淺層折射地震勘探在水利工程勘察中的應(yīng)用

康學(xué)新，姜　軍，孫寶喜

(1.密山市河務(wù)管理處，黑龍江 密山 158300；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

?

淺層折射地震勘探在水利工程勘察中的應(yīng)用

康學(xué)新1，姜軍1，孫寶喜2

(1.密山市河務(wù)管理處，黑龍江 密山 158300；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

摘要：為了對(duì)擬建奮斗水庫(kù)庫(kù)區(qū)進(jìn)行相關(guān)的工程地質(zhì)勘察，采用了淺層折射地震勘探方法，通過(guò)該方法的現(xiàn)場(chǎng)使用及后繼地震資料的解釋處理，表明：該方法野外操作簡(jiǎn)便，工作效率高，可節(jié)省大量的工程鉆探費(fèi)用；該方法資料解釋得出的地層層厚，通過(guò)與相關(guān)的鉆孔資料對(duì)比，基本吻合，較為精準(zhǔn)；該方法發(fā)現(xiàn)的低速帶與其它物探方法發(fā)現(xiàn)的異常相互比對(duì)，也基本一致。結(jié)論淺層折射地震勘探是一種高效快速、準(zhǔn)確可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的物探方法，在水利工程勘察領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，在眾多的工程勘察方法中值得采用。

關(guān)鍵詞：淺層折射地震勘探；折射波；低速帶；水利工程

0前言

地震勘探是通過(guò)觀測(cè)和研究人工激發(fā)的彈性波在巖石中的傳播規(guī)律來(lái)解決工程及環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的一種地球物理方法[1]。它是眾多地球物理方法中的一個(gè)重要分支。

根據(jù)震源激發(fā)出的振動(dòng)也稱(chēng)地震波向四周傳播的波形特征，地震勘探可分為3種基本方法。它們是反射波法、折射波法、透射波法(地震測(cè)井)，3種方法在陸地和海洋均可應(yīng)用[2]。

根據(jù)地震探測(cè)的深度不同，有中、深層地震勘探和淺層地震勘探之分。前者勘探深度達(dá)幾百米至幾公里(例如煤層及石油勘探)，后者探測(cè)深度由幾米至幾百米(例如工程及環(huán)境勘探)。

淺層折射波法，是利用人工激發(fā)的地震波在巖土界面上產(chǎn)生的折射現(xiàn)象，對(duì)淺部具有速度差異的地層或構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)的一種地震勘探方法，是目前工程地震勘探中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的方法。

淺層折射地震勘探在水文地質(zhì)及工程地質(zhì)調(diào)查中，特別在解決有關(guān)水利、水電工程地質(zhì)的問(wèn)題中，當(dāng)需要了解河床、水庫(kù)底的構(gòu)造時(shí)，應(yīng)用淺層折射地震勘察并結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)鉆探資料，往往會(huì)取得較理想的勘探效果。

實(shí)際工作中，淺層折射地震勘探主要用來(lái)劃分地層，根據(jù)測(cè)得的縱波波速的數(shù)值范圍，結(jié)合測(cè)線上的地質(zhì)鉆孔資料，就可以大致了解測(cè)線沿線的地下層位情況，結(jié)合其它物探方法，還可綜合測(cè)定構(gòu)造破碎帶的位置、傾向、寬度等相關(guān)參數(shù)。

黑龍江省穆棱市奮斗水庫(kù)壩址區(qū)勘察中采用了淺層折射地震勘探與高密度電阻率勘探相結(jié)合的綜合物探勘察方法，本文即以淺層折射波法地震震勘探在黑龍江省穆棱市奮斗水庫(kù)工程勘察中的應(yīng)用實(shí)例，來(lái)證明淺層折射地震勘探在水利工程勘察中的勘探效果。

