河床沖積層物探研究

宰西 黃建國 徐世光 封禮凡

摘 要：河流河床地下空間地質(zhì)條件對工程影響極大，必須對其下伏巖層條件及其含水性、巖層破碎特征等進(jìn)行超前探察與判斷?；诓⑿须姺ㄌ讲旒夹g(shù)，構(gòu)建河床地質(zhì)條件計(jì)算模型。通過現(xiàn)場工程應(yīng)用，綜合探察取得了良好的應(yīng)用效果，該水電站壩址區(qū)屬于構(gòu)造侵蝕高中山地形，地形高差懸殊，河谷深切，兩岸沖溝水均向河谷排泄。壩址沿線分布有河漫灘，兩岸河邊有基巖出露，岸坡地形坡度30°～45°。研究結(jié)果表明，綜合物探方法能夠有效探察電站內(nèi)河床地層的分層性、層厚、分布范圍、河流的滲透范圍等地質(zhì)條件，為河床下伏工程施工技術(shù)措施制定提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：河床;沖積層;物探;電站

中圖分類號：S157.2 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）08-0144-03

1概況

該電站預(yù)可階段推薦壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高約130m ，水庫正常蓄水位660m，裝機(jī)容量200MW，水庫長約30km，總庫容12.17×108m3，測試（驗(yàn)）內(nèi)容：一是通過測試（驗(yàn)）河床（漫灘）沖積層縱波和橫波（剪切波）波速，計(jì)算有關(guān)巖（土）體的物理力學(xué)性參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù);二是通過河床（漫灘）電磁波CT測試（驗(yàn)）和跨孔波速測試，分析河床沖積層相對密實(shí)情況。

2地質(zhì)與地球物理特性

2.1地形地質(zhì)概況

該水電站壩址區(qū)屬于構(gòu)造侵蝕高中山地形，地形高差懸殊，河谷深切，兩岸沖溝水均向河谷排泄。壩址區(qū)河流流向由西向東，河谷橫斷面總體呈對稱的“V”字型，枯水期水位540m，河床寬度80m～150m。壩址沿線分布有河漫灘，兩岸河邊有基巖出露，岸坡地形坡度30°～45°。

壩址區(qū)域出露的基巖主要有：三疊系上統(tǒng)舍資組（T3sa）淺灰色、灰白色中—粗粒長石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉沙質(zhì)泥巖及干海子組（T3g）灰綠、灰黑色泥巖、頁巖、粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖及煤線。巖層產(chǎn)狀主要為N0 °～20 °W（E）、SW（NE）∠65 °～85 °。

3工作方法與技術(shù)

3.1方法原理簡述

3.1.1跨孔波速測試

本次測試（驗(yàn)）區(qū)位于上壩址左岸河床（漫灘）上，共布置了3個(gè)鉆孔，根據(jù)鉆孔間距大小及結(jié)合物探測試設(shè)備穿透測試距離，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)確定在ZK142～ZK144剖面進(jìn)行跨孔波速測試;在ZK140～ZK142剖面和ZK142～ZK144剖面進(jìn)行電磁波CT測試。

3.1.2鉆孔電磁波CT

由麥克斯韋方程推導(dǎo)出電偶極子輻射場，再從電偶極子輻射場推出半波天線的輻射場為：

E=E0×eikrf（θ）/R ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中：E為觀測場強(qiáng)值，k為波數(shù);R為發(fā)射點(diǎn)到觀測點(diǎn)的距離，R=α+iβ（α，β為電磁波傳播介質(zhì)的相位常數(shù)及吸收系數(shù)）;E0為與發(fā)射條件及介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的量，當(dāng)這些條件固定時(shí)E0是常數(shù);f（θ）為天線的方向因子。

由于觀測只為場強(qiáng)幅值，公式（1）簡化為：

E=E0×eβR×f（θ）/R ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中：f（θ）=cos（π/2cosθ）/sinθ

3.2資料解釋

3.2.1跨孔波速測試資料解釋

跨孔波速測試鉆孔ZK142～ZK144剖面，間距為9.0m?？咨?4.5m以上段為兩孔水平穿透;孔深24.5m以下段，為敲擊點(diǎn)固定在KZ142孔深24.5m處，而在KZ144孔深24.5m至30.0m按0.5m點(diǎn)距逐點(diǎn)接收測試。由于鉆孔ZK142和ZK144孔深19.3m以上為沖積層，需有鋼套管護(hù)壁，所以該孔段跨孔波速測試，是剪切錘振源緊貼于鋼管內(nèi)壁中敲擊，而三分量檢波器也是緊貼于鋼管內(nèi)壁接收。剪切錘振源與檢波器均未能直接與孔壁緊貼而進(jìn)行敲擊與接收，會使得耦合效果差，造成波的能量傳遞損失，對測試效果會有一定影響。

