關鍵物探技術在吉林省水利水電工程中的應用

關鑲鋒，盧長偉，殷 成

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

水利水電系統(tǒng)物探工作始于1955年，在水利水電工程中，物探技術不斷進展，經(jīng)歷了從無到有，從小到大，從單一技術發(fā)展為綜合三維物探技術等。吉林省目前已擁有一支具有水利水電工程勘察特點人才隊伍和國際先進儀器設備。吉林水利物探人以市場為導向，立足東北三省，面向全國，本著“創(chuàng)新、求是、發(fā)展、升位”的理念，注重發(fā)揮水利物探自身技術優(yōu)勢，以優(yōu)質(zhì)高效服務，創(chuàng)新技術為驅(qū)動，足跡遍布吉林、遼寧、廣西、云南、貴州及新疆等地。以水利水電為龍頭，專業(yè)涵蓋國土、公路、鐵路、市政、工業(yè)與民用建筑、礦產(chǎn)、民航工程等各個領域。

近20年來，隨著吉林水利水電大型工程(哈達山水利樞紐、老龍口水電站樞紐、豐滿水電站樞紐和中部城市群引松供水工程等等)開展，高、長壩，超長隧洞，軟巖基礎和復雜基礎地區(qū)的地質(zhì)問題突出較多，對應的水利水電物探工作條件更差，難度更大，要求更高。通過大量的工程實踐，水利物探隊伍經(jīng)受了鍛煉，提高了解決復雜地區(qū)工程物探技術解譯的能力和準確性，促進了水利水電物探技術的進一步開展和創(chuàng)新。

1 吉林省水利水電關鍵物探技術的發(fā)展

(1)電法勘探(直流傳導類、交流感應類)。從最初的DDCA儀器，單純的做電測深及聯(lián)合剖面，發(fā)展到現(xiàn)行高密度電法儀器，超高密度分布式數(shù)字電法儀器，音頻電磁EH- 4電導率儀[12- 13]等。從手動量板式解譯，更新為計算機數(shù)字化的數(shù)值計算反演和正演解譯。

(2)地震勘探(折射、反射、面波和場地剪切波等)。從零起點，到現(xiàn)在的48道綜合工程探測儀，自動采集天然面波三維數(shù)字地震儀。從空白開始，經(jīng)歷劉云貞的CSP3，CSP5等傅立葉變換解譯，到GeoRwa4.0、Winseis4.0及嬌佳軟件公司專業(yè)解釋軟件的反演、正演解譯。

(3)探地雷達(寬角、環(huán)形及剖面等)。從零起點，到現(xiàn)在意大利的博泰克儀器，以及相關采集和處理軟件K2FastWave、GresWin2。

(4)層析成像(聲波、地震波及電磁波等CT)。從零起點，到現(xiàn)在王運生的跨孔CT。

(5)彈性波孔內(nèi)測試(聲波、地震波等)。裝備完成了機械化到智能化轉(zhuǎn)變，測試完成了二維到三維(三分量檢波器)的轉(zhuǎn)變。

(6)測井(聲波、鉆孔電視、井斜、地震波等)。從零起點，到現(xiàn)在武漢長盛的智能鉆孔電視，三軌跡記錄，攝像及錄像。

(7)無損檢測技術。吉林省水利水電勘測設計研究院經(jīng)10多年的研究實踐，開發(fā)了《垂直防滲體質(zhì)量無損檢測技術系統(tǒng)》，并獲得相應的方法技術專利證書(專利號：ZL2004100107804)；利用雙排列設計技術對防滲墻進行直接連續(xù)掃描，檢測防滲體的成墻質(zhì)量情況，是準三維檢測模式，三維剖分使得防滲墻周圍的巖土體影響及體積效應減至最小，現(xiàn)又進行了升級研發(fā)。

以上水利水電物探技術綜合應用目前能很好的解決各種工程中覆蓋層、隱伏構(gòu)造破碎帶探測、軟弱夾層探測、滑坡體探測及地下水、巖溶區(qū)、采空區(qū)探測、巖體風化帶、巖體結(jié)構(gòu)的分類和評價、卸荷帶探測、洞室松動圈探測、堆石壩面板裂縫探測和大壩堤防填筑質(zhì)量檢查等。

圖1 3#主洞下游重點施工段剖面圖

針對工程質(zhì)量可完成巖體質(zhì)量、灌漿效果、防滲墻、防滲線檢測及地基(樁基)承載力測試、樁基完整性測試和混泥土質(zhì)量、錨桿質(zhì)量、鋼筋與混泥土接觸狀態(tài)等檢測等。

