qiáng)各種新技術(shù)方法的應(yīng)用成為當(dāng)前我國(guó)水利水電工程建設(shè)人員所需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

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