地質(zhì)勘測(cè)方法與技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

宋國(guó)才　王文彬

摘 要：地質(zhì)勘查是水利水電工程的重要組成部分，勘察質(zhì)量對(duì)后期工程的順利進(jìn)行有著非常直接的影響。為了保證水利水電事業(yè)更好地發(fā)展，工作人員要及時(shí)更新地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)，并引進(jìn)一些先進(jìn)的勘測(cè)方法與技術(shù)。為此，分析了3S技術(shù)、工程物探技術(shù)及原位測(cè)試方法在水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水利水電工程;地質(zhì)勘測(cè)技術(shù);工程物探技術(shù);原位測(cè)試方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TV221.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）29-0069-03

Application of Geological Survey Method and Technology in

Water Conservancy and Hydropower Projects

SONG Guocai WANG Wenbin

（Cangzhou Water Conservancy Survey Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Cangzhou Hebei 061000）

Abstract： Geological survey is an important part of water conservancy and hydropower projects. The survey quality has a very direct impact on the smooth progress of later projects. In order to ensure the better development of water conservancy and hydropower， the staff should update the geological survey technology in time and introduce some advanced survey methods and technologies. Based on this， to analyze the application of 3S technology， engineering geophysical exploration technology and in-situ test method in water conservancy and hydropower engineering geological survey.

Keywords： water conservancy and hydropower projects;geological survey technology;engineering geophysical prospecting technology;in-situ test method

水利水電事業(yè)的發(fā)展影響著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人們的生活水平。當(dāng)前，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，人們對(duì)水利水電事業(yè)的要求越來(lái)越高，也對(duì)水利水電地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。隨著水利水電工程勘探深度的增加，地質(zhì)勘測(cè)難度逐漸上升，傳統(tǒng)的地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足水利水電事業(yè)的發(fā)展需要。在科學(xué)技術(shù)大發(fā)展的背景下，出現(xiàn)了許多先進(jìn)的地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)。應(yīng)用這些先進(jìn)的地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)，不僅能滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)水利水電事業(yè)的要求，而且能在一定程度上促進(jìn)水利水電事業(yè)的發(fā)展。

1 3S技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

1.1 GPS的應(yīng)用

GPS是Global Position System的縮寫(xiě)，指全球定位技術(shù)，將其應(yīng)用于水利水電地質(zhì)勘測(cè)，能提供準(zhǔn)確的觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，而且是三維坐標(biāo)。與傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量方式相比，GPS對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的透視程度、觀察時(shí)間等沒(méi)有較高要求，具有一定的實(shí)踐性及操作性，而且GPS收集到的數(shù)據(jù)可以傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算[1]。在當(dāng)前的水利水電事業(yè)中，GPS主要用于地質(zhì)勘測(cè)與坐標(biāo)定位，能解決遠(yuǎn)距離控制問(wèn)題。GPS技術(shù)一般用于勘察點(diǎn)偏少的地方，如在山區(qū)、叢林進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)時(shí)難度系數(shù)偏大，利用GPS技術(shù)不僅可以縮短勘測(cè)時(shí)間，而且能保證勘測(cè)精確度。

1.2 GIS的應(yīng)用

GIS是Geographic Information System的縮寫(xiě)，指地理信息系統(tǒng)。在地質(zhì)勘測(cè)中，主要應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行水利水電地質(zhì)勘測(cè)信息管理和水利水電工程圖紙繪制。利用GIS系統(tǒng)可以制作出多種多樣的圖形，如柱形圖、折線圖、條形圖等，從而充分展現(xiàn)相關(guān)信息。除進(jìn)行圖片的展示外，GIS系統(tǒng)還可以對(duì)視頻、動(dòng)圖及一些數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別分析，幫助人們進(jìn)行數(shù)據(jù)管理及空間分析，大大減輕工作人員的負(fù)擔(dān)。GIS技術(shù)在水利水電地質(zhì)勘測(cè)中的應(yīng)用，大大提高了勘測(cè)工作的效率，縮短了地質(zhì)勘測(cè)的工作周期，能更快速高效地提交勘測(cè)成果。

1.3 RS的應(yīng)用

RS是Remote Sensing的縮寫(xiě)，指遙感技術(shù)。在地質(zhì)勘測(cè)中，該技術(shù)主要與其他地質(zhì)勘測(cè)方法相結(jié)合，在一些面積較大的水利水電工程中提升圖紙繪制質(zhì)量、地址選取質(zhì)量及線性選擇質(zhì)量，解決視野盲區(qū)的地質(zhì)調(diào)查問(wèn)題，減少工作人員的戶(hù)外工作量，從而提升地質(zhì)勘測(cè)效率[2]。將RS技術(shù)應(yīng)用在水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)中，可以對(duì)一些較為危險(xiǎn)的地帶進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，如滑坡地區(qū)、泥石流地區(qū)及出現(xiàn)過(guò)崩塌的地區(qū)，同時(shí)能對(duì)工程量巨大的地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘測(cè)，如輸水隧洞。

