地球物理探測技術在水利工程中的應用

蔡 華

（浩喬建設集團有限公司,江西 南昌 330077）

0 引言

水庫工程對于大壩基礎的防滲性能要求非常高,低滲透性的大壩基礎是保證水庫儲水蓄水和安全運行的首要條件。在修筑大壩前,查明地基基巖的埋深情況、起伏變化、完整性情況以及不良地質是大壩巖土工程勘察的重要工作內容[1]。地球物理方法作為一種可實現大范圍、快速測試的勘測方法,不受地形的限制,對于水利工程勘察而言就有明顯優勢[2-3]。本文嘗試采用高密度電法和孔內超聲波測井的方法對車拗口水庫壩址地基的基巖分布情況、不良地質情況進行探測,并判別巖石的完整性。

1 工況概況

某水庫大壩為堆石混凝土重力壩,壩頂總長220.0 m,壩頂寬6.0 m,最大壩高51.0 m,最大壩底寬42.4 m。大壩壩頂中段設泄洪表孔,為開敞式泄洪方式,堰頂高程685.00 m,共2 孔,溢流總凈寬12 m,孔頂設6.0 m 寬交通橋連接大壩兩端。溢流堰上游堰面曲線采用3∶2 斜坡線和雙圓弧曲線；下游面為WES 曲線（曲線方程為y=0.265x1.81）、1∶0.8 直線段組成。溢流壩面以半徑12.0 m 的圓弧段接消力池,消力池全長18.0 m、寬13 m,邊墻高5.0 m。大壩基礎范圍內上覆地層為第四系河流相沉積層和沖積層,以粉質黏土為主,下部基巖為泥質粉砂巖和灰巖,基巖內發育多條構造擠壓破碎帶。

2 地球物理方法的基本原理

2.1 高密度視電阻率方法的基本原理

高密度視電阻率方法的基本原理是利用了地下介質之間的電學物性差異,比如導電率、電阻率參數,這些參數與地下介質的巖土類別、密實程度、含水量等各種因素有關[4]。當地下各介質之間存在物性差異時,在測試獲得的高密度視電阻率剖面上會表現為相對高阻或者相對低阻,因此可以達到劃分地層巖性界面、確定異常地質體范圍和判別斷層走向等目的。一般而言,在天然地下介質中,穩定電流場的分布可以用梯度方程表達,見式（1）。

式中：j為地下空間中任一點的電流；Δ為梯度算子；x、y、z為空間坐標。

根據歐姆定律,公式（1）可以簡化為：

式中：U為電壓；ρ為地下介質的電阻率。

公式（2）變換為空間直角坐標偏微分方程見式（3）[5-6]。

變換為圓柱坐標系（r,θ,z）,見式（4）所示[7]。

變換為球坐標系（r,θ,φ）,見式（5）所示[8]。

高密度電法是一種陣列式電阻率測量方法,在野外工作時,按照設定的排列將電極一次性鋪設完成,本研究采用的電極數目為120 根,共有12 根電纜組成,每根電纜上有10 根電極,基本電極間距為2 m,實際測試時電極間距可以根據地形條件以及目標深度進行調整。由于電極數目較大,在測試前因應對電極的質量進行檢查,保證各個電極的性能良好,接地電阻均一,同時在采集埋設電極時,可以采取澆灌鹽水的方法保證各個電極的接地電極不超過7 Ω,供電電壓為200 V～400 V,供電時間為0.5 s。實際工作測試時,研究采用的高密度電法裝置排列為溫納排列裝置。

將現場探測的剖面數據通過掌上電腦連接傳輸到計算機中,進行數據格式轉換和預處理,消除壞點數據,保留一致性強的數據,進行地形校正,形成視電阻率成像色譜分布圖。用專門軟件按最小二乘法進行視電阻率正演計算,以推斷地下介質的地電斷面,形成視電阻率正演成像色譜圖,最后通過最佳擬合法進行反演計算,輸出探測剖面的真電阻率成像色譜分布圖,結合其他資料對高密度電法探測剖面進行解釋,并輸出電阻率解譯斷面。

2.2 孔內超聲波方法的基本原理

孔內超聲波探測方法主要是利用了地下介質的波阻抗物性差異進行巖土類型的區別、巖土界面的劃分、聲波速度的確定、巖石完整性的判別等。它是將具有發射超聲波能力和接收超聲波能力的壓電陶瓷探頭放入預先鉆完的地質鉆孔中,通過脈沖電流的激振使壓電陶瓷產生高頻振動,并向周圍的巖土介質發射超聲波,超聲波在遇到不同的波阻抗差異的地質界面時會產生反射,被壓電陶瓷探頭的所接收,并轉換為電信號傳輸至電腦示波器中,記錄并存儲反射的超聲波振幅、頻率和相位等聲學參數。經過聲學信號的濾波、時頻變換等處理方法,可以得到巖土體的超聲波速度、動泊松比、動剪切模量、巖體完整性等參數,也可以從孔內超聲波剖面中觀測地層巖性的起伏和走向。孔內超聲波探測方法具有操作簡單、成本低廉以及測試快速等優點,在巖土工程勘察中時最為重要和應用最為廣泛的一種應用地球物理方法。

