水域物探在閩江下游龍城段引水工程勘察中的應(yīng)用

陳 塵

水域物探在閩江下游龍城段引水工程勘察中的應(yīng)用

陳 塵

(福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

閩江下游龍城段引水工程過江輸水管道，擬采用巖石頂管技術(shù)施工。該工程地質(zhì)勘察采用水域物探和常規(guī)地質(zhì)鉆探相結(jié)合方法，對(duì)施工場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)地形作出準(zhǔn)確詳實(shí)的評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)部門選擇最優(yōu)管道線路提供詳實(shí)可靠的地質(zhì)條件保障。

過江管道；地質(zhì)鉆探；水域物探；巖石頂管技術(shù)

1 工程概述

近年來(lái)閩江下游段由于河床下切、入海流量減少等原因，福州城區(qū)水廠取水口河水受咸潮上溯氯離子超標(biāo)、海水漲潮頂托廢污水回流污染等影響，水質(zhì)日趨惡化，對(duì)福州城區(qū)供水造成嚴(yán)重影響。在開展閩江下游河道綜合整治，合理開發(fā)利用大樟溪流域水資源，有效化解閩江下游現(xiàn)有福州城區(qū)各水廠取水口河水水質(zhì)偏差問題的基礎(chǔ)上，建設(shè)北水南調(diào)平潭及閩江口水資源配置工程十分緊迫。

平潭及閩江口引水工程(福州段)是福建省北水南調(diào)平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程的重要組成部分，該工程計(jì)劃從大樟溪莒口攔河閘上游取水，中途從閩江干流竹岐取水口調(diào)水補(bǔ)充，引水往平潭、福清、長(zhǎng)樂、福州南港片等地，工程主要涉及閩江下游段、閩江下游重要支流大樟溪、龍江以及平潭島等區(qū)域。

平潭及閩江口引水工程設(shè)計(jì)的前期工作(地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)部分)由我公司負(fù)責(zé)。該工程地質(zhì)勘察點(diǎn)位于尚干綜合農(nóng)場(chǎng)山龍鞋廠附近， 往東北方向穿越烏龍江接入城門水廠， 總長(zhǎng)3.837km ，其中閩江烏龍江段河道龍祥島至城門水廠(以下簡(jiǎn)稱龍城段) 的過江管道，長(zhǎng)約1.149km是勘察工作中重難點(diǎn)部分。在勘探施工中沿龍城段原擬輸水管道線共布置勘探鉆孔7個(gè)，揭示出地層如下：淤泥、中砂、卵石、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖和弱風(fēng)化凝灰熔巖，如圖1所示。

圖1 原擬建管道工程地質(zhì)縱斷面圖

根據(jù)圖1，結(jié)合鉆孔內(nèi)采取巖石樣本，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)巖石實(shí)驗(yàn)得知，原擬建管道于樁號(hào)HM4+828.5～HM5+488.5段(龍城段)約660m需穿越凝灰熔巖及其風(fēng)化層，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為60MPa～90MPa，屬于工程堅(jiān)硬巖類，不適合采用常規(guī)管道施工技術(shù)。根據(jù)龍城段輸水管道沿線地形地質(zhì)條件，加以從安全穩(wěn)定、使用壽命和后期維護(hù)等方面因素綜合考慮，設(shè)計(jì)部門擬推薦采用巖石頂管技術(shù)進(jìn)行施工。頂管主要穿越地層為粉質(zhì)粘土、淤泥、中砂以及各種風(fēng)化的巖石，地層較為復(fù)雜且起伏較大。為減少施工對(duì)地層擾動(dòng)，保證開挖面不發(fā)生坍塌與沉降，擬采用泥水加壓平衡模式進(jìn)行頂管施工[1]。經(jīng)初步測(cè)算，巖石頂管技術(shù)施工造價(jià)約2.7萬(wàn)元/m，是常規(guī)頂管施工的2.2倍，開挖沉管施工的3倍。由于巖石頂管技術(shù)施工難度大、造價(jià)高，故要求線路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔精準(zhǔn)。

為此，設(shè)計(jì)部門要求我公司采用相應(yīng)的勘察技術(shù)，對(duì)擬建線路烏龍江龍城段的上游和下游方向200m內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行初步勘察，探明該場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)巖土分布情況，為設(shè)計(jì)部門選擇經(jīng)濟(jì)、合理的最優(yōu)輸水線路提供詳實(shí)工程地質(zhì)資料。

2 常規(guī)工程地質(zhì)鉆探

根據(jù)巖土勘察規(guī)范及前期踏勘資料,按常規(guī)工程地質(zhì)鉆探要求，應(yīng)在原擬建管道線路的上下游每隔50m橫向設(shè)置勘探線8條，每條線路上布置勘探鉆孔6個(gè)，勘探孔間距150m，共布置48個(gè)勘探鉆孔。如此則面臨以下4點(diǎn)問題：

(1)常規(guī)工程地質(zhì)鉆探依靠收集各個(gè)鉆孔資料來(lái)推測(cè)地下地質(zhì)條件，無(wú)法詳實(shí)反映河床底弱風(fēng)化基巖埋藏情況。

