新疆水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)的主要方法研究

趙 暉

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000)

0 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)水平得不斷提高，人們對(duì)水利水電工程建設(shè)質(zhì)量提出了更高要求，作為水利水電工程建設(shè)的基礎(chǔ)工作—地質(zhì)勘測(cè)引起了工程建設(shè)者的廣泛關(guān)注，尤其地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)成為業(yè)內(nèi)人士探討的熱門(mén)話題。

當(dāng)前，新疆地區(qū)的水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)采用的方法有工程鉆探和山地勘探、遙感技術(shù)以及工程物探等方法，下面逐一對(duì)其進(jìn)行探討。

1 工程鉆探和山地勘探方法

工程鉆探仍是當(dāng)前獲得地質(zhì)狀況的有效方法，而在山地勘探的常用方法有豎井和平硐勘探［1］。經(jīng)多年發(fā)展，鉆探和勘探技術(shù)日益成熟而且不斷出現(xiàn)新的技術(shù)，為水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)工作的順利進(jìn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。常用的方法有6 種:砂卵石層鉆進(jìn)技術(shù)、金剛石鉆進(jìn)技術(shù)、金剛石繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)、套鉆技術(shù)、軟弱夾層鉆技術(shù)和大口徑鉆探技術(shù)。

1.1 砂卵石層鉆進(jìn)技術(shù)

砂卵礫石層因具有厚度大、埋藏深、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)地堅(jiān)硬等特點(diǎn)，一直是水利水電工程鉆探面臨的技術(shù)難題［2］。后經(jīng)大量的研究和實(shí)踐，研究出了SM植物膠和MY －1A 植物膠沖洗液金剛石鉆進(jìn)法，顯著提高了砂卵石層鉆進(jìn)效率。

實(shí)際施工時(shí)將膨潤(rùn)土、水、堿、SM 植物膠按照一定的比例配置成沖洗液應(yīng)用到鉆進(jìn)施工中，憑借其良好的潤(rùn)滑減阻、減震性能，能夠有效防止孔壁坍塌和保護(hù)巖心的作用。

1.2 金剛石鉆進(jìn)技術(shù)

目前，水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)中金剛石鉆進(jìn)技術(shù)較為常用。結(jié)合大量地質(zhì)勘測(cè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為提高金剛石鉆進(jìn)效率，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)把握以下3 項(xiàng)內(nèi)容:

1)結(jié)合巖石的風(fēng)化程度選擇合適的開(kāi)孔鉆頭，通常情況下開(kāi)孔時(shí)使用0.3 ～0.5 m長(zhǎng)的巖芯管進(jìn)行施工。隨著鉆孔深度的增加，為避免孔傾斜應(yīng)適當(dāng)增加巖芯管長(zhǎng)度。開(kāi)孔鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)使用麻花鉆，鉆進(jìn)到達(dá)風(fēng)化巖石時(shí)應(yīng)使用短巖芯管長(zhǎng)取粉管鉆進(jìn)，以及時(shí)將巖粉撈取出來(lái)［3］。

2)確定下套管層數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮孔深和孔徑情況，并且套管不能彎曲，各部位連接應(yīng)牢固。同時(shí)，使用水泥或黏土將套管口封閉嚴(yán)密，以防止巖粉進(jìn)入套管，給鉆進(jìn)工作造成干擾［4］。

3)下鉆時(shí)經(jīng)過(guò)掉塊或孔口管換徑位置時(shí)應(yīng)緩慢下鉆，遇阻時(shí)應(yīng)輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，避免猛提和猛頓鉆具。

1.3 金剛石繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)

該技術(shù)最大特點(diǎn)為能在不提鉆的狀況下，利用繩索將包含巖心的內(nèi)管提到地面上，進(jìn)而能夠方便地采取巖芯［5］。因此被廣泛應(yīng)用到淺孔、深孔鉆孔作業(yè)中。尤其在水利水電地質(zhì)勘測(cè)過(guò)程中能有效避免孔壁掉塊、坍塌情況的發(fā)生，能有效提高地質(zhì)勘測(cè)效率。

1.4 套鉆技術(shù)

利用套鉆技術(shù)能有效地從軟弱層帶中獲取原狀巖芯，尤其在軟弱或破碎夾層中能較好地保證巖芯質(zhì)量。

具體施工時(shí)應(yīng)做到:

1)在鉆孔段的中心位置鉆取36 ～46 mm直徑大小的鉆孔，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到1 ～1.5 m時(shí)進(jìn)行插筋并將黏結(jié)劑灌入其中。

