物探在水利水電工程中的應(yīng)用及成果綜述

1、物探在水利水電工程中的應(yīng)用及成果綜述摘要：簡要回憶了黃河沙坡頭水利樞紐工程在不同設(shè)計階段所投入的物探工作及其詳細(xì)方法和技術(shù)，通過物探測試成果的綜合分析和實際應(yīng)用效果介紹，說明了物探技術(shù)在水利水電工程中的作用和前景。關(guān)鍵詞：綜合物探壩基巖體固結(jié)灌漿工程檢測1工程概況黃河沙坡頭水利樞紐工程為國家2000年西部大開發(fā)十大工程之一，位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)縣境內(nèi)，其上游12.1k為擬建的大柳樹水利樞紐，下游122k為已建成的青銅峽水利樞紐。工程區(qū)距自治區(qū)首府銀川市200k，距中衛(wèi)縣城20k。地處黃河上游干流上，南依香山山脈北麓，北鄰騰格里沙漠南緣，是一座以灌溉、發(fā)電為主的綜合利用水利樞紐工程。該樞紐由主

2、壩和副壩兩部分組成，其中主壩為混凝土閘壩，最大壩高37.8，壩長338.45，壩頂高程1242.6；副壩位于黃河左岸階地上，為土石壩，最大壩高15.1，壩長529.2。水庫正常蓄水位1240.5，總庫容0.26億3，總裝機(jī)容量12.03萬k，多年年平均發(fā)電量6.06億kh，設(shè)計灌溉面積87.7萬畝。2物探任務(wù)與要求黃河沙坡頭水利樞紐工程的物探工作始于1996年，至2022年底全部完畢。期間歷經(jīng)了可行性研究階段、初步設(shè)計階段和技施設(shè)計階段。各階段工作時間及任務(wù)要求如下：可行性研究階段物探工作于1996年進(jìn)展，主要任務(wù)是通過巖體波速測試和聲波測井，劃分巖性并理解巖體動彈性參數(shù)。初步設(shè)計階段物探工作

3、于2000年進(jìn)展，物探任務(wù)與要求為：通過聲波測井獲得主壩壩基、交通橋根底巖體構(gòu)造、軟硬巖體分布規(guī)律，理解孔內(nèi)軟弱夾層、構(gòu)造破碎帶分布情況，以便驗證和補(bǔ)充鉆探資料。測定巖體的縱、橫波速度，并求得泊松比、動彈性模量等參數(shù)。為壩基巖體質(zhì)量評價提供根據(jù)。通過綜合物探方法查明副壩壩基地層構(gòu)造及古河道分布情況。查明導(dǎo)流明渠、交通橋地層構(gòu)造及古渠道分布情況。通過對灌漿前、后巖體波速測試，評價灌漿試驗效果。技施設(shè)計階段物探工作于20022022年進(jìn)展，物探任務(wù)與要求為：通過對壩基巖體進(jìn)展地震波測試，理解根底巖體的彈性波參數(shù)，為工程根底巖體評價、驗收提供根據(jù)。對固結(jié)灌漿的根底巖體進(jìn)展聲波檢測，通過灌漿前、后巖體

4、波速的變化情況，評價固結(jié)灌漿效果。通過對壩基混凝土墊層進(jìn)展回彈檢測，理解并查明混凝土墊層與基巖面的膠結(jié)狀況。3地形及地質(zhì)簡況3.1地形地貌壩址區(qū)內(nèi)地勢南西高而北東低，相對高差5001000。黃河自西向東流經(jīng)壩址區(qū)，河谷呈不對稱“U形谷。壩址左岸地勢相對平坦，為黃河級階地，岸邊有美利渠與黃河平行展布；右岸為香山山脈北麓，岸邊有羚羊角渠與黃河平行展布，羚羊角渠南側(cè)地形較陡，且沖溝發(fā)育。3.2地質(zhì)簡況壩址區(qū)附近有石炭系、第三系、第四系地層發(fā)育。主壩壩基為石炭系下統(tǒng)前黑山組(1q)、臭牛溝組(1)、中統(tǒng)靖遠(yuǎn)組(2j)和第三系上新統(tǒng)臨夏組(N2l)地層。壩區(qū)位于窯上復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜的正常翼，巖層遭受構(gòu)造破壞

