工程物探方法在電力工程勘察中的應(yīng)用

王基文+李仁杰

摘要：由于巖石風(fēng)化程度在空間上發(fā)育的不均一性，而準(zhǔn)確的判斷巖石風(fēng)化程度，決定了其承載力的推薦、持力層的選擇，也進(jìn)一步影響了后續(xù)施工開挖及工程造價(jià)。本文結(jié)合莒南某電廠工程地質(zhì)條件，運(yùn)用波速試驗(yàn)、高密度電阻率法（直流電法）和地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試（電磁波法）等物探方法，較好地探明了廠址區(qū)上部覆蓋層、基巖風(fēng)化程度的整體分布范圍及軟弱巖土層的分布區(qū)域，并通過工程地質(zhì)調(diào)查及鉆探驗(yàn)證，證實(shí)了工程物探能快速、真實(shí)、準(zhǔn)確地反映工程場(chǎng)地地質(zhì)條件，以指導(dǎo)后期基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及基坑開挖。

關(guān)鍵詞：風(fēng)化程度；波速試驗(yàn)；高密度電阻率法；地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試；莒南電廠

1.引言：巖石風(fēng)化程度是風(fēng)化作用對(duì)巖體的破壞程度，如何評(píng)判巖石風(fēng)化程度，特別是覆蓋層以下的風(fēng)化程度成為電力工程勘測(cè)中的難點(diǎn)。而且準(zhǔn)確的判斷巖石風(fēng)化程度，決定了其承載力的推薦、持力層的選擇，也進(jìn)一步影響了后續(xù)施工開挖及工程造價(jià)。本文選取山東省臨沂市某電廠工程勘察區(qū)域具有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合鉆孔和工程地質(zhì)調(diào)查驗(yàn)證，探討了工程物探在巖石風(fēng)化程度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，通過波速試驗(yàn)、高密度電阻率法（直流電法）和地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試（電磁波法）對(duì)巖石風(fēng)化程度進(jìn)行論證，以確定廠址區(qū)風(fēng)化巖石的分布規(guī)律及工程性狀[1-2]。

2.工程概況

擬建廠址區(qū)位于山東省臨沂市，場(chǎng)地地貌成因類型為剝蝕低丘，原始地貌類型為斜坡地，局部有沖溝和水塘；目前場(chǎng)地內(nèi)覆蓋大量回填土，局部回填土層較厚。擬建廠址區(qū)場(chǎng)地土（巖）存在以下特征：

（1）地形高程較大，覆蓋層層底埋深變化大，填土分布范圍廣、厚度變化大，且基巖面起伏較大；

（2）擬建廠址區(qū)附近斷裂構(gòu)造較發(fā)育，距擬建廠址區(qū)小于1.0km的斷裂有三條，分別為：相邸-高閣莊斷裂最新活動(dòng)時(shí)代為第三紀(jì)晚期，距廠址區(qū)最近距離約0.6km；日照-膠南斷裂最新活動(dòng)時(shí)代為中更新世，距廠址區(qū)最近距離約0.8km；莒南斷裂最新活動(dòng)時(shí)期為中更新世中早期，該斷裂西段距廠址區(qū)最近距離均約0.6km。該斷裂構(gòu)造的發(fā)育不會(huì)影響擬建廠址區(qū)穩(wěn)定性，但裂隙構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)附近巖體會(huì)造成不同程度的擠壓破壞等，表現(xiàn)為裂隙發(fā)育、巖體較破碎等。

（3）局部沖溝分布，且沖溝上部已回填，無法確定原沖溝準(zhǔn)確位置及覆蓋層分布情況；

（4）下伏基巖以變粒巖為主，黑云斜長(zhǎng)變粒巖與白云鉀長(zhǎng)變粒巖兩種巖石共生，無統(tǒng)一分層界限，且同等風(fēng)化程度的上述巖石工程性質(zhì)相近；但同一層位黑云斜長(zhǎng)變粒巖風(fēng)化程度較白云鉀長(zhǎng)變粒巖強(qiáng)，導(dǎo)致基巖風(fēng)化程度不均一，風(fēng)化界面埋深變化大。

3.工程物探勘察

鑒于以上場(chǎng)地情況，本次勘測(cè)通過單孔波速試驗(yàn)、高密度電阻率法（直流電法）、地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試（電磁波法）等多種手段，結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查及鉆探，對(duì)場(chǎng)地土（巖）不均勻性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

3.1單孔波速試驗(yàn)

采用地面激振孔中接受的方式進(jìn)行，在距孔口1～2m處用重錘敲擊激發(fā)地震波。水平向敲擊，激發(fā)橫波；垂直向敲擊，激發(fā)縱波。三分量檢波器放入孔底，貼壁裝置使檢波器貼壁，按1m的間距自下而上接收地震信號(hào)，測(cè)量地震波在不同深度巖層中傳播的時(shí)間，通過分析處理軟件計(jì)算出各巖層的波速值進(jìn)而求取相關(guān)參數(shù)[3]。

