地質(zhì)雷達超前預報在毛爾蓋水電站引水隧洞中的運用

趙 明，肖華波

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

地質(zhì)雷達超前預報在毛爾蓋水電站引水隧洞中的運用

趙 明，肖華波

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

毛爾蓋水電站引水隧洞穿越區(qū)巖性總體為變質(zhì)長石石英砂巖與千枚巖互層。引水隧洞開挖過程中，千枚巖自穩(wěn)能力較低，開挖后應力調(diào)整過程中產(chǎn)生塑性變形量大；在層面與洞軸線交角小的條件下極易生產(chǎn)片幫；開挖過程中千枚巖遇水易軟化，在地下水量較大情況下往往產(chǎn)生突發(fā)性塌方；斷層帶巖體完整性差，自穩(wěn)能力弱，在施工過程中易產(chǎn)生塌方，因此開挖過程中利用地質(zhì)雷達探測技術短距離預測掌子面前段不良地質(zhì)條件，對引水隧洞開挖初期臨時支護與后期二次襯砌具有重要作用。地質(zhì)雷達探測技術短距離超前預報利用電磁波脈沖在不同介質(zhì)中反射回波差異性建立不同巖性組合與斷層帶、地下水富集區(qū)的特征頻譜圖，對照在開挖過程中掌子面收集到的頻譜圖進行數(shù)據(jù)處理與解釋進行短距離超前預報。在毛爾蓋水電站引水隧洞穿越區(qū)，由于各類介質(zhì)物理性質(zhì)差異大，電磁波脈沖在不同介質(zhì)中反射回波差異明顯，運用在引水隧洞開挖過程中超前預報準確率較高。

地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理與解釋；千枚巖；地下水；斷層破碎帶；預報準確度

1 概 述

毛爾蓋水電站引水隧洞長約16.298 km，布置在黑水河左岸，為圓形有壓隧洞，沿線隧洞垂直埋深一般為200～400 m，最大達1 057 m，沿線沖溝較發(fā)育，過溝段上覆基巖最小厚度約為50 m。

引水隧洞區(qū)巖層走向與引水隧洞洞軸線小角度相交，巖性主要為灰～深灰色薄～中層變質(zhì)長石石英砂巖與絹云千枚巖或黑色炭質(zhì)千枚巖夾層或互層。長石石英砂巖屬硬質(zhì)巖，強度高、自穩(wěn)能力強；千枚巖類軟質(zhì)巖，裂隙短小、零亂，結(jié)構(gòu)面以似層面或千枚理面為主，千枚巖遇水易軟化且自穩(wěn)能力較低。引水隧洞圍巖條件和圍巖的穩(wěn)定性主要受控于地層巖性、巖石強度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面組合、風化卸荷程度、上覆基巖厚度，以及巖層與隧洞軸線交角等條件。在諸多因素中，巖石強度和巖體完整性及地層產(chǎn)狀對圍巖穩(wěn)定具控制性。

地質(zhì)雷達利用電磁波脈沖在不同介質(zhì)中反射，反應出不同巖性之間、完整巖體與相對破碎巖體之間、含水量不等的巖體之間存在較大的電性差異，這種差異為在開挖過程中采用地質(zhì)雷達預測千枚巖集中帶、含水帶、斷層破碎帶等不良地質(zhì)體和巖性突變段提供了有利的地球物理測試條件。毛爾蓋水電站引水隧洞穿越區(qū)由于地層巖性的差異性較大，為了確保施工安全與高效性，在施工過程中引入地質(zhì)雷達超前預報具有重要性。

2 地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理與解釋

地質(zhì)雷達圖像反映的是地下介質(zhì)的電性分布特征，在進行成果分析時，必須將其轉(zhuǎn)化為相應的地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)。在地質(zhì)雷達測試和開挖后地質(zhì)編錄驗證的基礎上，建立起完整砂巖體、千枚巖集中帶、砂巖夾千枚巖帶、含水帶、裂隙密集帶等典型地質(zhì)體同雷達圖像特征之間的對應關系（見表1）。