1工作方法

淺層折射地震勘探采用的儀器設(shè)備主要包括地震檢波器、地震電纜和工程地震儀。地震檢波器是安置在地面、水中或井下以拾取大地振動(dòng)的地震波接收器；地震電纜起到把地震檢波器接收的大地振動(dòng)信號(hào)傳遞至工程地震儀的作用；工程地震儀則是在采集地震數(shù)據(jù)時(shí)，將檢波器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、顯示并記錄下來(lái)的專(zhuān)用儀器[3]。隨著相關(guān)電子科技的不斷發(fā)展，淺層折射勘探使用的儀器設(shè)備性能也不斷提升，地震檢波器的靈敏度有了很大進(jìn)步，精度越來(lái)越高，地震電纜在防水、防凍及耐用性方面有了很大的改進(jìn)，工程地震儀則集數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)存儲(chǔ)及簡(jiǎn)單的前期數(shù)據(jù)處理于一身，智能化程度越來(lái)越高，使用起來(lái)也越來(lái)越方便，而且工程地震儀的體積重量也越來(lái)越小了，這樣就更加便攜，在野外復(fù)雜的地形環(huán)境下，工作起來(lái)能減輕了不少負(fù)擔(dān)。更可喜的是，由于儀器設(shè)備及工作方法的不斷改進(jìn)，淺層折射地震勘探目前的工作效率更是大大提高，過(guò)去一天完成500 m的工作量都挺緊張，現(xiàn)在每天完成1～2 km已是常態(tài)。

淺層折射地震勘探中，要求采用能激發(fā)地震波的震源來(lái)產(chǎn)生高頻脈沖，以滿足勘探深度要求。野外作業(yè)中常采用爆炸震源、錘擊震源、落重震源等作為震源，爆炸震源一般使用的是雷管、炸藥，錘擊震源使用大錘、鐵板，落重震源則是采用專(zhuān)用的機(jī)械裝置將配套的重錘提升來(lái)砸擊地面。目前多使用激發(fā)能量較大的爆炸震源。

折射波法外業(yè)工作包括下列內(nèi)容：外業(yè)準(zhǔn)備工作、生產(chǎn)前的試驗(yàn)工作、測(cè)網(wǎng)測(cè)線布置、觀測(cè)系統(tǒng)的選擇、儀器參數(shù)的選定、地震波的激發(fā)與接收、速度參數(shù)的測(cè)定、資料的檢查與評(píng)價(jià)等[4]。

2資料解釋

淺層折射地震勘探資料的定量解釋方法采用常規(guī)t0差數(shù)時(shí)距曲線法和截距時(shí)間法。通過(guò)對(duì)地震資料數(shù)據(jù)文件進(jìn)行整理，讀取折射波傳播時(shí)間，繪制折射波時(shí)距曲線圖，采用常規(guī)t0差數(shù)時(shí)距曲線法和截距時(shí)間法計(jì)算，獲得地下地震縱波速度及相應(yīng)層厚度。當(dāng)基巖相對(duì)同一層中出現(xiàn)縱波波速相對(duì)較低的部位，解釋為低速帶。出現(xiàn)低速帶可能是由于巖體不完整(局部風(fēng)化強(qiáng)烈、節(jié)理裂隙發(fā)育、巖石破碎等)或含水等原因造成的。低速帶與其它物探方法發(fā)現(xiàn)的異常相互對(duì)照，如位置吻合則可定為構(gòu)造破碎帶。

3工程實(shí)例分析

奮斗水庫(kù)行政區(qū)劃隸屬于黑龍江省穆棱市，位于穆棱市的西南，穆棱河上游，距穆棱鎮(zhèn)的東南13km，壩址控制面積1740 km2。是穆棱河干流上規(guī)劃推薦的主要控制性蓄水工程。該水庫(kù)是一座以城鎮(zhèn)供水為主，兼顧灌溉、防洪、生態(tài)環(huán)境、用水和發(fā)電的大型水利樞紐工程[5]。

根據(jù)2010年由黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院編制的《黑龍江省穆棱市奮斗水庫(kù)項(xiàng)目建議書(shū)》，水庫(kù)校核洪水位為387.30m，總庫(kù)容為2.12×108m3，正常蓄水位382.0m，相應(yīng)庫(kù)容1.47×108m3，主要包括攔河壩、溢洪道、輸水洞和電站廠房等。

本次勘察工作采用淺層折射地震勘探解決探測(cè)相應(yīng)測(cè)線覆蓋層厚度、基巖埋深的問(wèn)題，并依據(jù)淺層折射地震勘探發(fā)現(xiàn)的低速帶結(jié)合高密度電法發(fā)現(xiàn)的低阻帶，通過(guò)綜合分析，來(lái)確定構(gòu)造破碎帶的位置及相關(guān)參數(shù)。

