水利水電工程地質勘測新方法的應用與展望

【摘要】水利水電工程建設是我國基礎設計建設的重要內容，地質勘測又是水利水電工程的重要環節。本文首先對工程地質勘測技術進行了簡單的分析和介紹，然后結合實際工程應用研究了GPS系統、遙感（RS）技術以及地理信息系統（GIS）等3S技術地質勘測新方法的應用以及未來發展趨勢。

【關鍵詞】水利水電工程；地質勘測；勘測技術

一、引言

隨著我國水利水電工程的快速建設，地質勘測技術也得到相應的發展。同時，工程建設項目也對工程地質勘測提出了更高的要求。主要包括勘探深度的加大、勘探分辨率（精度）要求的提高，因此，許多傳統的地球物理方法及技術已無法滿足工程需要。為此，選擇合適的勘測方法并分析總結各種工程地質勘測方法及其最新的發展，這對工程地質勘測及水利水電工程建設具有重要意義。近年來，地學等基礎理論學科的發展，極大地推動了我國水利水電工程勘測技術的迅速發展。本文結合水利水電工程分析了工程地質勘探的3S技術新方法，重點研究了全球衛星定位系統（GPS）、遙感（RS）技術以及地理信息系統（GIS）新技術方法及其應用，并分別從各個技術方向角度對水利水電工程的未來發展趨勢進行了展望。

二、工程地質勘探技術

工程地質勘探主要包括山地勘探、鉆探、物探等三種方法，以工程地質測繪為基礎，進一步查明地表以下工程問題和取得深部地質資料。

1．山地勘探。山地勘探是指采用人工或機械進行剝土，或開挖探坑、探槽、探井或平硐等揭示地表淺層地質情況的勘探手段，可直接進行試驗、取樣和觀察地質現象。平硐和豎井（或大徑鉆井）勘探，是山地勘探工作中的重要組成部分。由于使用的工具和技術要求相對簡單，故在進行地表淺層地質勘察時運用較多，正因如此，山地勘探的缺點是勘探深度有限。

2．鉆探。多年來，鉆探在工程勘察中發揮了重大作用，得到了廣泛應用，為提高勞動生產率、縮短勘察周期、保證勘察成果質量做出了很大的貢獻，并處于不斷開發與研究新技術、新方法的過程中。

20世紀70年代的金剛石鉆進技術在我國工程勘探中的應用，鉆探效率成倍增長，巖心采取率普遍達到90％以上。這徹底改變了鋼粒鉆進和硬質合金鉆進的技術落后狀況。因此，金剛石鉆頭基本取代了鋼粒或硬質合金鉆頭。砂卵石層、軟弱夾層、破碎帶等特殊層位的鉆進取樣技術的發展。砂卵石鉆進和取樣一直是水利水電工程鉆探的一大技術難題，在“六五”科技攻關中，加強對深厚砂卵石層鉆進和取樣技術的研究，近年來，研究成功的SM植物膠和MY-1A植物膠沖洗液金剛石鉆進砂卵石層取樣新的技術，較好地解決了砂卵石層中鉆進和取樣的難題，推廣較好，已產生了明顯的社會經濟效益。金剛石繩索取芯鉆進技術。在不提鉆的情況下通過用繩索將裝有巖芯的內管直接從專用鉆桿內提到地面采取巖芯，是一種先進的鉆探工藝。實踐證明，該工藝大大減少了取芯過程中來回提鉆的工作量，較好地解決了在軟弱層等特殊地層鉆進過程中經常出現的如塌孔、取芯質量低等難題。其它一些鉆進工藝的發展。如軟弱夾層的鉆進技術、套鉆技術、大口徑鉆探技術等，這些技術經多年應用而取得的顯著社會經濟效益，并逐步已納入有關的現行規范中。

3．工程物探。地球物理勘探（Geophysical Prospecting）簡稱物探，它是應用觀測儀器測量被勘探區的地球物理場，通過對測量場數據的處理和地質解釋來推斷和發現地下可能存在的局部地質體、地質構造的位置、埋深、大小及其屬性的科學。工程物探方法主要有以位場理論為基礎的重力場勘探、磁場勘探、直流電場勘探等，以及以波動理論為基礎的地震波勘探、電滋波勘探等。（1）重、磁位場勘探。相對于地震勘探而言，重、磁位場勘探是最古老的一種物探，其精度和可靠度較差。目前，一些高精度的重力儀、磁力儀的研制和應用，重、磁位場勘探的精度也隨著有了很大程度的提高。同時，神經網絡技術和磁性矢量層析成像理論的研究和應用，使重、磁位場勘探在上個世紀獲得了廣泛的發展應用。微伽級重力儀將微重力測量用來勘探洞室和邊坡地質體的變動形態并監測其穩定性。（2）地震勘探。目前，地震勘探在水利水電工程領域發展較快。例如：利用彈性波縱波對三峽等大型水利水電工程的巖體質量做定性評價，取得了顯著的工程和經濟效益；由中鐵西南科學研究院開發研制的負視速度法和水平地震剖面法、由瑞士Amberg測量技術公司開發的TSP長距離超前預報法、由美國NSA工程公司開發研制的真正反射層析成像（TRT）超前預報技術等，較好地解決了利用反射波地震勘探進行隧道超前預報的難題。近年來，地震CT可利用鉆孔、隧道、邊坡、山體等多種觀測條件進行二維、三維地質成像，促進了地質勘測由定性向定量化的方向發展。（3）巖體彈性波測試技術。目前該項技術除一般的地震勘探測試以外主要還有以下幾種測試：聲波測井技術、壩基巖體質量快速檢測系統、瞬態面波探測技術。（4）電磁勘探。主要包括人工場源的連續的電磁波勘探（EM法）和天然場源的電磁測探（MT法）。例如：可控源音頻大地電磁法、人工與天然兩種場源、多場源、二維和三維電阻率成像等技術，在水利水電工程中用來推測深埋長隧洞圍巖介質的結構特征、隱伏斷層、破碎帶及異常區等可能影響工程的各種因素，取得了顯著的經濟效益。（5）電法勘探。包括電阻率法、充電法和自然電場法、激發極化法、電磁感應法等多種方法。又可分為穩定電流場理論、交變流法理論兩大分支。近年來發展起來的高密度電法勘探，引進了地震勘探的數據采集辦法，可實現數據的快速、自動采集，其測量結果可實時處理并顯示地電斷面或剖面圖，從傳統的一維勘探發展到二維勘探，此方法屬于電阻率法的范疇，在水利水電工程地質勘察中應用較多。目前發展趨勢是單源與單點測量，向多源、多點、多線測量發展，從而發展了三維觀測技術。