表1 典型地質(zhì)體與地質(zhì)雷達圖像、波形特征之間的關系

2.1 完整砂巖地質(zhì)雷達測試成果分析

在微風化～新鮮、干燥或含水量少（潮濕～局部滲滴水）的砂巖洞段，巖體完整性好，介質(zhì)相對均一，電性差異很小。在使用地質(zhì)雷達探測時，雷達圖像色彩（能量）分布均勻或局部存在強反射細亮條紋，電磁波能量衰減慢且有規(guī)律可循，形成低幅反射波組，波形均勻，無雜亂反射波組。在引水隧洞部分樁號段所采集的地質(zhì)雷達圖像數(shù)據(jù)具有上述波形特征。由于介質(zhì)相對均一，電磁波在傳播過程中能量變化規(guī)律性強，波形均勻，故對該類圍巖探測及解釋的精度高，準確率達95%。典型的砂巖體地質(zhì)雷達探測剖面見圖1。

圖1 完整砂巖雷達圖像

在圖1中，在距掌子面0～35 ns范圍內(nèi)，兩條水平強反射波同相軸為掌子面巖體受爆破影響產(chǎn)生的松動圈所致；35～300 ns范圍內(nèi)，均為低幅反射波組，波形均勻，同相軸連續(xù)性好，且在300 ns處反射波同相軸還清晰可辨，表明在該段巖體內(nèi)電磁波能量衰減較慢，波組振幅變化較小，電磁波能量分布均勻，損失較少。由此推測，掌子面前方20 m圍巖條件為巖體干燥，呈塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)，僅局部發(fā)育有短小裂隙，巖石質(zhì)地堅硬、強度高，圍巖完整性較好，應為中厚層狀砂巖。

2.2 千枚巖集中帶地質(zhì)雷達測試成果分析

千枚巖集中帶是毛爾蓋水電站引水隧洞中的主要不良地質(zhì)條件，其具有遇水軟化的特性，致使局部千枚巖集中洞段有產(chǎn)生塑性變形及片幫的可能，對施工安全影響較大，故查明其出露位置及產(chǎn)狀，并對其進行連續(xù)追蹤是地質(zhì)雷達超前預報工作中的重要任務。引水隧洞絕大多數(shù)樁號段都或多或少存在千枚巖，其砂巖或表現(xiàn)為砂巖夾千枚巖，或表現(xiàn)為砂巖與千枚巖互層。在一些地段，千枚巖局部集中，這些千枚巖集中帶與砂巖存在較大的電性差異，具備較為理想的地球物理測試條件。在千枚巖集中發(fā)育的巖體內(nèi)，雷達圖像色彩（能量）分布不均，電磁波能量衰減快且規(guī)律性差，由于千枚巖巖體破碎，對電磁波的散射明顯，波幅表現(xiàn)為低幅。千枚巖集中帶的典型地質(zhì)雷達剖面見圖2。

圖2 千枚巖集中帶雷達圖像

在圖2中，上部0～60 ns段為高幅反射波組，為掌子面巖體受爆破影響產(chǎn)生的松動圈所致；60～220 ns范圍掌子面右側(cè)電磁波能量銳減，衰減加快，波形雜亂且多為低頻低幅波組；左側(cè)出現(xiàn)高頻波組，衰減較慢。由此推斷60～220 ns范圍右側(cè)為千枚巖集中帶，千枚巖對電磁波的散射導致反射電磁波弱，高頻迅速衰減而呈低頻波組；左側(cè)為砂巖夾少量千枚巖，完整性較好；220～300 ns范圍反射電磁波整體呈低頻低幅波組，波形雜亂，同相軸連續(xù)性差，推斷該段千枚巖分布范圍已經(jīng)擴大到全斷面分布，所以該段地層巖性為千枚巖集中帶。

