論某水庫(kù)安全鑒定中的綜合物探技術(shù)

陳秋

摘要：采用高密度電法、孔內(nèi)波速測(cè)井技術(shù)，結(jié)合水庫(kù)大壩的安全性評(píng)價(jià)與勘察。重點(diǎn)闡述了高密度電法、孔徑內(nèi)波速測(cè)井的工作原理、工作特點(diǎn)、工作布置原則以及對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的解釋。通過(guò)實(shí)測(cè)鉆孔的綜合物探技術(shù)，對(duì)壩體充填材料及土巖分界面進(jìn)行了分析，為工程設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。綜合運(yùn)用多種物理勘探手段，克服了單一地勘的局限，能更真實(shí)、準(zhǔn)確地反映工程地質(zhì)情況。該方法不僅為同類(lèi)項(xiàng)目的施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，而且對(duì)其他項(xiàng)目也有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)；安全評(píng)價(jià)；綜合物探技術(shù)；

0 引言

從20世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者、專(zhuān)家們已經(jīng)開(kāi)展了大量的地質(zhì)勘探工作，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了一些成果，其中以高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、高精度磁法為主；高密度電法是目前水庫(kù)巖溶勘探中最常用的方法，其作用包括：（1）采用高密度電測(cè)技術(shù)，能初步確定擬建場(chǎng)地沿線(xiàn)巖溶發(fā)育狀況，并對(duì)其空間特性進(jìn)行了較為精確的圈定；（2）采用高密度電測(cè)技術(shù)，能對(duì)巖溶區(qū)進(jìn)行巖土工程調(diào)查，初步確定隱伏構(gòu)造、構(gòu)造破碎帶、巖溶地貌；（3）在工程設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)注意坑道等不良地質(zhì)現(xiàn)象的存在，為工程設(shè)計(jì)和施工提供物探基礎(chǔ)；（4）利用高密度電法，能確定橋基灰?guī)r層中的溶洞，確定隧道中的破裂區(qū)，為今后的工程建設(shè)和鉆井提供了依據(jù)；然而，應(yīng)用綜合物探技術(shù)進(jìn)行大壩安全識(shí)別與加固的研究還不多見(jiàn)，本文將高密度電法與孔內(nèi)波速測(cè)井技術(shù)結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用于大壩的安全識(shí)別與勘察。

1 工程概況

某水庫(kù)1959年開(kāi)始建設(shè)，1960年建成，但庫(kù)區(qū)巖體構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，裂縫發(fā)展，風(fēng)化作用較大，主要因?yàn)樵诮◣?kù)時(shí)沒(méi)有進(jìn)行防滲，導(dǎo)致水庫(kù)竣工后蓄水困難，大壩壩頂和壩基滲漏情況十分嚴(yán)重，已無(wú)蓄水能力，1975年開(kāi)始進(jìn)行大壩的維修和加固，并于1997～1998年對(duì)大壩的左右兩個(gè)壩頭進(jìn)行了帷幕注漿。

該水庫(kù)的上游控制區(qū)域面積達(dá)102.1km2，庫(kù)容2900萬(wàn)m3，是一座中等規(guī)模的水庫(kù)。工程等級(jí)為Ⅲ類(lèi)，主體建筑等級(jí)為三級(jí)。攔水結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)主壩和兩個(gè)副壩，它們的基本特性見(jiàn)表1及表2；水庫(kù)蓄水高度73.8m，是一個(gè)綜合蓄水、防洪、養(yǎng)魚(yú)和觀光的綜合水庫(kù)。為充分利用水庫(kù)庫(kù)區(qū)的綜合效益，開(kāi)展水庫(kù)大壩的安全評(píng)估是當(dāng)務(wù)之急。

2 研究區(qū)域的地質(zhì)情況

研究區(qū)域地處西山拗褶區(qū)的中部，坐落于西山群落，地勢(shì)險(xiǎn)要，東南則是一片開(kāi)闊的平地。研究區(qū)的沉陷時(shí)間較長(zhǎng)，自第三紀(jì)到第四紀(jì)晚期開(kāi)始逐步上升。水庫(kù)區(qū)位于坨里背斜東翼，在白堊紀(jì)地層中發(fā)育，其軸向近北稍東傾斜；東翼產(chǎn)狀較為平坦，西翼存在斷裂層，產(chǎn)狀陡峭，發(fā)育不完全。整個(gè)背斜向北傾斜，南段由良鄉(xiāng)斷裂切割而成，為新生代地層所覆蓋。水庫(kù)壩址和庫(kù)區(qū)的巖性以中生界的白堊紀(jì)和第四系地層。第四系地層包括：（1）下統(tǒng)坨里組第三段（K1t3）；呈灰紫色、紫紅色中-厚層復(fù)成分礫巖、砂巖、粉砂巖為主，分布于該水庫(kù)的右岸和壩址區(qū)；（2）夏莊組一期（K2x1）為灰黃色、雜色巖屑砂巖、粉砂巖，局部有泥巖和復(fù)合砂巖，該水庫(kù)的左岸最常見(jiàn)；（3）夏莊組二期（K2x2）是一種灰黃色、雜色細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖互層的地層。

