綜合物探方法進行風(fēng)電場巖性分層

習(xí)建軍，王中榮，李 靜

(1.河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊 050031；2.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026)

近年來，隨著國家“節(jié)能減排”政策的實施，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔能源得到了大力的發(fā)展。風(fēng)能電力工程在工程勘察與環(huán)境評價中，經(jīng)常需要準確地查明第四系覆蓋層厚度及基巖埋深(或土石界面)。然而，我國風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，風(fēng)機位常設(shè)在鉆機難以到達的山頂，采用常規(guī)勘察手段(鉆孔、槽探、釬探及坑探等)工作量較大,往往需要依賴工程物探方法進行勘察。由于物探資料解釋的多解性，單獨采用某種工程物探方法進行勘探時常常存在偏差。所以，在一定量鉆探工作量配合下,選擇不同物探方法進行綜合勘察，可以有效地提高解釋準確性。作者在河北省張家口地區(qū)的兩個風(fēng)電場工程勘察中，采用探地雷達方法，結(jié)合瞬態(tài)瑞雷波法，解釋結(jié)果表明，在風(fēng)電巖土勘察中具有很好的應(yīng)用效果。

1 基本原理

探地雷達是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜(10MHZ－2GHZ)電磁技術(shù),作為一種先進的工程物探方法，它依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作，電磁波脈沖由發(fā)射天線T發(fā)出，被地下介質(zhì)面(或埋藏物)反射，由接收天線R接收(見圖1)，然后將這些信號記錄下來成圖顯示出來。電磁波在介質(zhì)中傳播時其路徑、電磁強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度與波形資料，可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，判斷目標(biāo)體的位置、深度和幾何形態(tài)。

圖1 探地雷達電磁波脈沖傳播示意圖

瑞雷波勘探方法是近些年來發(fā)展起來的一種淺層地震勘探新技術(shù)，該方法是利用瑞雷波的傳播速度與巖土的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)性，以及瑞雷波獨有的頻散特性，測試與分析地下巖體的工程特性，是淺層或超淺層地球物理勘探、工程巖體及施工質(zhì)量檢測的重要手段之一。

圖2 瑞雷面波的傳播示意圖

瑞雷波沿地面表層傳播(見圖2)，穿透的厚度約為一個波長，因此，同一波長的瑞雷波的傳播特性反映了地下介質(zhì)在水平方向的變化情況，不同波長瑞雷波的傳播特性反映了不同的地質(zhì)情況。在地面沿波的傳播方向，以一定的道間距?x設(shè)置N個檢波器，可以檢測到瑞雷波在N?x長度范圍內(nèi)的波場，設(shè)瑞雷波的頻率為fi，相鄰檢波器記錄到的瑞雷波的時間差為?t或相位差?φ，則相鄰道?x長度內(nèi)瑞雷波的傳播速度為：

在滿足空間采樣定理的條件下，測量范圍N?x內(nèi)平均波速為：

在同一測點測量出一系列頻率fi的VRi值，就可以得到一條VR－f曲線，即所說的頻散曲線或轉(zhuǎn)換為VR－λR曲線，λR為波長：

VR－f曲線或VR－λR曲線的變化規(guī)律與地下地質(zhì)條件存在著內(nèi)在的聯(lián)系，通過對頻散曲線進行反演，可得到地下某一深度范圍內(nèi)的介質(zhì)分布情況和不同深度的瑞雷波傳播速度VR值，另一方面，VR值的大小與介質(zhì)的物理特性有關(guān)，據(jù)此可以對巖土的物性做出評價。

2 應(yīng)用實例

2.1 河北沽源縣某風(fēng)機位基巖面勘察

沽源某風(fēng)電場工程位于張家口市的沽源縣，地貌屬高山區(qū)，溝谷切割強烈，交通不便。風(fēng)機位區(qū)域地層主要由碎石土及燕山期中－微風(fēng)化花崗巖、侏羅系粗面安山巖及安山質(zhì)凝灰?guī)r構(gòu)成。

由于該風(fēng)電場區(qū)地處高山，溝谷橫錯，鉆探機械設(shè)備難于到達風(fēng)機塔位，在巖土工程勘探時采用鉆探、探井對每個風(fēng)機塔進行勘探難度很大，因此，在已有探坑資料的基礎(chǔ)上進行了瑞雷面波和探地雷達探測，主要勘察風(fēng)機位區(qū)域地層的碎石層厚度及基巖面變化情況。

本次瑞雷面波勘查采用美國喬美特利公司生產(chǎn)的StrataVisor Geode24淺層地震儀，選用20磅大錘敲擊鐵板(6次以上垂直疊加)作震源激發(fā)地震波，4.5Hz低頻檢波器進行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)現(xiàn)場試驗對比，本次工作參數(shù)為：最大道間距2m，偏移距10 m，記錄長度1024 ms，采樣率0.5ms，使用Geogiga Surface Plus(6.0 version)面波處理程序進行數(shù)據(jù)解釋，得到測線的瑞雷面波深度－速度剖面圖(見圖3)。深度—速度剖面圖使用統(tǒng)一彩色分級，分級范圍從245m/s～563m/s，分級界線用等值線標(biāo)注，參照色標(biāo)即可知道任一深度的速度值。結(jié)合相應(yīng)的探坑數(shù)據(jù)(見圖5)，資料解釋以瑞雷面波速度320m/s作為分界，如果面波速度小于320m/s，認為是塊石或碎石土；速度超過320m/s，推測為基巖。