5、劇烈，層間擠壓帶、小型褶皺、揉皺，小斷層以及節(jié)理、劈理發(fā)育，泥巖呈大小不等的菱形塊體，炭質(zhì)頁巖那么呈鱗片狀，并具有失水干裂解體，再遇水泥化的特點，使壩基巖體成為典型的極軟巖。巖層沿走向和傾向均呈舒緩波狀，總體產(chǎn)狀：走向NE45E，傾向SE或S，傾角3370。副壩、導(dǎo)流明渠、交通橋及水源地部位分布著厚層第四系松散堆積物，表層為風(fēng)積砂，深部那么為厚層砂礫石層；基巖為第三系上新統(tǒng)臨夏組(N2l)的棕紅色、紫紅色砂質(zhì)粘土巖，部分夾有礫巖。4物探方法與技術(shù)根據(jù)不同勘查階段的任務(wù)要求，物探主要開展了聲波法、地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法、電阻率法工作。詳細(xì)方法有：單孔聲波測井、聲波對穿、地震波相遇法、地震波T、瑞利

6、面波法、高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)等。聲波法：包括單孔聲波和聲波對穿。它是彈性波測試方法之一，其理論根底建立在固體介質(zhì)中彈性波的傳播特性上，采用頻率主要為1k30kHz和50k1000kHz兩個頻段。該方法以人工激振的方法向介質(zhì)發(fā)射聲波，在一定間隔 上接收受介質(zhì)物理特性調(diào)制后的聲波，通過觀測和分析聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度、振幅、頻率等參數(shù)解決工程問題。本工程使用儀器為SD1型聲波檢測儀，單孔聲波由下而上逐點測試，點距為0.2。聲波對穿由下而上程度同步逐點測試，點距為0.1。地震波法：包括地震波相遇法、地震波T和面波法。其理論根底與聲波法一樣，采用頻率范圍為1n100Hz。該方法利用人工激發(fā)的地

7、震波在彈性性質(zhì)不同的地層內(nèi)傳播規(guī)律，研究與巖土工程有關(guān)的地質(zhì)、構(gòu)造和巖土體的物理力學(xué)特性，可對工程場地和人工建筑物的適應(yīng)性進(jìn)展評價。本工程使用儀器為R24型工程地震儀，地震波相遇法采用412道接收，檢波點間距1.0。地震波T采用二邊比照觀測系統(tǒng)，激發(fā)點間距1.0，接收點間距2.0。面波法采用雙邊激發(fā)，12道接收，檢波點間距2.0。高密度電法：以巖土體的電性特征為根底，通過儀器觀測和分析研究即可獲得地下地質(zhì)構(gòu)造的變化規(guī)律，以此解決巖土工程問題。本工程使用儀器為DJD1型多功能電測儀，選用溫納爾裝置，根本點距為23，電極隔離系數(shù)為916。地質(zhì)雷達(dá)法：通過地面的發(fā)射天線(T)向地下發(fā)射高頻電磁波(主

8、頻為數(shù)十?dāng)?shù)百乃至數(shù)千兆赫)，當(dāng)它遇到地下地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時發(fā)生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天線(R)接收，并由主機(jī)記錄下來，形成雷達(dá)剖面圖。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時，其途徑、電磁波場強(qiáng)度以及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，既波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度、頻率和波形等，通過雷達(dá)圖像的處理和分析，可確定地下界面或目的體的空間位置或構(gòu)造特征。本工程使用儀器為RAA/GPR雷達(dá)系統(tǒng)，實測采用剖面法，且收發(fā)天線的連線方向與測線方向平行，分別選用主頻50Hz和250Hz兩種天線進(jìn)展測試，記錄點距0.20.5。5物探成果概述在可行性研究階段、

