高密度電法在引水隧洞勘察中的應(yīng)用研究

吳偉達

(泉州水務(wù)工程建設(shè)集團有限公司 福建泉州 362000)

0 引言

隨著城市化的發(fā)展，城市用水量不斷加大。由于水資源存在區(qū)域分布不均的特點，往往不得不進行跨區(qū)域取水而修建引水隧洞。引水隧洞是一項隱蔽工程，工程地質(zhì)條件一般較為復(fù)雜，施工中很有可能遇到構(gòu)造破碎帶、斷層等不利地質(zhì)條件，給工程的施工帶來安全隱患，如果未能及早發(fā)現(xiàn)并采取有效措施，將對施工進度以及工程質(zhì)量造成嚴重影響。所以，選擇合適的方法對引水隧洞地質(zhì)條件進行探查是十分關(guān)鍵的，它將為下一步的設(shè)計工作提供更為有利的地質(zhì)資料。

勘察采用的方法多樣，一般以鉆探、坑探及槽探方法為主，輔以物探等方法。物探具備成本低、速度快、測試范圍廣等優(yōu)勢，成為勘察工作中非常有效的手段。物探方法中的高密度電法以其觀測精度高，操作便捷等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于堤壩滲漏、引水隧洞、軟土地基、高填方等工程勘察中[1-7]

本工程為引水隧洞工程，工程所在區(qū)域地形起伏大，地質(zhì)復(fù)雜多變。采用傳統(tǒng)鉆探方式難度大，人力成本高，且效果難以保證。因此，本工程先采用高密度電法進行物探作業(yè)，用于初步探測引水隧洞開挖范圍內(nèi)覆蓋層厚度變化及構(gòu)造裂隙帶發(fā)育等情況，再結(jié)合物探解譯結(jié)果進行合理的鉆探布置。

1 高密度電法原理

高密度電法勘探是一種電法勘探方法，是將多個電極通過多路電極轉(zhuǎn)換儀，進行各種類型的排列組合，完成電測深法或電剖面法[8]。高密度電法基于陣列勘探的理論，能夠顯示探測范圍內(nèi)在縱、橫向電阻率的差異，是目前工程物探中最為常用的方法之一[9]。

在高密度電法現(xiàn)場測試中，一般采用固定距離(一般1 m～10 m)將電極分別設(shè)置于勘測線上，用測試儀器進行數(shù)據(jù)自動采集，野外工作示意圖如圖1所示。其優(yōu)勢在于布置簡單，自動化程度高，可根據(jù)需要選擇適合的測試設(shè)備。

圖1 高密度電法測量系統(tǒng)野外工作示意圖

2 工程實例及分析

2.1 工程概況

該引水隧洞物探線路總長約1.1 km，沿線以剝蝕丘陵及山前侵蝕地貌為主，山坡地形坡度較大，覆蓋層厚度總體較薄且不均勻，沿線大部分基巖出露；坡腳地形平緩，覆蓋層厚度較大，僅在沿線沖溝、河谷有零星基巖出露?？辈靺^(qū)地表分布為第四系覆蓋層，厚度變化較大，其下伏基巖為侏羅系南園組凝灰熔巖。在勘察深度范圍內(nèi)，巖土介質(zhì)的物性具有電阻率遞增的物性條件，測試區(qū)域巖土物性參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 巖土物性參數(shù)統(tǒng)計

在巖層中如果出現(xiàn)構(gòu)造破碎帶、斷層以及兩種巖層接觸帶，該區(qū)域的電阻率值將顯著下降，并顯示出一定的差異。根據(jù)這些差異，可以推測出測試區(qū)域內(nèi)的巖層分界、地質(zhì)構(gòu)造帶以及節(jié)理裂隙密集帶。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集選用工作參數(shù)為：電極60個，點距5 m，一次排列長度295 m，觀測層數(shù)19層，采用溫納裝置。

高密度電法資料處理的具體流程是：首先對野外測試獲取的初始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去除異變點，下一步采用RES2DINV軟件對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進一步成像，帶入地形信息，進行地形修正與深度反演擬合，之后對處理結(jié)果進行綜合分析解譯，最后用CAD形成最后的測試成果。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 高密度電法數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3 重要測線解釋