按下式計(jì)算出彈性波波速：

νp =ι/tp ? ? （3）

νs =ι/ts ? ? （4）

式中：νp——縱波波速，m/s;νs——剪切波波速，m/s;

ι——激發(fā)點(diǎn)至接收點(diǎn)的間距，m;tp——接收換能器接收到的縱波傳播時(shí)間，s;ts——接收換能器接收到的橫波傳播時(shí)間，s。

巖體動彈性模量按下式計(jì)算：

Ed=ρ×νs2（3νp2-4νs2）/（νp2-νs2） ? ? ? ?（5）

巖體動剪切模量按下式計(jì)算：

Gd=ρ×νs2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

巖體動泊松比按下式計(jì)算：

μd=（νp2-2νs2）/（2（νp2-νs2）） ? ? （7）

式中：Ed——巖體動彈性模量，kPa;Gd——巖體動剪變模量，kPa;Ed——巖體動泊松比;νp——縱波波速，m/s;

νs——剪切波波速，m/s;ρ——測試巖體質(zhì)量密度，t/m3。

4成果分析

4.1成果分析

4.1.1跨孔波速測試成果分析

跨孔波速測試鉆孔ZK142～ZK144剖面，ZK142為激發(fā)孔，ZK144為接收孔，縱波和剪切波波速按公式（3）和（4）計(jì)算。相關(guān)巖（土）體物理力學(xué)性參數(shù)按公式（5）～（7）計(jì)算。式中計(jì)算采用巖（土）體的質(zhì)量密度值ρ由地質(zhì)室提供，其中，沖積層（含泥卵、礫石夾中細(xì)砂）的質(zhì)量密度值ρ為2.16t/m3，基巖（中粗粒長石、石英砂巖）質(zhì)量密度值ρ為2.66t/m3。測試結(jié)果分析如下：

（1）孔深4.0～19.0m為沖積層（含泥卵、礫石夾中細(xì)砂），測試孔段有鋼套管護(hù)壁，為水平穿透測試?？v波波速最小值為1.96km/s，最大值為3.05km/s，平均值為2.19km/s;剪切波波速最小值為0.5km/s，最大值為1.16km/s，平均值為0.78 km/s;動彈性模量Ed最小值為1.58GPa，最大值為8.23GPa，平均值為3.88GPa;動剪切模量Gd最小值為0.54GPa，最大值為2.91GPa，平均值為1.37GPa;動泊松比μd最小值為0.39，最大值為0.47，平均值為0.43。總體來看，該測試段波速較低，曲線變化較平緩，剪切波波速隨著孔深增大波波速由約0.6km/s增大為約1.0km/s，說明沖積層密實(shí)程度隨著孔深增大亦隨之略有增高。

（2）孔深19.0～30.0m為中粗粒長石、石英砂巖。其中，孔深19.0～24.5m測試段無鋼套管護(hù)壁，為水平穿透測試;孔深24.5m～30.0m測試段無鋼套管護(hù)壁，為固定激發(fā)點(diǎn)于24.5m斜穿測試。由表中可以看出：該段縱波波速最小值為3.71km/s，最大為4.19km/s，平均值為4.01km/s;剪切波波速最小值為1.70km/s，最大值為2.09km/s，平均值為1.87 km/s;動彈性模量Ed最小值為21.35GPa，最大值為30.75GPa，平均值為25.28GPa;動剪切模量Gd最小值為7.69GPa，最大值為11.62GPa，平均值為9.31GPa;動泊松比μd最小值為0.32，最大值為0.39，平均值為0.36?？傮w來看，波速曲線變化不大，該段波速較高，說明巖石新鮮，完整性好。

4.1.2鉆孔電磁波測試成果分析

（1）ZK142～ZK144電磁波CT。電磁吸收系數(shù)色譜圖表明：鉆孔ZK142孔深約21.0m和ZK144孔深約19.8m連線以上區(qū)域，對電磁波吸收相對較強(qiáng)區(qū)域，為沖積層（含泥卵、礫石夾中細(xì)砂）反映。該區(qū)域內(nèi)介質(zhì)電磁波吸收系數(shù)相對變化較小，無明顯異常反映，說明該層巖體較均勻。其中鉆孔ZK142孔深約10.5m～18.5m，電磁波視吸收β值≤0.7Neper/m區(qū)域，對電磁波的吸收相對略小。鉆孔ZK144孔深約19.8m至25.5m，介質(zhì)對電磁波的吸收相對變?nèi)?，說明巖體完整性變好。至鉆孔ZK144孔深約25.5m以下介質(zhì)對電磁吸收相對很小，說明巖體完整性好。