9、初步設(shè)計階段、技施設(shè)計階段共提交物探測試成果報告7份，獲得了一定的技術(shù)效果。5.1可行性研究階段通過對壩址區(qū)附近的鉆孔聲波測試和右岸PD01平硐硐壁巖體的地震波測試初步掌握了壩基巖體的彈性特征及不同巖性巖體的波速分布的根本規(guī)律。主要成果為：鉆孔內(nèi)基巖巖體波速主要受巖性控制：第三系上新統(tǒng)臨夏組砂質(zhì)粘土巖的波速均值為2100/s,而礫巖、砂礫巖的波速均值為2900/s；石炭系下統(tǒng)泥巖、炭質(zhì)頁巖的波速均值為2560/s,泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖的波速均值為3500/s，灰?guī)r的波速均值為4000/s。PD01平硐巖性主要是石炭系泥巖、頁巖等，巖體裂隙發(fā)育，實測巖體彈性參數(shù)為：縱波速度15002500/s，橫波速

10、度5201200/s，動彈性模量1.698.10GPa，說明該平硐巖體強(qiáng)度較低。斷層破碎帶與泥巖、炭質(zhì)頁巖等低波速巖體間無明顯的波速差異，而與灰?guī)r、砂巖等高波速巖體間的波速差異明顯。該壩址所測巖體波速與巖體風(fēng)化分帶的關(guān)系不甚明顯。5.2初步設(shè)計階段5.2.1地層構(gòu)造利用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電阻率法、瑞利面波法等綜合物探方法，并結(jié)合鉆孔資料，根本查明了導(dǎo)流明渠、副壩、交通橋、水源地的地層構(gòu)造以及古渠道、古河道的分布規(guī)律。主要成果如下：導(dǎo)流明渠、副壩、交通橋、水源地的地層可分為三層構(gòu)造。表層主要由風(fēng)積砂等第四系松散堆積物組成，部分出現(xiàn)薄層耕植土，層厚112，電阻率一般為5001200，面波速度一般為1

11、50200/s；中部巖性為砂卵礫石，層厚826，電阻率一般為200500，面波速度一般為200350/s；下部為基巖，巖性為第三系砂質(zhì)粘土巖，該層作為壩基巖體，層厚大于500，電阻率一般為80200，面波速度一般為450650/s。古渠道主要分布在美利渠北側(cè)，在平面上共有三條展布，主要規(guī)律為：位于導(dǎo)流明渠進(jìn)水口附近為一條；交通橋上游20至主壩下游100之間分為三條；主壩下游100處至導(dǎo)流明渠出水口附近，最北側(cè)的兩條古渠道合并為一條，而鄰近美利渠的那條古渠道與美利渠平行向下游繼續(xù)延伸。由于這些古渠道都由粉細(xì)砂充填，所以物探異常解釋的渠底深度一般為510古渠道附近正常沉積地層的表層風(fēng)積砂厚度較薄，

12、一般小于3。古河道主要分布在左岸副壩區(qū)，其最大深度不小于30。上覆地層為砂卵礫石，層厚1030，且由導(dǎo)流明渠往北逐漸變厚，下伏基巖為第三系砂質(zhì)粘土巖。5.2.2聲波測井通過對鉆孔巖體的聲波測試，較全面地查明了壩址區(qū)內(nèi)不同巖體的聲波變化規(guī)律：第三系(N2l)地層中，砂質(zhì)粘土巖的巖體縱波平均速度為2120/s,動彈性模量平均值6.37GPa；礫巖的巖體縱波平均速度為2400/s，動彈性模量平均值為9.66GPa。石炭系()地層中，泥巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、長石石英砂巖等巖體的縱波平均速度為21302410/s,動彈性模量平均值為6.7812.96GPa；泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、砂巖等巖體