2 工程物探技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

2.1 地球物理層析成像技術(shù)

地球物理層析成像技術(shù)主要利用已有的鉆孔或平洞，采用一定的發(fā)射和接收方式，對(duì)透射波進(jìn)行采集和處理，通過(guò)研究與分析孔洞之間巖體的波速值，對(duì)各區(qū)間的巖體進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析和判斷。在之前的水利水電工程中，進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)時(shí)由于不了解巖層的實(shí)際情況會(huì)出現(xiàn)很多困難，嚴(yán)重阻礙了水利水電工程的進(jìn)展[3]。而在水利水電工程中使用地球物理層析成像技術(shù)，可以使工作人員了解巖層間的詳細(xì)情況，減輕工作量，并在一定程度上保證地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 地震勘探技術(shù)

地震勘探技術(shù)是利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，通過(guò)觀測(cè)和分析大地對(duì)人工激發(fā)地震波的響應(yīng)，推斷地下巖層性質(zhì)和形態(tài)的地球物理勘探方法。地震勘探技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，與其他物探方法相比，具有精度高、分層詳細(xì)和探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，地震勘探的儀器裝備、處理軟件更新?lián)Q代的速度明顯加快，地震資料采集、處理與解釋的一體化趨勢(shì)得到加強(qiáng)。在水利水電工程勘測(cè)時(shí)，通過(guò)對(duì)地震波進(jìn)行記錄及處理，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行解釋?zhuān)芍叵虏煌貙拥目臻g分布、構(gòu)造形態(tài)、巖性特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩、水電站等水利水電工程項(xiàng)目地基及地下潛在的危險(xiǎn)區(qū)，以便提前處理潛在的風(fēng)險(xiǎn)，大大減少施工人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

2.3 聲波探測(cè)技術(shù)

聲波探測(cè)技術(shù)是彈性波探測(cè)技術(shù)的一種，是一種巖石（體）測(cè)試技術(shù)。用聲波儀測(cè)試聲源激發(fā)的彈性波在巖體（巖石）中的傳播情況，借以研究巖體（巖石）的物理性質(zhì)和構(gòu)造特征，從而解決某些工程地質(zhì)問(wèn)題。聲波探測(cè)技術(shù)屬于無(wú)損檢測(cè)的方法，具有其他破壞性試驗(yàn)沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，在水利水電工程中應(yīng)用較廣。可利用聲波探測(cè)技術(shù)對(duì)工程巖體進(jìn)行分類(lèi)、分級(jí)，評(píng)價(jià)巖體的完整性和強(qiáng)度;測(cè)定地下工程圍巖的穩(wěn)定性，包括圍巖松弛帶范圍的測(cè)定和圍巖穩(wěn)定性的定期觀測(cè);進(jìn)行工程地質(zhì)勘探鉆孔及孔間地質(zhì)剖面分層，確定風(fēng)化層厚度，為設(shè)計(jì)開(kāi)挖及處理提供依據(jù);測(cè)定巖石和巖體的動(dòng)彈性系數(shù)，如動(dòng)彈性模量、泊松比等;探測(cè)巖體中存在的缺陷，如構(gòu)造斷裂，巖溶洞穴的位置、規(guī)模，張開(kāi)裂縫的延伸方向和長(zhǎng)度等。通過(guò)應(yīng)用聲波探測(cè)技術(shù)，可以使勘測(cè)人員了解巖體的物理性質(zhì)及工程特性，發(fā)現(xiàn)巖體中存在的缺陷，針對(duì)性地布置下一步的勘測(cè)工作，提高勘測(cè)工作效率，縮短勘測(cè)工期，為設(shè)計(jì)施工提供良好的保障[4]。

2.4 高密度電法勘探技術(shù)

高密度電法是一種電阻率法，將直流電通過(guò)接地電極供入地下，建立穩(wěn)定的人工電場(chǎng)，在地表觀測(cè)某點(diǎn)的垂向和水平方向的電阻率變化，從而了解地下介質(zhì)的特點(diǎn)，找出地下存在的不均勻電性體（如滑坡體、風(fēng)化層、巖溶等），得出工程的地質(zhì)構(gòu)造情況。其電極布置及工作方法如圖1所示。利用高密度電法勘探技術(shù)可進(jìn)行地下水調(diào)查，測(cè)定地下水水位的深度，圈定地層巖性邊界，無(wú)損檢測(cè)水庫(kù)、河流堤壩滲漏情況，探測(cè)工程區(qū)的白蟻巢穴、空洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象等。該勘探技術(shù)的應(yīng)用大大拓寬了工程勘測(cè)的業(yè)務(wù)范圍，對(duì)水利水電事業(yè)的發(fā)展起到了良好的輔助作用。