探地雷達采用的主要技術(shù)參數(shù)為：50MHz非屏蔽天線，天線間距4.2m。采樣步長為0.1m，疊加次數(shù)、采樣率根據(jù)實際情況做適當(dāng)調(diào)整，采用點測方式進行探測。使用Reflexw軟件進行數(shù)據(jù)處理，利用Surfer軟件得到雷達成果圖(見圖4)。

7號風(fēng)機位探坑資料顯示(圖5)，10.2m以上為碎石及強風(fēng)化基巖，10.2m以下為中等分化基巖；從瑞雷面波圖(圖3，鉆孔位于測線中點)看出，埋深10m左右有一個波速分界面，對應(yīng)基巖分界面，而且分界面起伏總體呈現(xiàn)出左深右淺的形態(tài)；而從雷達圖(圖4，鉆孔位于測線中點)也能看出10m左右有一個反射面，對應(yīng)基巖分界面，圖像分界面同樣以左深右淺的形態(tài)起伏。

通過對瑞雷面波、探地雷達剖面與探坑資料進行對比，可以看出瑞雷面波和探地雷達都能很好的反映出地層巖性的變化情況(見圖3～5)，此外，鉆孔資料只能獲得一個點的地質(zhì)信息，橫向分辨率較差，使用瑞雷面波或者探地雷達等工程物探方法進行勘探，可以了解連續(xù)性的基巖起伏分布狀況，為鉆孔勘探提供了很好的補充。

2.2 河北張北縣某風(fēng)電場基巖面勘探

張北某風(fēng)電場49.5MW工程位于張家口市張北縣，為張家口壩上山區(qū)地貌單元，地貌為高山區(qū)，溝谷切割強烈。風(fēng)機位區(qū)域內(nèi)地層主要由第四系殘坡積粉土、塊石、碎石及強風(fēng)化－中等風(fēng)化花崗巖、安山巖及安山質(zhì)凝灰?guī)r等構(gòu)成。

巖土工程勘察的主要目的是查明上部覆蓋層的厚度，了解風(fēng)機位區(qū)域20m內(nèi)巖性變化情況。由于工作量大，工期短，完全依賴鉆探、探井在工期內(nèi)完成施工難度很大，因此，利用工程物探手段速度快、效率高的特點在每個風(fēng)機位首先開展物探勘察，粗略估計地下巖性變化情況，再上鉆機進行鉆孔驗證，倘若基巖面出現(xiàn)位置與物探吻合，則可停止鉆探，從而使原本計劃打20m深的鉆孔，也許只需要打幾米深，工程物探對鉆探的施工起到很好的指導(dǎo)作用，減少了鉆探、探井的工作量。

在21號風(fēng)機位，同時開展了瑞雷面波勘探和探地雷達勘探兩種工程物探方法，并通過后期鉆孔資料進行了驗證。

面波和雷達的采集設(shè)備及參數(shù)設(shè)置同上例。探地雷達資料成果見圖7；瑞雷面波深度－速度剖面圖分級范圍為176m/s～899m/s，結(jié)合相應(yīng)的探地雷達數(shù)據(jù)(見圖7)，資料解釋以瑞雷面波速度260m/s、320m/s、400m/s作為分界，分別對應(yīng)地層的第四系殘坡積粉土層、碎石層、強風(fēng)化基巖、中等風(fēng)化基巖。

從瑞雷面波剖面圖(圖6，風(fēng)機塔位于測線中點)可以看出，21號風(fēng)機位地面下1.6m、3.2m、5.7m有三個分界面；從雷達成果圖(圖7，風(fēng)機塔位于測線中點)在同樣深度也能看到這三個分界面。而21號風(fēng)機鉆探資料顯示，0m～1.3m為粉土層，1.3m～3.1m為碎石層，3.1m～5.7m為強風(fēng)化基巖，5.7m以下為中等風(fēng)化基巖，這與瑞雷波和探地雷達的勘探效果幾乎完全吻合。所以，鉆孔資料有效地驗證了兩種工程物探方法，瑞雷面波和探地雷達的勘探效果很接近，偏差較小。

3 結(jié)論

通過綜合物探在以上兩個電力工程勘察中的應(yīng)用得到了很好的勘探效果：

(1)采用探地雷達和瑞雷面波對山區(qū)風(fēng)機塔、輸電線路塔的基巖面勘探是兩種快速便捷的工程物探方法。

(2)在同時滿足探地雷達和瑞雷面波兩種方法開展的物性前提條件下，結(jié)合兩種物探手段進行綜合物探調(diào)查，可以達到相互驗證，互相補充的效果。

(3)鉆孔資料只能勘探一個點的地層資料，橫向分辨率較差，使用瑞雷面波或者探地雷達等工程物探方法進行勘探，可以了解某條線的基巖起伏狀況。

(4)在工期緊張的情況下，可以利用工程物探手段速度快、效率高的特點先行進行勘探，粗略估計基巖面埋深，再上鉆機進行鉆孔驗證，減少工作量，從而達到工程物探對鉆探工作起指導(dǎo)的作用。

(5)探地雷達和瑞雷面波的綜合使用必須滿足兩者的物性差異前提，二者都是不斷發(fā)展的工程物探技術(shù)，要想靈活掌握二者的綜合技巧，還需要積累大量的實際經(jīng)驗。

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