3.2 高密度電阻率測(cè)試

高密度電法是以地下被探測(cè)目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間的電性差異為基礎(chǔ)，利用人工建立的穩(wěn)定地下直流電場(chǎng)，依據(jù)預(yù)先布置的若干道電極，靈活選定裝置排列方式進(jìn)行掃描觀測(cè)，研究地下大量豐富的空間電性特征，從而查明和研究有關(guān)地質(zhì)問題的一組直流電法勘探方法[4]。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試

地質(zhì)雷達(dá)是基于高頻電磁波理論，向地下介質(zhì)發(fā)射一定強(qiáng)度的高頻電磁脈沖，電磁脈沖遇到不同電性介質(zhì)的分界面時(shí)即產(chǎn)生反射或散射，地質(zhì)雷達(dá)接收并記錄這些信號(hào)，再通過進(jìn)一步的信號(hào)處理和解釋即可了解地下介質(zhì)的分布情況[5]。當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑—波形將隨所通過介質(zhì)的介電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，據(jù)接收到波的旅行時(shí)間、幅度、頻率與波形變化等特征，可以推斷目的物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及深度、形狀等。

4.廠址區(qū)巖石風(fēng)化程度發(fā)育規(guī)律分析

4.1 波速試驗(yàn)

本次共布置了4組單孔波速試驗(yàn)，以其中一條典型的剪切波束試驗(yàn)值（m/s）隨深度變化曲線為例，覆蓋層厚度為3m，可見該孔3.0～6.0m范圍內(nèi)巖石風(fēng)化程度較強(qiáng)烈、裂隙較發(fā)育，6.0～15.0m范圍內(nèi)地層波速試驗(yàn)值在500m/s左右，根據(jù)鉆孔資料，該段巖石呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)；15.0m以下，巖層風(fēng)化程度較穩(wěn)定，為強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)或中等風(fēng)化狀態(tài)的巖石。

4.2 高密度電阻率

本次勘測(cè)共布置高密度電法剖面測(cè)線6條，高密度極間距3.00～5.00m，電極60～90道，其中單條剖面長(zhǎng)度為270m或300m。

以3-3'剖面為例（圖4.2），在測(cè)線方向0～50 m處出現(xiàn)相對(duì)較低的低阻帶，視電阻率值一般小于120Ω.m，該層分布不均勻，覆蓋層局部很薄，推測(cè)為地下巖層風(fēng)化作用強(qiáng)烈引起的；在測(cè)線50～160m處，出現(xiàn)高阻帶，局部電阻率很高，說明基巖風(fēng)化相對(duì)弱一些；在測(cè)線165～185m處，為低阻異常，據(jù)前期資料，為原沖溝位置，是不均勻填充影響，導(dǎo)致電阻率降低，這些都與后期鉆孔對(duì)應(yīng)。

根據(jù)物探測(cè)量成果推斷，場(chǎng)地巖性較為復(fù)雜，上覆人工填土和殘坡積層厚度變化大，巖性為粉土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂，分布不均勻，視電阻率值一般小于100Ω.m，局部為30～50Ω.m。下伏巖層為太古界坪上組變粒巖和燕山晚期二長(zhǎng)斑巖侵入體，其中以變粒巖為主。下伏基巖視電阻率值一般大于100Ω.m，局部全風(fēng)化程度較強(qiáng)區(qū)域視電阻率值相對(duì)較低；電阻率反應(yīng)全風(fēng)化層中局部高阻區(qū)、強(qiáng)風(fēng)化巖層中局部低阻區(qū)，反應(yīng)為該區(qū)基巖風(fēng)化程度不均一，風(fēng)化界面埋深變化大。

4.3 地質(zhì)雷達(dá)

為獲得更為詳細(xì)的地質(zhì)資料，指導(dǎo)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及施工，結(jié)合高密度電法勘測(cè)成果和前期鉆探成果，對(duì)擬建場(chǎng)地進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，以詳細(xì)查明基礎(chǔ)范圍下部的巖石風(fēng)化程度。

本次勘測(cè)根據(jù)探測(cè)要求及場(chǎng)地條件和工作環(huán)境，采用反射波剖面法，本次共布設(shè)10條地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用瑞典MALA公司的RAMAC型地質(zhì)雷達(dá)及配套的RTA 50 MHz天線。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果推斷，上覆人工填土和殘坡積層厚度變化大，分布不均勻，該層和風(fēng)化基巖層在雷達(dá)上有比較清晰界面，工程性質(zhì)變化大。其中2-2、 4-4、9-9剖面覆蓋層較厚，深度可達(dá)到6.0m，局部更深，例如4-4剖面502#鉆孔附近松散區(qū)域達(dá)到14.0m，其他測(cè)線覆蓋層較薄?；敬_定了建筑場(chǎng)地覆蓋層變分布范圍；場(chǎng)地基巖裂隙發(fā)育程度，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈區(qū)域的分布。