2.5 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）是利用高頻電磁脈沖波的反射來(lái)探測(cè)目的體及地質(zhì)界面的電磁裝置，又稱(chēng)地質(zhì)雷達(dá)，屬于電磁法勘探，是一種在水利水電工程中常用的物探方法。探地雷達(dá)利用高頻電磁波形式，由地面通過(guò)天線送入地下，經(jīng)地下地層或目的體反射后返回地面，為另一天線所接收，如圖2所示。將收集到的數(shù)據(jù)利用相關(guān)軟件進(jìn)行處理，結(jié)合地質(zhì)、勘探等方面的資料，建立測(cè)區(qū)地質(zhì)-地球物理模型，并得到地下介質(zhì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)特征。探地雷達(dá)可以用于探測(cè)地下洞穴、構(gòu)造破碎帶、滑坡體、劃分地層結(jié)構(gòu)及地下洞室圍巖、混凝土襯砌質(zhì)量的檢測(cè)。在進(jìn)行野外勘測(cè)作業(yè)時(shí)，可利用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)地下管道、管線、洞穴等，降低了勘測(cè)工作的難度，為施工人員帶來(lái)了極大便利，減少了勘測(cè)作業(yè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)損失。

3 原位測(cè)試方法在水利水電工程中的應(yīng)用

3.1 靜力觸探試驗(yàn)方法

靜力觸探試驗(yàn)是以靜壓力將圓錐形探頭按一定速率勻速壓入土中，測(cè)量其貫入阻力（包括錐頭阻力和側(cè)壁摩阻力或摩阻比），并按其所受阻力的大小劃分土層，確定土的工程性質(zhì)。靜力觸探試驗(yàn)克服了特殊地層或薄層地層取原狀試樣的難題，并且試驗(yàn)范圍較大，能夠保持各類(lèi)土體的原狀樣，比較客觀地測(cè)試各類(lèi)土體的空間分布及工程特性，且野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)簡(jiǎn)單、方便，測(cè)試時(shí)間短，在水利水電工程地質(zhì)勘察中得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。通過(guò)靜力觸探試驗(yàn)可以查明地基土在水平方向和垂直方向的變化，劃分土層，確定土的類(lèi)別;確定建筑物地基土的承載力、變形模量以及其他物理力學(xué)指標(biāo);選擇樁基持力層，預(yù)估單樁承載力，判別樁基沉入的可能性;檢查填土及其他人工加固地基的密實(shí)程度和均勻性，判別砂土的密實(shí)度及其在地震作用下的液化可能性等。靜力觸探試驗(yàn)方法的應(yīng)用，減少了野外勘探的時(shí)間。由于人為擾動(dòng)少，數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，準(zhǔn)確可靠，它常結(jié)合地質(zhì)鉆探勘察一起使用，保證了勘察結(jié)果的質(zhì)量。

3.2 圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)方法

圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)利用一定的錘擊動(dòng)能，將一定規(guī)格的圓錐探頭打入土中，根據(jù)打入時(shí)的阻抗大小判別土層變化，對(duì)土層進(jìn)行分層，估計(jì)土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，鑒別土的密實(shí)度。目前采用的圓錐動(dòng)力觸探有輕型、重型和超重型3種不同的規(guī)格。輕型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)一般用于貫入深度小于4 m的黏性土、由黏性土組成的素填土和粉土。重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)一般適用于砂土、中密以下的碎石土和極軟巖。超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)一般適用于較密實(shí)的碎石土、極軟巖和軟巖。通過(guò)圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)可以進(jìn)行力學(xué)分層，判斷巖土層的密實(shí)性，評(píng)價(jià)地基的均勻性等。由于試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)地層的人為擾動(dòng)較小，能提供科學(xué)合理、可靠穩(wěn)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在水利水電勘測(cè)過(guò)程中應(yīng)用范圍較廣，是水利水電工程勘察不可或缺的勘探方法之一。

4 結(jié)語(yǔ)

在水利水電工程建設(shè)過(guò)程中，地質(zhì)勘測(cè)工作貫穿全過(guò)程，具有極為重要的作用。選擇合理的勘測(cè)方法和技術(shù)，才能高效率高質(zhì)量地完成勘測(cè)工作，為設(shè)計(jì)施工保駕護(hù)航，確保水利水電項(xiàng)目順利完工。在水利水電勘測(cè)過(guò)程中，工作人員要及時(shí)更新地質(zhì)勘測(cè)方法與技術(shù)，并引進(jìn)一些先進(jìn)的勘測(cè)方法與技術(shù)，推動(dòng)工程地質(zhì)勘測(cè)行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)水利水電事業(yè)更好地發(fā)展。

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