13、的縱波平均速度為30203690/s,動彈性模量平均值為16.7028.93GPa。斷層破碎帶的縱波平均速度為2150/s，動彈性模量平均值為6.91GPa。5.2.3巖體地震波測試通過分析右岸PD02平硐硐壁巖體和左岸02#靜載荷試驗場地的地震波測試成果，得出以下根本結(jié)論：巖體彈性波參數(shù)均相對較低，縱波速度一般為10002500/s，巖體動彈性模量一般為1.19.6GPa。巖體泊松比與巖體縱波速度Vp具有較好的相關(guān)性，相關(guān)關(guān)系為：=0.4629-0.00006Vp；相關(guān)系數(shù)R=0.971巖體縱波速度各向異性差異不顯著，各向異性系數(shù)一般小于1.2。受開挖擾動卸荷的影響，在垂直方向上巖體具有兩層

14、速度構(gòu)造，表層地震縱波速度僅為400/s，埋深約為0.60.7。5.2.4右岸灌漿試驗檢測綜合分析灌漿前后巖體的聲波和地震波測試結(jié)果可知：壩基巖體具有一定的可灌性，灌漿后巖體強(qiáng)度得到一定的改善。地震波T測試效果優(yōu)于單孔聲波測井的測試效果，既跨孔透射法優(yōu)于單孔聲波測井。地震波T測試，更能客觀地評價灌漿試驗的灌漿效果。灌漿前后整體波速進(jìn)步率一般為512%。5.3技施設(shè)計階段5.3.1壩基巖體地震波測試為提供樞紐工程壩基建基面巖體彈性波參數(shù)的建議值，我單位于壩基開挖工作前期，在擬開挖的壩基巖體上，模擬現(xiàn)場施工條件，進(jìn)展了壩基巖體地震波測試的試驗工作?？偨Y(jié)出了不同開挖方式對壩基巖體擾動的影響程度、原狀

15、巖體經(jīng)開挖暴露后縱波速度隨時間的變化規(guī)律、物探工作的測試方法、測試時機(jī)及壩基巖體的開挖方式，并提交了建基面巖體波速驗收標(biāo)準(zhǔn)的建議值。在壩基開挖施工期間，采用試驗時確定的測試方法地震波相遇時距曲線觀測系統(tǒng)，以基巖面巖體根本未擾動為原那么，在人工撬挖的保護(hù)層上進(jìn)展了大量的地震波測試工作。測線總長度累計15967。獲得了豐富的壩基巖體的彈性波參數(shù)，為壩基巖體的評價、驗收提供了定量指標(biāo)。壩基巖體地震縱波速度的變化規(guī)律根本上反映了壩基巖體分布的規(guī)律。5.3.2安裝間、北干電站、河床電站、隔墩壩根底巖體固結(jié)灌漿聲波檢測根據(jù)初設(shè)階段灌漿試驗的檢測成果，并結(jié)合灌漿區(qū)內(nèi)巖體親水性強(qiáng)的特點，確定了壩基巖體固結(jié)灌漿

16、物探檢測采用鉆孔聲波透射法進(jìn)展。通過分析安裝間隔墩壩的17對鉆孔灌漿前后聲波透射的測試結(jié)果說明，雜色泥巖、灰質(zhì)泥巖灌漿后的波速總體平均進(jìn)步率為6.3%，此結(jié)果與初設(shè)階段的測試結(jié)果根本一致；砂巖條帶灌漿后波速總體平均進(jìn)步率為10.1%，說明砂巖條帶的灌漿效果相對較顯著。5.2.3壩基巖體混凝土墊層回彈檢測壩基巖體混凝土墊層回彈檢測的目的是理解并查明混凝土墊層與基巖面的膠結(jié)狀況。回彈儀主要用于檢測混凝土強(qiáng)度，該工程中使用回彈儀型號為HT3000檢測混凝土墊層與基巖面的膠結(jié)狀況是其應(yīng)用范圍的拓展。檢測的根本原理如下：當(dāng)混凝土墊層與基巖膠結(jié)嚴(yán)密或膠結(jié)良好時，混凝土與壩基巖體形成一個整體，此時在混凝土外