鯉魚頭段引水隧洞勘測區(qū)段共設(shè)置7條高密度電阻率測線，由于篇幅有限，這里僅對幾條重要的控制全區(qū)的測線的地質(zhì)解譯情況進行分析。

A測線：跨鉆孔ZK30和ZK29，剖面長300 m，覆蓋層厚度在5.0 m～16.0 m之間，厚度變化較大，沿測線中部向兩側(cè)逐漸變?。粡婏L(fēng)化凝灰熔巖厚度在4.0 m～20.0 m之間，厚度變化較大，沿測線中部向兩側(cè)逐漸變薄，如圖3所示。

C測線：跨鉆孔ZK28、ZK27、ZK26、ZK18和ZK17，剖面長300 m ，覆蓋層厚度在5.0 m～25.0 m之間，厚度變化較大；強風(fēng)化凝灰熔巖厚度在1.0 m～5.0 m之間，厚度變化較小。距離220 m～240 m，深度范圍0～50 m處存在右傾角約45°的相對低阻異常區(qū)域。根據(jù)電阻率等值線圖的特征，推測為構(gòu)造裂隙帶，如圖4所示。

2.4 鉆探成果對物探測試的驗證

本次鉆探是在工程地質(zhì)測繪及物探的基礎(chǔ)上進行，在引水隧洞進出口段及洞身共計設(shè)置鉆孔 14個 (含控制性鉆7個，一般性鉆孔7個)，鉆孔編號ZK17～ZK30。隧洞洞身按60 m～120 m間距設(shè)置鉆孔，進出口段按30 m左右設(shè)置鉆孔。其中ZK18鉆孔為相對低阻異常區(qū)域驗證孔。

A測線：鉆孔ZK30和ZK29分別位于20 m和63 m處，ZK30和ZK29位置處物探反演得出的覆蓋層厚度范圍分別為8 m～13 m、6 m～10 m，對應(yīng)鉆孔的覆蓋層厚度分別為9.4 m、9.3 m，兩個鉆孔的物探反演結(jié)果與鉆孔結(jié)果基本一致，如圖3所示。

圖3 反演后的A測線電阻率剖面和斷層地質(zhì)解釋剖面

圖4 反演后的C測線電阻率剖面和斷層地質(zhì)解釋剖面

C測線：鉆孔ZK28、ZK27、ZK26、ZK18和ZK17分別位于88 m、120 m、156 m、230 m和268 m處，其中ZK28、ZK27、ZK26和ZK17位置處物探反演得出的覆蓋層厚度范圍分別為2 m～6 m、7 m～11 m、4 m～7 m、27 m～33 m，對應(yīng)鉆孔的覆蓋層厚度分別為7.3 m、10.0 m、6.8 m、32.4 m，除鉆孔ZK28在深度范圍上略有偏差外，其余鉆孔的物探反演結(jié)果與鉆孔結(jié)果基本一致，如圖4所示。鉆孔ZK18為異常區(qū)域驗證孔，在29.3-36.7 m范圍出現(xiàn)明顯的破碎帶，與物探反演成果圈定異常區(qū)域基本一致。

本次共布置鉆孔14個，其中除鉆孔ZK28在深度范圍上略有偏差外，其余13個鉆孔物探反演結(jié)果與鉆孔結(jié)果基本一致，物探解譯結(jié)果的準確率較高。

3 結(jié)論

(1)在本工程中，C測線存在右傾角約45°的相對低阻異常區(qū)域，根據(jù)電阻率等值線圖的特征，推測為構(gòu)造裂隙帶。

(2)高密度電法是一種快速有效的工程物探方法，在引水隧洞勘察項目凝灰熔巖和第四紀覆蓋層的地質(zhì)條件下，可以有效推測出構(gòu)造裂隙帶位置以及覆蓋層的厚度。經(jīng)過鉆探驗證，說明了高密度電法勘測結(jié)果的可靠性。

(3)針對本工程的地質(zhì)條件，高密度電法可以有效依據(jù)第四紀覆蓋層、強風(fēng)化凝灰熔巖和中風(fēng)化凝灰熔巖的電性差異來劃分地層，也能夠利用巖層中存在的低阻異常區(qū)來劃分構(gòu)造裂隙區(qū)域，并推斷構(gòu)造裂隙帶的大致走向。因此，是一種高效、便捷的物探方法。