以8-8'測(cè)線為例（圖4.3），自319～466#鉆孔孔位，東北向西南方向進(jìn)行探測(cè)，該測(cè)線表層0～4.0m比較松散，推測(cè)是人工填土；4.0～12.0m區(qū)域存在基巖破碎區(qū)，節(jié)理裂隙發(fā)育；8-8'測(cè)線基巖存在裂隙發(fā)育，如上圖所示。剖面未發(fā)現(xiàn)大型斷裂、破碎帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

4.4 綜合解釋

波速試驗(yàn)、高密度電阻率法（直流電法）和地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試（電磁波法）均能對(duì)巖石風(fēng)化程度進(jìn)行探查。綜合比較這幾種方法的優(yōu)劣，單孔波速試驗(yàn)精確度比較高，但探測(cè)范圍較小，僅可對(duì)該鉆孔周圍巖體風(fēng)化程度進(jìn)行判斷，是鉆孔判斷的對(duì)照；高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試探測(cè)范圍都比較大，也都比較直觀，但對(duì)于巖層風(fēng)化程度的評(píng)價(jià)，高密度電阻率法所測(cè)的電阻率值更能準(zhǔn)確的反應(yīng)巖石風(fēng)化的發(fā)育程度及分布區(qū)域，而地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試相對(duì)比較方便，對(duì)廠址區(qū)無金屬物質(zhì)干擾的情況下反應(yīng)巖石風(fēng)化程度的范圍更廣，多次反復(fù)探測(cè)可近視得到立體影像反應(yīng)。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查，擬建廠址區(qū)原始地貌存在數(shù)條沖溝、水塘等，現(xiàn)已全部回填，通過本工程一期勘測(cè)資料，大致確定沖溝的位置、走向等，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作進(jìn)行了優(yōu)化。另外對(duì)擬建主廠房區(qū)域已有巖石剖面的進(jìn)行了研究。圖中紅色邊框內(nèi)顏色較深的為黑云斜長(zhǎng)變粒巖，該巖石位于強(qiáng)風(fēng)化的白云鉀長(zhǎng)變粒巖中間，用手可掰斷；放入水中一天后軟化強(qiáng)烈，用手可碾成砂土狀?？梢姀?qiáng)風(fēng)化基巖內(nèi)部存在軟弱夾層。

根據(jù)鉆探結(jié)果，①素填土層厚0.40～16.10m，層底埋深0.40～16.10m，層底高程76.42～97.34m；場(chǎng)地內(nèi)覆蓋層厚度、層底埋深及層底高層變化均較大，鉆探成果顯示了全風(fēng)化變粒巖中存在強(qiáng)風(fēng)化碎塊層，強(qiáng)風(fēng)化地層中夾全風(fēng)化呈砂土狀巖層，局部區(qū)域全風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化界面不明顯，呈漸變性帶狀分布，說明周圍覆蓋層厚度變化、基巖面起伏等場(chǎng)地土（巖）不均勻性。

結(jié)論：通過波速試驗(yàn)、高密度電阻率法（直流電法）和地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試（電磁波法）的物探綜合勘察，較好地探明了廠址區(qū)上部覆蓋層、基巖風(fēng)化程度的整體分布范圍及軟弱巖土層的分布區(qū)域，通過工程地質(zhì)調(diào)查及鉆探驗(yàn)證，證實(shí)了工程物探在巖石風(fēng)化程度判斷的正確性，工程物探能快速、真實(shí)、準(zhǔn)確地反映工程場(chǎng)地地質(zhì)條件，以指導(dǎo)后期基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及基坑開挖，避免后期因不均勻地基、巖石風(fēng)化程度發(fā)育不均一等問題造成不均勻沉降、后期基坑超挖造成成本增加等問題[9]。

而且，工程物探方法可操作性高、方便快捷、勘察成本低，隨著工程物探在電力工程中廣泛應(yīng)用，今后可大大節(jié)省鉆探的工作量，并能準(zhǔn)確反映廠址區(qū)工程地質(zhì)條件。目前，物探技術(shù)也不斷更新，探測(cè)精度不斷提高，工程物探技術(shù)在今后的電力工程勘察中也將廣泛應(yīng)用，以起到縮短工期、減少工作量、降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]朱韜.探討工程物探在地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究. 2015.2. 3069-3070.

[2]張凌云，劉鴻福，李成友.高密度電法測(cè)量中接地電阻試驗(yàn)研究.勘探地球物理進(jìn)展[J].2010，33（3）：179～183.

[3] 王效明，羅永現(xiàn).工程物探在判斷巖石風(fēng)化程度中的應(yīng)用.華東建工勘察：2008.1（83）.

[4]蔣鳳. 綜合物探在塌陷區(qū)巖溶地基安全評(píng)價(jià)中應(yīng)用[J]. 地球. 2013.9. 130-131

[5]邢文寶.探地雷達(dá)技術(shù)在巖溶地質(zhì)勘探中的應(yīng)用[J]. 鐵道建筑技術(shù). 2006（4）.63-65.