(2)初步預(yù)算鉆探工程費(fèi)用約45萬(wàn)元。

(3)擬安排鉆機(jī)工作船進(jìn)行江上作業(yè)，但施工場(chǎng)地位于閩江下游烏龍江段主航道上，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)進(jìn)行鉆探施工，工期長(zhǎng)難以預(yù)估。

(4)施工場(chǎng)地受潮汐影響明顯，導(dǎo)致勘探點(diǎn)測(cè)量放樣、鉆探深度、精度誤差都較大。

由于存在工程費(fèi)用高、工期長(zhǎng)、精度低等問題，本段地質(zhì)勘察不適合采用常規(guī)工程地質(zhì)鉆探方法。經(jīng)研究擬采用工程物探與常規(guī)鉆探相結(jié)合方法進(jìn)行該段工程地質(zhì)勘察，其中采用水域物探方法進(jìn)行勘察工期7d，工程費(fèi)用15.6萬(wàn)元。

3 水域工程物探

3.1 水域物探勘察工作基本原理及優(yōu)點(diǎn)

本次水域物探勘察工作系采用水域走航式地震反射波方法。接收采用24道漂浮電纜，道間距1m，震源采用氣動(dòng)機(jī)械聲波連續(xù)沖擊震源，CAP多次覆蓋疊加技術(shù)。

多道多次覆蓋CAP疊加技術(shù)在地震反射波勘探技術(shù)中具有里程碑的意義。多次覆蓋技術(shù)又稱之為水平多次疊加，又稱為共反射點(diǎn)(CAP)疊加。多次覆蓋，即是將不同激震點(diǎn)、不同接收點(diǎn)上接收的來(lái)自相同反射點(diǎn)的地震反射信號(hào)，經(jīng)過幾何地震學(xué)校正后疊加起來(lái)，得到同一個(gè)反射點(diǎn)的疊加值。

覆蓋次數(shù)取決于每次激震時(shí)接收點(diǎn)的數(shù)量和激震點(diǎn)間距，對(duì)于單邊激震而言，覆蓋次數(shù)n由下式確定：

覆蓋次數(shù)用n=N/2A進(jìn)行計(jì)算，式中N—采集記錄地震道數(shù)，A—激發(fā)炮點(diǎn)間距。

多道采集技術(shù)中，CAP點(diǎn)間距主要與道間距有關(guān)，當(dāng)采用道間距1m的電纜，24道采集，船速為1m/s，CAP覆蓋次數(shù)為可達(dá)12次，CAP間隔也可達(dá)到0.5m；當(dāng)采用道間距0.5m的電纜時(shí)，CAP 間隔可達(dá)到0.25m，可滿足該工程對(duì)風(fēng)化殘留體探測(cè)的要求。CAP道集是由不同偏移距的若干炮檢記錄對(duì)在同一共深度反射點(diǎn)的記錄組成的，在時(shí)間與偏移距坐標(biāo)系收集的所有記錄，其水平反射界面的時(shí)距曲線為一條雙曲線形態(tài)。利用疊加速度或偏移距與時(shí)間的關(guān)系，將反射波到達(dá)時(shí)間排列成直線，并累加產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的記錄，它的信噪比要高于所有原始記錄。

水域走航式地震反射波方法由于工作船的航速受發(fā)動(dòng)機(jī)馬力、海水流速、漲落潮、風(fēng)向、駕駛技術(shù)等影響，不可能保持恒定的速度，實(shí)際作業(yè)中基本上為1.2m/s～1.4m/s之間。震源激發(fā)點(diǎn)距取決于船速和震源船沖擊間隔時(shí)間，震源船沖擊間隔時(shí)間保持1s，炮點(diǎn)距在1.2m～1.5m之間，不同測(cè)線或同一測(cè)線不同里程段炮點(diǎn)距有所不同。因此該工程采用準(zhǔn)CAP疊加方法，即抽取小面元的來(lái)自不同激震點(diǎn)、不同接收點(diǎn)上接收的反射地震信號(hào)進(jìn)行疊加。

多道多次覆蓋CAP疊加技術(shù)水域地震反射波勘探是該工程的關(guān)鍵方法技術(shù)。與單道地震對(duì)比，多次CAP覆蓋的具有以下6個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：

圖2 水域地震反射波法物探勘察成果解釋剖面圖

(1)使有效信號(hào)得到增強(qiáng)。

(2)提高橫向分辨率。

(3)對(duì)多次波和噪聲信號(hào)擬制或有效消除。

(4)從地震反射波在界面處的反射能量分配看，不同偏移距其反射系數(shù)不一樣，較淺地層要用較小的偏移距，較深的地層要用相對(duì)大的偏移距。單道地震采用同一偏移距不能確定并同時(shí)清楚反映從上到下不同深度的地層信息。多道采集則很好地克服此不足。