2.3 砂巖夾千枚巖帶地質(zhì)雷達測試成果分析

毛爾蓋水電站引水隧洞絕大多數(shù)樁號段地層巖性均為石英砂巖夾炭質(zhì)、絹云母千枚巖，表現(xiàn)形式多種，如中厚層砂巖夾少量千枚巖，中層砂巖夾千枚巖，中～薄層（或薄～中層）砂巖夾薄層千枚巖。正是因為千枚巖以軟弱夾層產(chǎn)出，導致巖體破碎，完整性差，致使隧洞易失穩(wěn)產(chǎn)生塌方。為確保洞室圍巖穩(wěn)定和施工安全，需查明砂巖夾千枚巖樁號范圍及特征。由于千枚巖與砂巖存在較大的電性差異，具備較理想的地球物理測試條件。在砂巖夾千枚巖地段，雷達圖像色彩分布不均，電磁波能量衰減較快且規(guī)律性差。由于千枚巖破碎，對電磁波的散射明顯，波幅表現(xiàn)為低幅；但由于砂巖的存在，砂巖對電磁波的衰減較慢，所以雷達圖像中部分區(qū)域為高頻高幅波組。在砂巖與千枚巖交界處，由于其電性差異較大，反射振幅很強，同相軸不連續(xù)。整體來看，砂巖夾千枚巖地段的基本特征是高頻與低頻波組共存，同相軸時斷時續(xù)，其典型地質(zhì)雷達探測剖面見圖3。

在圖3中，在距掌子面0～40 ns范圍內(nèi)的高頻高幅反射波組為掌子面巖體受爆破影響產(chǎn)生的松動圈所致；40～300 ns范圍內(nèi)，能量分布不均勻，波形雜亂，既有高頻波組，又有低頻波組，同相軸時斷時續(xù)。由此推測，掌子面前方20 m內(nèi)地層巖性為中層石英砂巖夾炭質(zhì)千枚巖，裂隙較發(fā)育，圍巖完整性較差。

圖3 砂巖夾千枚巖雷達圖像

2.4 地下水地質(zhì)雷達測試成果分析

在隧洞開挖過程中，由于滲流通道的形成，在富水段開挖很容易引起大量地下水涌入隧洞，給施工帶來較大影響和損失。毛爾蓋水電站引水隧洞有2個過溝段：雙溜索過溝段和維古二村過溝段。在過溝段，溝內(nèi)常年流水，覆蓋層較厚，工程地質(zhì)條件較差，地下水豐富，有可能產(chǎn)生塌方和涌水，施工難度大，因此查明地下水的富集帶很關鍵。在常見介質(zhì)中，水的相對介電常數(shù)最大，為81，它與基巖介質(zhì)相比較，存在明顯的電性差異；當雷達電磁波穿越基巖與富水帶的界面時，將產(chǎn)生具有一定規(guī)律的多次強反射，并掩蓋對富水帶內(nèi)及更深范圍巖體的探測；當雷達電磁波穿越基巖與含水破碎帶的界面時，也在界面產(chǎn)生強反射，并在含水破碎帶內(nèi)產(chǎn)生繞射、散射現(xiàn)象，導致波形紊亂，頻率成分將由高頻向低頻劇變，其典型地質(zhì)雷達探測剖面見圖4。

圖4是K5＋590～K5＋570的地質(zhì)雷達圖像，在80～160 ns范圍內(nèi)，左側(cè)波形呈高幅低頻波組，波形雜亂，同相軸不連續(xù)，同時其后續(xù)波組能量很弱，說明能量已經(jīng)衰減。由此推測，掌子面前方80～160 ns范圍內(nèi)左側(cè)地下水發(fā)育，對電磁波反射強烈，并掩蓋對富水帶內(nèi)及更深范圍巖體的探測。