17、表測試的回彈值應(yīng)為混凝土強(qiáng)度的真實反映；當(dāng)混凝土墊層與基巖之間膠結(jié)不良或膠結(jié)面出現(xiàn)架空時，由于混凝土的約束力降低而使回彈時產(chǎn)生顫抖，造成回彈能量損失，從而導(dǎo)致在混凝土外表測試的回彈值低于正?；炷翉?qiáng)度的真實回彈值。由此，可根據(jù)實測混凝土外表回彈值的變化規(guī)律，來定性地判斷混凝土墊層與基巖的膠結(jié)狀況。參照?回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程?(JGJ/T232001)及回彈儀的率定結(jié)果并結(jié)合工程實際情況，20混凝土(齡期大于28天)的實測回彈平均值應(yīng)不小于25.0。而實測回彈平均值小于25.0的測區(qū)是由于混凝土墊層與基巖間膠結(jié)不良或脫空所至。檢測結(jié)果說明：根底巖體為雜色泥巖、灰質(zhì)泥巖的壩段，實測回彈

18、平均值小于25.0的測區(qū)約占測區(qū)總數(shù)的28.0%。說明混凝土墊層與基巖間脫空現(xiàn)象較明顯；而在南干電站，根底巖體主要為砂巖。實測回彈平均值小于25.0的測區(qū)僅占該部位測區(qū)總數(shù)的3.8%，說明混凝土墊層與砂巖的膠結(jié)狀況相對較好。6總結(jié)可行性研究階段、初步設(shè)計階段的物探成果在技施設(shè)計階段均得到驗證，如5.2.1中的地層構(gòu)造空間變化規(guī)律已在根底開挖后得到證實，其開挖結(jié)果與物探解釋成果根本一致，獲得了較好的應(yīng)用效果，發(fā)揮了物探的應(yīng)有作用?？v觀可行性研究階段、初步設(shè)計階段和技施設(shè)計階段的物探成果及其工作量，黃河沙坡頭水利樞紐壩址區(qū)的主要工程地質(zhì)問題是建基巖體的質(zhì)量問題，所以在工程建立的每個階段都進(jìn)展了大量

19、的根底巖體彈性波測試，使得測試成果得到進(jìn)一步加強(qiáng)。下面僅就壩基巖體的質(zhì)量特征進(jìn)展總結(jié)。6.1壩基巖體彈性特征壩基巖體彈性波普遍偏低，主要是因為巖體主要由泥、頁巖等泥質(zhì)巖類組成，且?guī)r體中破裂構(gòu)造面發(fā)育，巖體破碎所致。實測壩基巖體地震縱波速度一般為10002500/s，巖體動彈性模量一般為1.109.60GPa。巖體泊松比與巖體縱波速度具有較好的相關(guān)性，相關(guān)關(guān)系見1式。受巖石構(gòu)造、微裂隙、劈理、層理發(fā)育影響，致使巖體波速值各向差異不顯著。壩基巖體彈性波測試結(jié)果說明：雜色泥巖、薄層灰質(zhì)泥巖、厚層灰質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖、砂巖的平行地層走向和垂直地層走向的地震縱波速度比值分別為1.04、1.08、1.06、1.07、1.03。壩基巖體同一巖性的聲波速度比地震波速度一般高約20%40%。地震波主頻約為n100Hz，屬低頻范圍，而聲波主頻約為10k20kHz，屬高頻范圍，雖然兩者均屬于彈性波的范疇，但由于兩者的震源擾動機(jī)制、波源頻率、測段長度的不同以及測試巖體具有的低通濾波作用的影響，使得同一巖性的聲波速度高于地震波速度。