(5)可提取靜校正數(shù)據(jù)。

(6)反射界面能夠偏移歸位到其客觀的空間位置。

3.2 資料處理及成果解釋

3.2.1 水域地震反射波法資料處理

水域地震反射波方法數(shù)據(jù)處理和成圖解釋流程如下：

(1)數(shù)據(jù)處理：解編→動(dòng)平衡記錄時(shí)間補(bǔ)償→壞道剔除→頻譜分析→濾波→速度分析→抽道集→噪音處理→反褶積→濾波→動(dòng)校正→CAP迭加→多次波消除→偏移→深度衰減補(bǔ)償→長(zhǎng)PCX文件制作→繪制彩色反射波時(shí)間剖面圖；

(2)計(jì)算各地震道坐標(biāo)、距離：航跡歸一→地震道號(hào)與坐標(biāo)對(duì)應(yīng)點(diǎn)輸入→計(jì)算各道坐標(biāo)、各道坐標(biāo)投影道隧洞軸線或設(shè)計(jì)線上→計(jì)算偏離軸線距離→插值計(jì)算每個(gè)CAP點(diǎn)的里程樁號(hào)、偏離距[2]；

(3)考慮海水高程變化，按疊加速度計(jì)算各CAP道的過江管線管頂、管底時(shí)間。

3.2.2 水域地震反射波法成果解釋

水域地震反射波法共測(cè)試了14條測(cè)線，從地震反射波疊加剖面上可以清楚地分出3個(gè)界面，其中T1同相軸為水底界面；T2同相軸為細(xì)砂界面，波形特征為海相沉積層中同相軸較多，有同相軸尖滅現(xiàn)象，風(fēng)化層中同相軸較少；T3同相軸為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖頂界面，測(cè)區(qū)碎塊狀強(qiáng)分基巖有凸起[3]。具體各層分層,如圖2所示。

4 形成結(jié)果

上述“水域走航地震反射波法物探勘察成果解釋剖面圖”，經(jīng)分析、整合處理，最后綜合形成“龍城段水域物探三維圖”，如圖3所示。根據(jù)圖3顯示的地質(zhì)地形狀況，選出最優(yōu)管道線路(新擬建管道線路)。在新擬建管道線路上布設(shè)勘探鉆孔進(jìn)行常規(guī)地質(zhì)鉆探后，繪制出“新擬建管道工程地質(zhì)縱斷面圖”，如圖4所示。

將圖4和圖3進(jìn)行對(duì)比分析，兩圖所顯示的地質(zhì)狀況基本吻合，經(jīng)測(cè)算新擬輸水管道穿越弱風(fēng)化凝灰熔巖長(zhǎng)度僅需287m，較原擬建管道少穿越巖石373m。上述地質(zhì)勘察說明新擬建管道完全滿足設(shè)計(jì)和施工要求。

圖3 龍城段水域物探三維圖

5 結(jié)語(yǔ)

上述勘察工作顯示，水域走航式地震反射波法物探勘察技術(shù)，具有高效快捷、精度準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其獲得的數(shù)據(jù)、圖像經(jīng)分析整合形成的物探三維圖，地形立體感強(qiáng)、圖像直觀[4]。該物探法作用于施工場(chǎng)區(qū)面積較大范圍的復(fù)雜水域地質(zhì)地形初勘效果良好。

在物探勘察基礎(chǔ)上，結(jié)合定點(diǎn)、定線作常規(guī)地質(zhì)鉆探勘察，再進(jìn)行對(duì)比綜合分析，地質(zhì)勘察工作顯然能收到節(jié)省工期、節(jié)約成本、提高精度的效果；同時(shí)能夠?qū)κ┕?chǎng)區(qū)的地質(zhì)地形作出正確評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)部門提供詳實(shí)可靠的地質(zhì)條件保障。

[1] 福建省平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程可行性研究報(bào)告[R].2015(6).

[2] 李紅娜,邵陽(yáng).海底盾構(gòu)隧道前方障礙物探測(cè)[J].建筑機(jī)械化,2012(S2):143-146.

[3] 劉宏岳.水域淺層地震反射波勘探數(shù)據(jù)處理及工程實(shí)例[Z].2008(3).

[4] 王海慶,徐明.抗干擾高分辨率淺層地震勘探[J].北京：地質(zhì)出版社,1990.

Application of geophysical prospecting in water area to geotechnical investigation which in the Long Cheng part of Min Jiang river downstream

CHENChen

(Fuzhou cityconstruction Design and Reseach institute Co.Ltd.，F(xiàn)uzhou 350001)

The crossing river pipes for the Water Transfer Project in the Long Cheng part of Min Jiang river downstream,are planned to be constructed with rock pipe jacking technique.In this project,the geological exploration is done by geophysical prospecting in water area together with geological drilling technique,to give an accurate and comprehensive assessment of the topographical and geological condition in construction area,and also to provide full and accurate guarantee of the geological condition,on which the ultimate pipe line route picked by design department will base.

The crossing river pipes;Geological drilling technique; Geophysical prospecting in water area; Rock pipe jacking technique

陳塵(1984.3- ),男，工程師。

E-mail:25523969@qq.com

2017-01-05

TU195

A

1004-6135(2017)04-0109-04