2.5 斷層破碎帶地質(zhì)雷達測試成果分析

斷層破碎帶可以存在于任何巖性地段中，由于帶內(nèi)一般有不同成分、不均勻的充填物，加之含有一定的裂隙水，與周邊圍巖形成較明顯的電性差異，所以采用地質(zhì)雷達探測巖體中的裂隙、軟弱夾層或斷層破碎帶具備一定的地球物理探測前提。雷達電磁波在破碎帶中傳播時，能量分布不均勻，波形會產(chǎn)生較強的界面反射波，界面一般可以連續(xù)追蹤，因為破碎帶對能量的衰減，破碎帶的波形呈高幅低頻波組。其典型地質(zhì)雷達探測剖面見圖5。

圖4 富水帶雷達圖像

圖5 斷層破碎帶雷達圖像

圖5是3號洞K6＋795～K6＋815的地質(zhì)雷達圖像，可以看出電磁波在0～20 m范圍內(nèi)同相軸基本連續(xù)，頻率高，但反射較弱，電磁波衰減快，整體呈高頻低幅波組，中部及外側(cè)局部分布有低頻高幅反射；另外，在3 m左右有一條基本垂直洞軸線的反射帶，能量較強，14 m左右有一連續(xù)的低頻條帶，且11 m處有一窄條紋，能量均較強。由此推測，掌子面前方0～20 m內(nèi)為中～厚層變質(zhì)石英砂巖夾少量炭質(zhì)千枚巖，局部石英團塊、條帶，為斷層帶及影響帶，隨機裂隙發(fā)育且裂隙水發(fā)育；值得注意的是3 m左右出現(xiàn)一條基本垂直洞軸線的斷層，寬度約1.5～3.0 m，外側(cè)較寬；14 m處可能出現(xiàn)另外一條斷層，寬度約1 m；11 m處可能是貫通的節(jié)理裂隙，且被水充填。

3 預報準確度評價

在毛爾蓋引水隧洞地質(zhì)雷達超前預報中，多次成功的預報了不良地質(zhì)條件，盡可能減少了塌方對人員和財產(chǎn)帶來的損失（見表2）。

表2 毛爾蓋水電站引水隧洞地質(zhì)雷達超前預報成果與施工開挖對照

4 結(jié) 論

毛爾蓋水電站引水隧洞穿越區(qū)巖性為變質(zhì)長石石英砂巖與千枚巖，千枚巖自穩(wěn)能力差、遇水易軟化，斷層以及破碎帶，巖體完整性差，自穩(wěn)能力弱為施工中的不良地質(zhì)體，以上各類介質(zhì)物理性質(zhì)差異大，電磁波脈沖在不同介質(zhì)中反射回波差異明顯。完整砂巖特征波譜表現(xiàn)為：能量變化按一定規(guī)律緩慢衰減，同相軸連續(xù)性好，波形相似性均一，振幅強弱為低幅；千枚巖集中帶特征波譜表現(xiàn)為：能量分布不均勻，能量變化衰減快、規(guī)律性差，同相軸不連續(xù)，波形相似性雜亂，振幅強弱為低幅；砂巖夾千枚巖帶特征波譜表現(xiàn)為：能量分布不均勻，能量變化衰減快、規(guī)律性差，同相軸不連續(xù)，波形相似性雜亂，波幅變化大；含水帶特征波譜表現(xiàn)為：能量分布不均勻，能量變化按一定規(guī)律快速衰減、波形相似基本均一，振幅強弱為高、寬幅；裂隙密集帶特征波譜表現(xiàn)為：能量分布不均勻，能量變化衰減較快、規(guī)律性差，同相軸時斷時續(xù)，波形相似性雜亂，振幅強弱為高幅。在施工中對照特征頻譜進行數(shù)據(jù)處理與解釋后結(jié)合預報與開挖揭示的地質(zhì)條件進行比較，地質(zhì)雷達超前短距預報在毛爾蓋水電站引水隧洞開挖過程中準確率較高。

［1]李大心.探地雷達方法與應用［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［2]曾昭發(fā).探地雷達方法原理及應用［M］.北京：科學出版社，2006.

U452.11

B

1003-9805（2015）04-0109-04

2015-06-29

趙明（1970-），男，四川都江堰人，高級工程師，從事水電工程地質(zhì)勘探工作。