3 綜合物探方法的原理及工作布置

3.1 研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)

本文著重于大壩主壩和副壩的安全評(píng)估，重點(diǎn)是對(duì)壩基與基巖邊界、壩體填充材料的質(zhì)量進(jìn)行分析。

由于壩體充填與下伏巖的物性特征有較大差別，特別是電阻率上的差別較大，因此應(yīng)優(yōu)先采用高密度電法。在現(xiàn)有的地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)例模擬，找出了符合研究區(qū)物性特征的不同地層高密度電法的視電阻率，見(jiàn)下表3：

3.2 高密度電法的原理和特點(diǎn)

高密度電勘探階段，為解決填土與基巖邊界的劃分，必須沿主次壩底軸線(xiàn)方向，從北到南，共布設(shè)1549m。

3.2.1高密度電測(cè)量的基本原理

本次高密度電法勘探，采用了溫納型設(shè)備，見(jiàn)圖1；溫納器裝置的A、M、N、B呈等間距布置，其中A和B是供電電極，M和N是測(cè)量電極，AM=MN=NB是電極距，電極間距按照距離系數(shù)從小到大依次相等的增大，四個(gè)電極間的間距也是均勻地分開(kāi)，采用截面測(cè)量方法，所得物探斷面范圍為倒梯形。

工程探測(cè)深度要求是越深越好，因此采用128道接收，3m的極距，最多42層。如果在施工現(xiàn)場(chǎng)不能進(jìn)行最大排列長(zhǎng)度布局，則應(yīng)依據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，決定所布設(shè)的道數(shù)及極距。

3.2.2 高密度電法的性能

高密度電法具有投入低、實(shí)際效率高、獲取信息豐富等優(yōu)點(diǎn)；結(jié)果翻譯簡(jiǎn)單，而且可以明顯改善

勘察結(jié)果的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。其特征是：

（1）所有的電極布置都是一次布置，可以進(jìn)行各種電極布設(shè)測(cè)量，在沒(méi)有電極布置造成干擾的情況下，可以獲取有關(guān)地電結(jié)構(gòu)的地質(zhì)信息資料；

（2）使數(shù)據(jù)的收集和歸檔實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和離線(xiàn)處理，消除人為因素造成的錯(cuò)誤，提高了電阻率方法的智能化；

（3）可以進(jìn)行各類(lèi)不同的參數(shù)的勘探，利用大量的電學(xué)參數(shù)，如電阻率、極化率、天然電勢(shì)等，從電學(xué)的角度對(duì)巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的劃分。

3.3 孔內(nèi)波速測(cè)井工作原理及應(yīng)用范圍

3.3.1 孔內(nèi)波速測(cè)井原理

通過(guò)人工激發(fā)地震源，利用激發(fā)點(diǎn)檢測(cè)器和井中波形信號(hào)接收點(diǎn)的探測(cè)器同時(shí)接收地震信號(hào)，從而計(jì)算出兩個(gè)傳感器接收到的信號(hào)時(shí)差，然后根據(jù)震源到傳感器之間的距離，可以得到振動(dòng)波在地層中的傳播速度。

3.3.2 孔內(nèi)波速測(cè)井技術(shù)的適用范圍

在工程地質(zhì)調(diào)查中經(jīng)常使用的是孔內(nèi)波速測(cè)井，它的作用是解決下列地質(zhì)問(wèn)題。

（1）地質(zhì)分層：根據(jù)采集到的波速的不同，根據(jù)所采集的波速的變化，求出各個(gè)地層的厚度和彈性波的傳播速率，將地層進(jìn)行分層，確定基礎(chǔ)的持力層；

（2）獲得試驗(yàn)土的工程特性：除了用Vs來(lái)描述土體的工程特性，還可以根據(jù)Vs和土體的一些物理和機(jī)械參數(shù)之間的關(guān)系，求出工程力學(xué)性能指標(biāo)；

（3）巖體風(fēng)化程度劃分：在巖體風(fēng)化后，巖體的組織和組成發(fā)生了改變，裂隙發(fā)育，巖體破碎，使風(fēng)化層的速度增加。根據(jù)基巖的波速變化，可以對(duì)基巖的風(fēng)化層厚度和風(fēng)化程度進(jìn)行分類(lèi)。