本次工作在奮斗水庫(kù)上壩址上壩、上壩址中壩共布置12條物探測(cè)線，：A-A′線(上壩址上壩壩軸線)、B-B′線(上壩址上壩導(dǎo)流隧洞軸線)、C-C′線(上壩址上壩溢洪道軸線)、D-D′線(上壩址上壩引水段及廠房軸線)、E-E′線(上壩址上壩溢流壩軸線)、F-F′線(上壩址上壩隧洞軸線)、G-G′線(上壩址中壩壩軸線)、H-H′線(上壩址中壩上游輔助線)、I-I′線(上壩址中壩下游輔助線)、J-J′線(上壩址中壩引水壩段軸線)、K-K′線(上壩址中壩溢流壩段軸線)、L-L′線(上壩址中壩引水隧洞軸線)。首先在12條測(cè)線進(jìn)行淺層折射地震勘探(測(cè)點(diǎn)距5m)，然后在12條測(cè)線進(jìn)行高密度電阻率勘探(測(cè)點(diǎn)距5m)。

本次物探工作完成的12條測(cè)線具體位置詳見(jiàn)圖1。

圖1　奮斗水庫(kù)壩址區(qū)工程物探解釋平面圖

由于篇幅所限，本文僅以上壩址中壩引水隧洞軸線的地震勘探解釋結(jié)果為例進(jìn)行說(shuō)明。

經(jīng)過(guò)對(duì)地震原始數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算及繪圖等程序，可對(duì)上壩址中壩引水隧洞軸線(L—L’)分析如下：

第一層：縱波波速在480～690m/s，解釋主要巖性為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。該層厚度在0.5～7.2m。

第二層：縱波波速在2100～2800m/s，解釋巖性為弱風(fēng)化花崗巖，厚度在30.7～36.6m。

第三層：縱波波速在3800～4600m/s，解釋巖性為微風(fēng)化～新鮮花崗巖。

通過(guò)地震勘探解釋有一條低速帶，位于距測(cè)線起點(diǎn)(L點(diǎn))302m附近，縱波波速為2000m/s。

圖2為L(zhǎng)—L’線的高密度電法斷面，從高密度電法反演結(jié)果可知，整條測(cè)線介質(zhì)不均勻，距測(cè)線起點(diǎn)(L點(diǎn))302m處有一明顯帶狀低阻異常，寬約20m，傾向小號(hào)點(diǎn)，推測(cè)為構(gòu)造破碎帶。

圖2上壩址中壩引水隧洞軸線高密度電法斷面

通過(guò)淺層折射地震地震勘探發(fā)現(xiàn)的低速帶與高密度電法勘探發(fā)現(xiàn)的低阻帶綜合分析對(duì)比，最終解釋1條構(gòu)造破碎帶Lf1。位于水平距離302m附近，縱波波速為2000m/s，寬約為20m，傾向小號(hào)點(diǎn)。

最后，根據(jù)淺層折射地震勘探資料解釋出的波速及相應(yīng)層厚度數(shù)據(jù)，并結(jié)合L線上的地質(zhì)鉆孔資料(淺層折射地震勘探解釋層厚與鉆孔資料較為吻合)，繪制L線的地震剖面圖見(jiàn)圖3。

圖3上壩址中壩引水隧洞軸線淺層折射地震勘探剖面圖

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)淺層折射地震勘探在黑龍江省穆棱市奮斗水庫(kù)工程勘察中的實(shí)際應(yīng)用效果，可以看出，該方法野外操作簡(jiǎn)單便捷，后期的資料處理也比較成熟可信，在與其它物探方法的對(duì)比分析中也體現(xiàn)了較高的精度，不失為一種成效顯著的物探方法，在未來(lái)水利工程勘察中，淺層折射地震勘探應(yīng)該占有一席之地，值得加以推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧一謙，雷宛.工程與環(huán)境物探[M].成都：成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，2003：125-134.

[2]單娜琳，程志平，劉云禎.工程地震勘探[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006：1-4.

[3]長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院水文物探編寫(xiě)組.水文地質(zhì)工程地質(zhì)物探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1981：170-227.

[4]中國(guó)水利電力物探技術(shù)信息網(wǎng)，工程物探手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011：247-281.

[5]黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省穆棱市奮斗水庫(kù)工程物探報(bào)告[R].哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2012.

中圖分類(lèi)號(hào)：P631.4；TV221

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

[作者簡(jiǎn)介]康學(xué)新(1966-)，女，黑龍江密山人，助理工程師；姜軍(1977-)，男，黑龍江密山人，工程師；孫寶嘉(1965-)，男，山東萊陽(yáng)人，高級(jí)工程師。

[收稿日期]2016-02-05

文章編號(hào)：1007-7596(2016)03-0114-03