綜合物探方法進行風電場巖性分層

習建軍，王中榮，李 靜

(1.河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 050031；2.吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春 130026)

近年來，隨著國家“節能減排”政策的實施，風力發電作為一種清潔能源得到了大力的發展。風能電力工程在工程勘察與環境評價中，經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，我國風力資源豐富的地區，風機位常設在鉆機難以到達的山頂，采用常規勘察手段(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的兩個風電場工程勘察中，采用探地雷達方法，結合瞬態瑞雷波法，解釋結果表明，在風電巖土勘察中具有很好的應用效果。

1 基本原理

探地雷達是一種用于確定地下介質分布的廣譜(10MHZ－2GHZ)電磁技術,作為一種先進的工程物探方法，它依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作，電磁波脈沖由發射天線T發出，被地下介質面(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。電磁波在介質中傳播時其路徑、電磁強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化。因此，根據接收波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度與波形資料，可推斷介質的結構，判斷目標體的位置、深度和幾何形態。

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展起來的一種淺層地震勘探新技術，該方法是利用瑞雷波的傳播速度與巖土的物理力學性質密切相關性，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情況。在地面沿波的傳播方向，以一定的道間距?x設置N個檢波器，可以檢測到瑞雷波在N?x長度范圍內的波場，設瑞雷波的頻率為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換為VR－λR曲線，λR為波長：

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

2 應用實例

2.1 河北沽源縣某風機位基巖面勘察

沽源某風電場工程位于張家口市的沽源縣，地貌屬高山區，溝谷切割強烈，交通不便。風機位區域地層主要由碎石土及燕山期中－微風化花崗巖、侏羅系粗面安山巖及安山質凝灰巖構成。

由于該風電場區地處高山，溝谷橫錯，鉆探機械設備難于到達風機塔位，在巖土工程勘探時采用鉆探、探井對每個風機塔進行勘探難度很大，因此，在已有探坑資料的基礎上進行了瑞雷面波和探地雷達探測，主要勘察風機位區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)作震源激發地震波，4.5Hz低頻檢波器進行數據采集。經現場試驗對比，本次工作參數為：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據解釋，得到測線的瑞雷面波深度－速度剖面圖(見圖3)。深度—速度剖面圖使用統一彩色分級，分級范圍從245m/s～563m/s，分級界線用等值線標注，參照色標即可知道任一深度的速度值。結合相應的探坑數據(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參數為：50MHz非屏蔽天線，天線間距4.2m。采樣步長為0.1m，疊加次數、采樣率根據實際情況做適當調整，采用點測方式進行探測。使用Reflexw軟件進行數據處理，利用Surfer軟件得到雷達成果圖(見圖4)。

7號風機位探坑資料顯示(圖5)，10.2m以上為碎石及強風化基巖，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，對應基巖分界面，而且分界面起伏總體呈現出左深右淺的形態；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，對應基巖分界面，圖像分界面同樣以左深右淺的形態起伏。

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 河北張北縣某風電場基巖面勘探

張北某風電場49.5MW工程位于張家口市張北縣，為張家口壩上山區地貌單元，地貌為高山區，溝谷切割強烈。風機位區域內地層主要由第四系殘坡積粉土、塊石、碎石及強風化－中等風化花崗巖、安山巖及安山質凝灰巖等構成。

巖土工程勘察的主要目的是查明上部覆蓋層的厚度，了解風機位區域20m內巖性變化情況。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作用，減少了鉆探、探井的工作量。

在21號風機位，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備及參數設置同上例。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，結合相應的探地雷達數據(見圖7)，資料解釋以瑞雷面波速度260m/s、320m/s、400m/s作為分界，分別對應地層的第四系殘坡積粉土層、碎石層、強風化基巖、中等風化基巖。

從瑞雷面波剖面圖(圖6，風機塔位于測線中點)可以看出，21號風機位地面下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為強風化基巖，5.7m以下為中等風化基巖，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 結論

通過綜合物探在以上兩個電力工程勘察中的應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風機塔、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，結合兩種物探手段進行綜合物探調查，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，二者都是不斷發展的工程物探技術，要想靈活掌握二者的綜合技巧，還需要積累大量的實際經驗。

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