為工程地質(zhì)和施工地質(zhì)提供各種所需的巖土物理和力學參數(shù)、電性參數(shù)及質(zhì)點震動參數(shù)、其他工程參數(shù)測試可靠數(shù)據(jù)。

2 工程應用

2.1 遼西北供水工程電法勘探技術

4～6隧洞3#主洞根據(jù)前期勘察報告及目前開挖揭露情況，初步判斷3#主洞下游施工掌子面至樁號D188+100段圍巖巖性為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r塊石夾碎石土，推測為巖溶塌陷堆積體，大部分為泥質(zhì)膠結(jié)，堆積密實，如圖1所示。成洞條件極差，易產(chǎn)生塑性變形，如遇地下水極產(chǎn)生大規(guī)模坍塌。因此，該段是3#主洞重點施工段。根據(jù)前期勘察成果，本段未見地下水，故本段主要工程地質(zhì)問題是圍巖穩(wěn)定問題。

吉林省水利水電勘測設計研究院物探應邀補充勘探，主要針對工程不良地質(zhì)條件洞段進行物探重新探測，采用大地電磁法查明隧洞沿線地質(zhì)構(gòu)造帶、不整合接觸帶、地下水富集帶以及巖體風化狀況。工程正處在東北地區(qū)冬季施工中，工期要求緊，為使隧洞施工提前采取相應的工程解決方法，為隧洞安全施工提供有利保障。通過創(chuàng)新措施，加長電極，穿過冰凍屏蔽層進行補勘工作。首次解決了冬季凍層屏蔽無法探測的難題。物探勘探解譯和地質(zhì)效果如圖2、3所示，揭示成果見表1。

參考前期資料，本次補充物探初步推斷樁號187+380～188+430段隧洞巖體大部分破碎，只有少量區(qū)段較完整，具體分析如下：

樁號187+550處呈低阻(ρs<4000Ω·m)異常反映，解譯推斷為hf87構(gòu)造異常帶，沿洞軸線影響范圍約230m(樁號187+478～187+708)。

樁號187+808處呈低阻(ρs=100～4000Ω·m)異常反映，解譯推斷為f1構(gòu)造異常帶，沿洞軸線影響范圍約40m(樁號187+790～187+830)。

樁號188+177處呈低阻(ρs<1500Ω·m)異常反映，解譯推斷為f2構(gòu)造異常帶，沿洞軸線影響范圍約80m(樁號188+118～188+198)。

樁號187+950處呈低阻(ρs<1500Ω·m)異常反映，結(jié)合前期勘察資料成果推測，該處為白云質(zhì)灰?guī)r與砂礫巖巖性接觸帶，兩種地層巖性為斷層接觸關系，因此，該部位呈低阻異常反映。樁號187+922～187+987范圍內(nèi)，電阻率小于1000Ω·m，推測分析該段為構(gòu)造影響帶，帶內(nèi)可能含水。

圖2 4～6隧洞3#主洞樁號187+380～188+430段EH- 4物探解譯圖

圖3 4～6隧洞3#主洞樁號187+380～188+430段物性-地質(zhì)圖

樁號實際揭露圍巖類別補勘推測圍巖類別初設推測圍巖類別起始終止fflbWVfflbWVfflbV187+488187+8183308322127203187+818187+8543623436187+854187+89642182442187+896187+9162016420187+916187+97357134457187+973188+0386523422045188+038188+045777188+045188+0692424213188+069188+0892020119188+089188+20011129821029188+200188+43023028202230合計111313518121409412332188422所占比例/%0.120.330.550.130.430.440.350.200.45

樁號188+402～188+430段、188+118～188+198段，電阻率小于1500Ω·m，明顯偏低，推測分析為巖體破碎，破碎帶內(nèi)含水。

2.2 吉林省中部引松供水工程地震勘探技術

復核引水洞軸線遙感解譯構(gòu)造，根據(jù)測區(qū)地形、地球物理條件及任務情況，采用地震反射波法勘探。根據(jù)遙感解譯的構(gòu)造F28規(guī)模及現(xiàn)場條件布置地震勘探線F28ZFI。主要投入使用的儀器設備有：SE2404型地震儀，所使用的儀器，使用前均做了校驗工作，各項技術指標均達到技術規(guī)范要求，性能穩(wěn)定。采用6次覆蓋連續(xù)CDP迭加剖面法。采集道數(shù)12道；道距2m，采樣率1024點；采樣間距0.5ms；48Hz垂直檢波器；震源采用錘擊震源結(jié)合小藥包爆炸震源。其中F28ZFI勘測線地震發(fā)射解譯圖如圖4所示。