2)等待黏結(jié)劑凝結(jié)后，使用直徑110 mm孔徑套取巖芯。主要因?yàn)樵陴そY(jié)劑的作用下插入的細(xì)鋼管和巖芯凝結(jié)在一起，因此能完整的取出軟弱夾層且能使其保持較好的原有狀態(tài)。

該技術(shù)應(yīng)用在眾多的水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)中，取得了良好的效果。

1.5 軟弱夾層鉆技術(shù)

在軟弱夾層中使用一般的金剛石鉆進(jìn)法施工成功率較低，為此應(yīng)使用專(zhuān)門(mén)的技術(shù)以提高軟弱夾層鉆進(jìn)效率［6］。

在軟弱夾層鉆進(jìn)施工時(shí)通常使用軟夾層鉆技術(shù)，該技術(shù)運(yùn)用的取芯鉆具包括巖芯阻塞報(bào)警裝置、扶正裝置、懸掛裝置等部件構(gòu)成。同時(shí)還包括一些減少振動(dòng)、免受擠壓和沖刷的保護(hù)系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)踐證明該技術(shù)在水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)中發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.6 大口徑鉆探技術(shù)

水利水電地質(zhì)勘測(cè)中豎井的開(kāi)鑿很大程度上使用機(jī)械設(shè)備，一方面它能提高勘測(cè)施工效率，另一方面能降低勞動(dòng)強(qiáng)度提高勘測(cè)作業(yè)安全系數(shù)，而且作業(yè)中能減小對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的影響［7－8］。

當(dāng)前，大口徑鉆探技術(shù)使用的設(shè)備可開(kāi)鑿直徑為800 ～1 200 mm的鉆井，而且鉆井深度可結(jié)合鉆井方法調(diào)整，取芯操作時(shí)雖鉆井直徑不超過(guò)1 200 mm，但鉆進(jìn)深度可達(dá)50 ～60 m。如進(jìn)行全斷面鉆進(jìn)孔徑為800 ～1 200 mm，孔深可超過(guò)100 m。

總之，利用大口徑鉆探技術(shù)可通過(guò)孔壁和巖芯不但能觀察地質(zhì)風(fēng)化、斷層、透水性、巖性等狀況，而且還可研究水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖體結(jié)構(gòu)。

2 遙感技術(shù)勘測(cè)方法

遙感技術(shù)在水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)上的應(yīng)用，大大提高了地質(zhì)勘測(cè)的靈活性和準(zhǔn)確性。依據(jù)遙感平臺(tái)高度可將遙感勘測(cè)技術(shù)分為地面遙感、航空遙感和航天遙感3 種類(lèi)型。

且利用該技術(shù)獲得的陸地?cái)z影照片、航片、衛(wèi)星照片等材料均是真實(shí)自然景觀的圖像，因此能夠較清晰、全面的反映出巖溶、泥石流、崩塌、滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象，同時(shí)還能從中觀察出地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和地貌形態(tài)。

遙感勘測(cè)技術(shù)具有信息豐富、視野廣闊、獲得的影像具有一定周期性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)工作中。

2.1 研究區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性

利用遙感技術(shù)能夠獲得大量的高質(zhì)量線性構(gòu)造信息，因此能夠準(zhǔn)確地反映出地貌形態(tài)、水系分布以及地質(zhì)特征等信息，進(jìn)而幫助地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)人員更好地研究水利水電工程周?chē)貐^(qū)構(gòu)造格架，評(píng)估工程周邊地區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性提供準(zhǔn)確素材。

2.2 調(diào)查自然災(zāi)害

水利水電工程附近諸如泥石流、滑坡、崩塌自然災(zāi)害的調(diào)查是地質(zhì)勘測(cè)工作的重要組成部分。針對(duì)該項(xiàng)內(nèi)容的勘測(cè)如借助遙感技術(shù)提供的彩紅外片或航衛(wèi)片，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查提供的資料進(jìn)行全面的分析，能較詳細(xì)的了解影響水利水電工程穩(wěn)定性的自然災(zāi)害情況，對(duì)保證水利水電工程穩(wěn)定性運(yùn)行具有重要意義。

2.3 調(diào)查巖溶情況

遙感技術(shù)提供的影像材料尤其彩紅外影像，能為分析水利水電工程巖溶情況提供準(zhǔn)確參考。一方面從影像中能很好的判讀巖溶地貌狀況，另一方面能從介質(zhì)紅外光譜差異性上分析泉水和地下水分布信息。

國(guó)內(nèi)很多水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)時(shí)，利用該方法研究巖溶及其滲漏問(wèn)題取得較好效果。