3 地球物理方法在水庫大壩地基勘察中的應用

3.1 高密度視電阻率法測試成果分析

為探明大壩地基巖土分布情況,在大壩場址區布置了6 條探測測線,布置測線的方式為“井”字形布置。其中,3條為沿著大壩縱軸線方向布置,測線編號分別為CAK01 測線、CAK02 測線、CAK03 測線,CAK02 測線與大壩縱軸線重合,CAK01 測線位于大壩縱軸線上游50m 處、CAK03 測線位于大壩中軸線下游50 m 處；3 條為沿著垂直大壩縱軸線方向（順河向）布置,測線編號分別為CAK04 測線、CAK05 測線和CAK06 測線,CAK05 測線位于大壩中部（河床中部）、CAK04 測線位于大壩左岸、CAK06 測線位于大壩右岸。

對場區內的地層巖性進行初步勘察表明,場區上覆地層為第四系河流相沉積層和沖積層,以粉質黏土為主,局部夾有孤石,厚度從左岸到右岸變化起伏相對較為平緩,厚度約8 m～16 m,視電阻率變化范圍為60 Ω·m～250Ω·m；下部基巖為泥質粉砂巖和灰巖,基巖內發育多條構造擠壓破碎帶,泥質粉砂巖的風化程度從全風化到微風化不等,其巖體完整性中等,視電阻率約250 Ω·m～350 Ω·m,灰巖以中風化和微風化為主,其視電阻率為410 Ω·m～700 Ω·m,構造擠壓破碎帶帶中由于含有豐富的地下水,其視電阻率小于70 Ω·m。由各層巖土介質的視電阻率可知,各巖土層之間存在明顯的電性差異,且具備較好的分辨性,因此為高密度電法的探測提供了良好的地球物理條件。

圖1 為CAK05 測線帶地形高密度電法電阻率色譜圖,圖中地表的數字表示距離。從圖中可以看出,在河床中部的高密度電法電阻率色譜呈現明顯的變化,粉質黏土覆蓋層在距離0 m～135 m 范圍內分布較厚,色譜以藍色和綠色為主,厚度為0 m～30 m,視電阻率為60 Ω·m～250 Ω·m,其余位置的粉質黏土覆蓋層厚度約2 m～10 m；在距離130 m～290 m 處,存在視電阻率250 Ω·m～350 Ω·m 的相對高阻,該段推測為泥質粉砂巖,經過地質鉆探驗證其巖性判斷準確,其余位置410 Ω·m～700 Ω·m 的相對高阻推測為灰巖,在距離500 m～540 m 埋深約9 m 位置存在電阻率小于70 Ω·m 的低值,推測為擠壓破碎帶,經過地質鉆探驗證其巖性判斷準確。

圖1 CAK05 測線帶地形高密度電法電阻率色譜圖

圖2 為CAK02 測線帶地形高密度電法電阻率色譜圖,圖中地表的數字表示距離。從圖中可以看出,在大壩縱軸線地基的高密度電法電阻率色譜呈現明顯的變化,粉質黏土覆蓋層在剖面上的厚度起伏較大,厚度為0 m～15 m,視電阻率為60 Ω·m～250 Ω·m；在距離90 m～110 m 處,存在視電阻率250 Ω·m～350 Ω·m 的相對高阻,該段推測為泥質粉砂巖,經過地質鉆探驗證其巖性判斷準確,其余位置410 Ω·m～700 Ω·m 的相對高阻推測為灰巖。

圖2 CAK02 測線帶地形高密度電法電阻率色譜圖

3.2 孔內超聲波法測試成果分析

在大壩軸線位置布置了3 個鉆孔進行超聲波波速測試,結果見表1。表1 中可以看出,場區的巖石的完整性從較破碎到較完整變化,較破碎和完整性差的巖體主要集中在上部,較完整的巖體在下部,表明隨著深度的增加,其完整性越好,完整性系數也越大。較破碎巖體的超聲波速范圍為1781 m/s～2620 m/s,完整性差巖體的超聲波速范圍為2656 m/s～3212 m/s,較完整巖體的超聲波速范圍為2739 m/s～3929 m/s。

表1 大壩軸線位置鉆孔孔內超聲波測孔結果

表1 大壩軸線位置鉆孔孔內超聲波測孔結果

4 結論

以某水庫為研究對象,采用現場實測的方法,在壩址區以高密度電法、孔內超聲波測試和地質鉆探相結合的方式展開地質情況探測,得到以下幾個結論：

（1）通過高密度電法探明了水庫大壩場區地基的巖性情況,粉質黏土覆蓋層在軸線上的厚度起伏較大,厚度為0 m～15 m,電阻率變化范圍為60 Ω·m～250 Ω·m；下部基巖為泥質粉砂巖和灰巖,基巖內發育多條構造擠壓破碎帶,泥質粉砂巖的視電阻率約250 Ω·m～350 Ω·m,灰巖的視電阻率為410 Ω·m～700 Ω·m,構造擠壓破碎帶帶中由于含有豐富的地下水,其視電阻率小于70 Ω·m。

（2）隨著深度的增加,其完整性越好,完整性系數也越大。較破碎巖體的超聲波速范圍為1781 m/s～2620 m/s,完整性差巖體的超聲波速范圍為2656 m/s～3212 m/s,較完整巖體的超聲波速范圍為2739 m/s～3929 m/s。