4 綜合物探成果資料推斷解譯

上層是用人工填筑的粘土和礫石；下伏基巖以白堊紀(jì)的砂巖、礫巖為主；在對(duì)高密度電法主、副壩資料進(jìn)行解析的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)和孔內(nèi)波速試驗(yàn)結(jié)果，初步確定了填土與基巖的邊界和填充物的密實(shí)度?，F(xiàn)列舉了兩個(gè)典型的主壩和副壩，進(jìn)行解釋?zhuān)桓呙芏入姺ㄌ綔y(cè)是根據(jù)基巖與土壤介質(zhì)導(dǎo)電率的不同，通過(guò)人工構(gòu)建的穩(wěn)定電流場(chǎng)，來(lái)對(duì)地下介質(zhì)的分布進(jìn)行分析，解決相應(yīng)的地質(zhì)問(wèn)題。

在主壩段0～285m的區(qū)間，其埋藏深度在2～10m，其電阻率約400～1500Ω·m，可認(rèn)為是壩體回填的砂礫料；在0～285m的地層中，地層的厚度比試驗(yàn)深度要高，是低阻巖層，其電阻率大約小于400歐姆，可認(rèn)是為砂巖/礫巖；

從圖2及校驗(yàn)鉆孔可以看出：（1）在表層以下厚度11.1m處，其剪切波速度為137～206m/s，屬于可塑-硬塑狀態(tài)；（2）在其底部厚度10.6m處，剪切波速度為321～346m/s，屬于中密的砂礫石。地層剪切波速度Vs=265m/s，是可塑-硬塑的沉積粉質(zhì)粘土層；（3）地層1.1m處剪切波速約372m/s，屬于中密的風(fēng)化殘余碎石；下為白堊紀(jì)的砂礫巖，砂礫巖，剪切波速為620m/s，是強(qiáng)風(fēng)化巖石；（4）該鉆孔的相對(duì)位置在高密度電法剖面104m處位置，而高密度電法在該處的地層厚度為5.7m左右，與波速測(cè)試的結(jié)果相符。

在副壩斷面0～152m的區(qū)間，其深度在1～5m，其電阻率為40～70Ω.m，可判斷是壩體的回填土；在0～152m的地層中，地層的厚度比試驗(yàn)深度深，是低阻巖層，其電阻率大約小于40Ω·m，可判斷是砂巖、礫巖；從圖3及校驗(yàn)鉆孔可以看出：（1）在表層下厚度8.5m處，地層剪切波速度Vs=129～211m/s，屬于可塑-硬塑狀態(tài)，從該巖層的剪切波速度可判斷是第四系粉質(zhì)粘土層，厚度為1.5 m；（2）下為白堊紀(jì)的砂巖、礫巖，含砂礫巖，剪切波速為467m/s，可判斷為強(qiáng)烈的風(fēng)化巖石；（3）該鉆孔的相對(duì)位置在高密度電法剖面上80m處，而高密度電法在該處劃分出的巖體界面深度為3.9m（不計(jì)壩高5.18m），與波速試驗(yàn)的解譯結(jié)果相吻合。

通過(guò)以上綜合物探技術(shù)的分析，可以看出，各個(gè)壩體的土料和壩體的砂礫質(zhì)量都很好，壩體材料均勻，且砂礫均呈中密狀態(tài)；

5 結(jié)論

高密度電法是利用電阻率、極化率、天然電勢(shì)等主要測(cè)量參數(shù)的變化來(lái)獲取豐富的地電學(xué)參數(shù)，并利用電學(xué)參數(shù)對(duì)復(fù)雜的地下構(gòu)造進(jìn)行綜合劃分，這是一種投入低、實(shí)際效率高、獲取信息豐富的方法；結(jié)果解釋簡(jiǎn)單，而且可以極大地改善勘探結(jié)果的整體質(zhì)量，在這次勘探中，對(duì)覆蓋層和基巖的邊界進(jìn)行了比較精確的劃分?？變?nèi)波速測(cè)井技術(shù)是通過(guò)波速的改變，來(lái)劃分地層厚度和彈性波的傳播速率。這種方法可以從地層“軟”到“硬”的角度來(lái)判斷地層的劃分。

參考文獻(xiàn)

[1] 張瑜鵬，夏志強(qiáng)，榮鑫.綜合物探技術(shù)在大壩壩基滲漏探測(cè)中的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2022（4）：42-46.

[2] 周華敏，肖國(guó)強(qiáng)，周黎明，等.堤防隱患綜合物探技術(shù)及應(yīng)用[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2019，36（10）：135-140.