（2）ZK140～ZK142電磁波CT。ZK140～ZK142剖面間距較大，以低頻段天線（發(fā)射上、下天線長度已達(dá)6m，有效測試孔段變短）電磁波才能有效穿透測試。有效測試孔段變短，特別是對于鉆孔ZK140，最深測試點(diǎn)剛接觸到基巖段。因此，從吸收系數(shù)色譜圖上看，對沖積層與基巖界面反映不是很清楚;電磁波工作頻率降低，分辨率也相應(yīng)降低，對目的體反映精細(xì)程度也差一些?？傮w來看，鉆孔ZK140孔深約13.0m和ZK142孔深約21.0m以上剖面，對電磁波吸收相對較強(qiáng)區(qū)域，為沖積層（含泥卵、礫石夾中細(xì)砂）反映。該區(qū)域內(nèi)介質(zhì)電磁波吸收系數(shù)變化較小，無明顯異常反映，說明該層巖體較均勻。以下區(qū)域電磁波的吸收相對略小，說明巖體完整性較好。

該剖面孔深約5.0m以上區(qū)域，鉆孔ZK142孔深約13.0m與ZK144孔深約22.0m連線以下區(qū)域，因測試盲區(qū)存在，射線很少，影響資料解釋精度。

（3）鉆孔電磁波測井。ZK140鉆孔測井曲線，測井成果見圖1：孔口至孔深約13.2m段，場強(qiáng)值較小，表明該段對電磁波的吸收很強(qiáng)，為含泥卵、礫石夾中細(xì)沙組成沖積層反映;孔深約13.2m以下場強(qiáng)值相對較高，表明巖層對電磁波的吸收較弱，為基巖（以長石石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等為主）反映。

ZK142鉆孔測井曲線，測井成果見圖1：該段對電磁波的吸收很強(qiáng)，為含泥卵、礫石夾中細(xì)沙組成沖積層反映;孔深約19.8m以下場強(qiáng)值相對較高，表明巖層對電磁波的吸收較弱，為基巖（以長石石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等為主）反映。

ZK144鉆孔測井曲線，測井成果見圖1：孔口至孔深約19.2m段，場強(qiáng)值較小，表明該段對電磁波的吸收很強(qiáng)，為含泥卵、礫石夾中細(xì)沙組成沖積層反映;孔深約19.2m以下場強(qiáng)值相對較高，但變化較大，表明巖層對電磁波的吸收相對較弱，局部吸收強(qiáng)，為基巖（以長石石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等為主）反映。其中，孔深24.4m～25.8m和孔深34.0m～34.8m兩段為相對較強(qiáng)吸收，說明孔壁巖體較破碎或節(jié)理發(fā)育，巖體完整性相對較差。由含泥卵、礫石夾中細(xì)沙組成沖積層表現(xiàn)為對電磁波的強(qiáng)吸收巖體，但在該層內(nèi)其對電磁波的吸收相對較均勻。

4.2評價(jià)

影響本次測試效果及精度的原因主要有：

（1）沖積層測試段因有孔內(nèi)鋼套管影響，測試精度會降低。

（2）因鉆孔剖面間距限制，本次跨孔波速測試僅測試了一對剖面，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)量有限，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果代表性不強(qiáng)。

（3）受測試盲區(qū)影響，解釋剖面頂、底部成像精度會受到較大影響。跨孔法測試巖體縱、橫波波速，其收發(fā)間距受測試剖面鉆孔垂直度影響、測試效果受剪切錘激發(fā)振源和檢波器與孔壁巖體耦合影響等會降低橫波測試精度。

5結(jié)論

（1）上壩址左岸河床（漫灘）沖積層剪切波波速最小值0.5km/s，最大值1.16km/s，平均波速0.78 km/s;動彈性模量Ed最小值1.58GPa，最大值8.23GPa，平均值3.88GPa;動剪切模量Gd最小值0.54GPa，最大值2.91GPa，平均值1.37GPa;動泊松比μd最小值0.39，最大值0.47，平均值0.43。

（2）沖積層密實(shí)程度隨著深度增加亦隨之略有增大。

（3）沖積層密實(shí)度總體相對較均勻，未有明顯電磁波吸收異常反映，但隨著孔深增加，電磁波吸收略有降低。

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