2.4 地質(zhì)測(cè)繪填圖

地質(zhì)測(cè)繪時(shí)要求在保證成圖現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和確保野外工作量的基礎(chǔ)上，提倡使用遙感圖進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪。而且部分地區(qū)大比例尺工程地質(zhì)圖應(yīng)首先考慮遙感成圖。這些要求均在我國(guó)水利水電工程勘測(cè)相關(guān)文件中有所體現(xiàn)。

2.5 地質(zhì)編錄巖土工程開(kāi)挖面

為更好的完成水利水電工程施工中存檔備查、安全預(yù)報(bào)、反饋設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)工作，應(yīng)借助遙感技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)編錄以指導(dǎo)水利水電工程地下工程開(kāi)挖施工。

為此，我國(guó)相關(guān)研究部門(mén)，在完善高邊坡快速地質(zhì)編錄系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，成功應(yīng)用到水利水電工程項(xiàng)目中。

實(shí)際施工時(shí)結(jié)合使用數(shù)碼攝像機(jī)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理，運(yùn)用專(zhuān)門(mén)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理后能夠獲得任意方位的線劃圖和連續(xù)的彩色影響。

2.6 研究防洪、水土保持情況

我國(guó)相關(guān)科研單位曾利用TM 衛(wèi)片，對(duì)負(fù)責(zé)區(qū)域的水利水電工程附近的泥石流、滑坡情況進(jìn)行解譯，同時(shí)對(duì)其發(fā)育情況進(jìn)行劃分最終獲得了區(qū)劃圖，并在此基礎(chǔ)上提出了治理和建立預(yù)警系統(tǒng)意見(jiàn)，進(jìn)而為負(fù)責(zé)區(qū)域的水利水電工程防洪、水土保持工作的開(kāi)展提供價(jià)值較高的資料。

3 工程物探方法

我國(guó)水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)中工程物探方法的應(yīng)用起步較晚，直到20個(gè)世紀(jì)90年代，一些研究單位中才配備管線儀、聲波儀、透視儀、電法儀以及綜合測(cè)井儀等設(shè)備，使地質(zhì)勘測(cè)野外數(shù)據(jù)采集精度得到較大提高，一定程度上促進(jìn)了我國(guó)地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

3.1 地球物理層析成像技術(shù)

該技術(shù)借助已存在的鉆孔或平洞，對(duì)發(fā)射和接受的投射波進(jìn)行采集和處理，進(jìn)而獲得孔洞間波速值，最終對(duì)區(qū)間的巖體做出判斷。

實(shí)際勘測(cè)施工中如未找到有效且經(jīng)濟(jì)的方法，采用該技術(shù)往往能取得較好的效果，它不但減少操作勞動(dòng)量，而且還能提高巖體物理力學(xué)整體評(píng)價(jià)質(zhì)量。

因此，我國(guó)非常重視該種技術(shù)在水利水電工程項(xiàng)目中的應(yīng)用。

3.2 鉆孔彩色電視系統(tǒng)

該系統(tǒng)在確定泥化夾層位置、形狀和尺寸方面發(fā)揮重要作用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展鉆孔彩色電視系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了a91mm、a53mm、50mm 階段，其中a53mm 彩色電視系統(tǒng)中的鉆孔在a56mm 金剛石鉆孔基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，50 mm的鉆孔彩色電視系統(tǒng)為在地質(zhì)勘測(cè)中更好的觀察水平風(fēng)鉆情況研制而成，該系統(tǒng)中首次運(yùn)用了CCD 光電耦合器件，具有性能穩(wěn)定、集成度高、設(shè)計(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)。

在科技發(fā)展推動(dòng)下，鉆孔彩色電視系統(tǒng)融合了數(shù)字和圖像處理技術(shù)，功能越來(lái)越強(qiáng)大，例如主機(jī)將錄像機(jī)、監(jiān)視器、控制器融合為一體，能接入口徑不同的鉆孔電視探頭，不但實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化壓縮存儲(chǔ)，而且為后期的處理提供較大便利。

3.3 高密度電法勘探

高密度電法工作依據(jù)的原理仍包含在電阻率法的范疇之內(nèi)，不過(guò)其將地震勘探數(shù)據(jù)采集方法引入進(jìn)來(lái)。

進(jìn)行野外實(shí)際勘測(cè)時(shí)能將所有電極設(shè)置在測(cè)點(diǎn)上，并利用電測(cè)儀和程控電極開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)采集，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)而獲得地電剖面圖。該方法融合了計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代電子技術(shù)，能顯著提高地電數(shù)據(jù)采集效率。

4 總 結(jié)

地質(zhì)勘測(cè)質(zhì)量對(duì)水利水電工程的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)具有重要影響，尤其地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜地區(qū)，相關(guān)部門(mén)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取針對(duì)性方法以提高地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完整性，為水利水電工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供良好的信息支撐。

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