F28ZFI處勘探線CDP剖面樁號120～160m處，反射波同相軸錯動、紊亂能量不均，解釋推斷為F28斷層構(gòu)造，與遙感解譯的F28斷層相符。斷層影響寬度均10～30m，走向為NE；傾向為SE，傾角為35°～45°。與引水洞軸線樁號55+687m處相交。

經(jīng)吉林省中部城市引松供水工程設計劃分TBM3標段(樁號48+900～71+855)，長22955m，施工開挖結(jié)果揭示，同前期勘察推斷結(jié)論基本一致。

2.3 松花江干流防滲墻工程無損檢測技術

防滲墻是我國水利水電工程建設中普遍采納的一種基礎防滲處置方式，其質(zhì)量好壞直接關系到工程與人民大眾生命財產(chǎn)安全。因為防滲墻體屬于地下隱蔽工程，施工完成后防滲墻體均被后續(xù)工程掩蓋或僅上部出露，所以難以采用常規(guī)工程檢驗辦法來直接對其進行質(zhì)量檢測和評定，具有高風險和不可見性。

鉆孔或開挖檢測辦法，一是會對工程構(gòu)成難以恢復的破壞；二是檢查人財物消耗高，效率也極低。所以，采用無損檢測技術的辦法來檢驗防滲墻體的工程質(zhì)量，來評估工程整體質(zhì)量己成為業(yè)界的剛性需求。

通過對地下防滲墻發(fā)生滲漏時水中微弱離子的運動進行高靈敏度量測，從而探測防滲墻體結(jié)構(gòu)存在的滲漏情況。即便是輕微的滲漏，也會由于水離子的運動，產(chǎn)生整個地層電場的變化，對于此變化，通過無損檢測系統(tǒng)高精度量測，可以把握電場異常的位置，從而探到滲漏點。

針對防滲體連續(xù)性、完整性及深度檢測要求，建立如圖5、6所示地電模型：

圖5 防滲體雙排列測試模型

圖6 靜電場分析模型

系統(tǒng)設計雙排列，當點電源放置在垂直分界面左側(cè)地層的A1(I)點時，A到分界面的距離為d，其中假設A點下方的電阻率為ρ1，點電源A1下方的電阻率為ρ2，求解ρ2的地層中某一點M2的電位U2，利用鏡像法，求解電位在空間的分布?？傻弥?/p>

U2=(Iρ2/2π)(1-K12)/r2

式中，1-K12=2ρ1/(ρ1+ρ2)

可見當ρ2→∝時，1-K12→0，U2→0

當測量電極MN分別處在防滲體兩側(cè)時，△U=U1-U2取最大值。按照公式ρ=K*△U/I，推出△U取最大時，視電阻率取值最大。

因為防滲體在地層中的延伸是有限的，因而U2的值不會為0，然而由于防滲體的存在使MN橫跨在界面兩側(cè)時，△U相對變大，這就是在防滲體位置出現(xiàn)相對周邊巖土體不同的電阻性反映(一般為高阻)。

設計文件要求檢測本工程截滲墻深度是否滿足設計要求，是否連續(xù)。工程檢測驗證效果如圖7所示。

該段檢測結(jié)論：

樁號0+400～0+434段墻體埋深9.0m；且連續(xù)防滲，期間個別施工組存在角度偏差，較完整。

樁號0+436處空樁，且存在滲漏場，該處不連續(xù)。

樁號0+448～0+458段埋深2～8m處存在斷樁，且存在滲漏場，連續(xù)性差，沒有滿足設計要求。

3 結(jié)語

關鍵物探技術隨著計算機技術的日新月異，開展和應用將日益廣泛。通過努力創(chuàng)新，關鍵物探技術在吉林省水利水電工程，取得了較大的綜合效益，并成為其中不可缺少的重要部分，尤其在比較復雜的地質(zhì)條件地區(qū)，起到了巨大的指導作用，發(fā)揮了重要的作用。同時不同的物探技術方法，在不同的方面有自己的優(yōu)勢和局限性。

圖7 吉林省松花江農(nóng)安縣小尹家段檢測結(jié)果與開挖驗證圖

無損檢測技術能較好的解決防滲體質(zhì)量存在的問題且對環(huán)境和基礎設施無損害。依據(jù)檢測數(shù)據(jù)求解檢測目標體的問題，就是地球物理場的檢測反演問題，其存在多解問題。應多考慮反演的復雜邊界條件，結(jié)合正演，來收斂反演的多解，或增加相應的物理檢測手段互相印證，來進行綜合分析評估。