三、地質勘測新方法及其在水利水電工程中的應用與展望

在水利水電工程建設當中，會遇到和一般工程建設不同的問題，以此也就要求引用更為先進的地質勘探新方法來彌補其中的不足。本文分別介紹了3S技術中全球定位系統（GPS）、遙感（RS）與地理信息系統（GIS）等4種新方法，并簡單分析了它們的應用及未來發展趨勢。3S技術是指全球定位系統（GPS）、遙感（RS）、地理信息系統（GIS）等三大技術系統的集成與總稱。遙感技術是3S技術的基礎，它提供主要的遙感信息源。GPS技術用于遙感信息的精確定位，GIS技術則為遙感信息的獲取提供輔助信息和專家思維，并對所提取的各種信息進行管理和分析且具有制圖功能。近年來，國內開始在一些特大型、大型水利水電工程地質勘察中采用3 S技術。例如，許多大型水利水電工程采用了3S技術并取得了豐碩成果。

1．GPS技術在水利工程地質勘測中的應用及展望。GPS在水利水電工程地質勘察測量及定位控制的應用越來月廣泛，它能較好地解決跨河、跨溝水準在高程控制方面難以傳遞的問題，以及通視條件較差、觀測條件受限、勘察區控制點較少或在山區、林區等區域大大減少作業時間，提高測量精度，進行工程地質勘察。工程地質勘察通過GPS確定觀測點位的三維坐標。和普通測量手段不同，具有定位精度高、觀測時間短、操作簡便、可全天候觀測等優點，它不要求觀測站之間通視，并且可將其采集和儲存的觀測數據導入計算機進行分析與處理。

2．遙感（RS）在水利工程地質勘測中的應用及展望。遙感技術一般分為航天遙感、航空遙感和地面遙感共3大類。遙感可以通過衛星直接提供一定比例尺縮小的自然景觀綜合立體影像圖、航片以及陸地攝影照片，能真實、集中地反映大范圍的地貌形態、地層巖性、地質構造和滑坡、崩塌、泥石流、巖溶等外動力地質現象。遙感技術是研究區域構造穩定性必用的手段。因為遙感圖像能提供大量宏觀的線性構造信息，較好地反映區域地質特征、水系分布特征和地貌形態。也可以對水庫區崩塌、滑坡、泥石流進行調查。巖溶調查。利用遙感影像，特別是彩紅外影像在進行巖溶及巖溶水文地質調查方面有其特殊的優勢。實踐證明，清江招來河、高壩洲，黃河萬家寨等工程曾利用彩紅外航片解譯來研究巖溶及巖溶滲漏問題，都取到了良好的效果。巖土工程開挖面地質編錄。由長江勘測技術研究所開發和完善的“高邊坡快速地質編錄系統”，成功地應用于長江三峽永久船閘、瀾滄江小灣、清江水布埡等工程的巖質高邊坡開挖中的地質編錄。

近年來，工程地質勘測遙感技術的應用的新動向就是與GIS、GPS技術的綜合集成應用。

3．地理信息系統（GIS）在水利工程地質勘測中的應用及展望。GIS技術能處理圖形、圖像、空間數據及相應的屬性數據的數據庫管理、空間分析等問題，還能自動制作平面圖、柱狀圖、剖面圖和等值線圖等工程地質圖件。近幾年工程地質勘察行業的熱點和發展趨勢就是將GIS技術應用于工程地質信息管理和制圖輸出。目前，由中國地質大學開發研制的MAP2GIS是國內應用較多且比較成熟的專業軟件，是一種專業的地理信息系統軟件。

目前，我國水利水電行業工程地質勘測方法正處于一個飛速發展的階段。我國水能資源的蘊藏量居世界第一位，國家的電力建設方針也把重點放在水利水電上。隨著西北、西南大江大河的規劃開發，無論在地形地質條件或工程建筑的規模上都與過去有很大的不同。因此，對于工程地質勘測的要求愈來愈高；對于某些常見的工程地質問題的評價，需要有更多的資料予以論證，并要求我們使水利水電工程地質勘察工作由“定性分析”向“定量計算”方向發展，從定性、半定量的工程地質評價逐步發展到定量評價。需要我們重新認識和審視目前我國水利水電工程的各種勘測手段及其應用水平，大力推進各種勘測方法的發展及其綜合應用。一方面，一些傳統的勘測手段仍然起著不可替代的作用；另一方面，合理選擇水利水電工程地質勘測方法顯得重要。

四、總結

隨著科學技術的不斷發展與進步，工程地質勘測新方法將源源不斷的涌現出來，但目前國內水利水電工程建設的工程地質勘測還處于相對“落后”的階段，怎樣加強各種新技術方法的應用成為當前我國水利水電工程建設人員所需要重點研究的問題。

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