綜合物探在水電站勘查中的應用

劉成懷 劉康和

(1.江蘇省水文地質工程地質勘察院，江蘇淮安 223001； 2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

某水電站擬建混凝土面板堆石壩，最大壩高180m，正常蓄水位892m，總庫容4.776×108m3。壩址所處區段河道曲折，谷底狹窄，岸坡高陡，河谷呈“V”字形。谷底寬度約15～30m，890m高程處寬度約180～360m；兩岸坡度大于40°～60°，部分為陡壁，岸高一般為200～280m，最高可達300m。壩區斷續分布有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級侵蝕基座型階地，沉積有沖洪積砂卵礫石，其上多被厚度不大的風積黃土覆蓋。

受構造作用影響，地層走向多變，傾向各異。兩岸巖體卸荷作用強烈，尤以近壩地段為甚，山體上部可見有大量卸荷松動巖體，加上構造作用影響，不利結構面相互組合，邊坡穩定性不佳。

測試區內的基巖巖性以中厚層灰巖為主，節理、裂隙密集帶、構造破碎帶及邊坡卸荷帶發育，造成地震波速度及聲波速度的差異。

針對上述探測任務，根據前期物探成果和工程經驗并結合現場地質、場地條件。經試驗選用探硐地震波法、聲波測井、鉆孔電視錄像、高密度電法等方法探測。

1 工作方法

⑴ 探硐地震波測試：現場施測為小相遇時距曲線觀測系統，單一排列長度12～24m，檢波點距1～2m，偏移距1m。檢波器與硐壁巖體以石膏耦合。錘擊震源。

⑵ 中心孔聲波測井：采用一發雙收干孔換能器，點距0.2m，由孔底向孔口逐點測試。

⑶ 鉆孔電視錄像：采用連續觀測方式，自上而下勻速（不大于2m/min）下放探頭，并連續錄像，同時計算機存盤，以供后期回放進行地質解譯。

⑷ 高密度電法：采用溫納爾裝置，單一排列為60根分布式電極，基本電極距3m，排列長度177m，電極隔離系數16。

2 成果分析

2.1 探硐地震波測試

探硐巖體地震波隨硐深的變化具有以下規律：所測探硐硐口處巖體受物理風化卸荷作用，裂隙大部分張開，其地震縱波速度較低，一般為1000～2000m/s左右,巖體完整性系數0.03～0.11，動彈性模量為1.34～6.40GPa。隨硐深的增加，動彈性參數有逐漸變大的趨勢，一般以硐深30m為界線，小于30m時，地震縱波速度小于3000m/s,巖體完整性系數小于0.25，動彈性模量小于16.22GPa；硐深大于30m時，地震縱波速度一般為3000～5900m/s, 巖體完整性系數一般為0.25～0.97，動彈性模量一般為16.22～81.34GPa。

2.2 中心孔聲波測井

綜合分析探硐內中心孔的聲波測試成果，原巖聲波速度一般均大于4500m/s，松動巖體聲波速度一般小于4500m/s。以此為劃分標準便可判定該壩址探硐圍巖開挖爆破所產生的松動厚度。

圖1 右岸PD12探硐zk1、zk2、zk3、zk4中心孔聲波測試成果圖

其中右岸PD2探硐ZK4、ZK5、ZK6三個中心孔處巖體松動厚度分別為0.8m、0.95m、0.9m；右岸PD12探硐ZK1、ZK2、ZK3、ZK4三個中心孔處巖體松動厚度分別為0.8m、1.0m、0.7m、0.5m；左岸PD13探硐ZK1、ZK2、ZK3、ZK4三個中心孔處巖體松動厚度分別為1.0m、0.8m、0.8m、0.9m。說明該壩址探硐巖體松動厚度范圍為0.5～1.0m。典型測試圖見圖1。

2.3 鉆孔電視錄像

對現場實錄的鉆孔電視錄像資料進行編輯回放后，重點對孔壁巖體破碎、裂隙發育段和巖性變化等重要特征進行描述。典型的孔壁巖體錄像展示圖見圖2。

圖2 鉆孔孔壁錄像成果圖

圖3 測線2高密度電法斷面圖

2.4 高密度電法

對野外實測的高密度電阻率數據，應用高密度電法處理軟件進行編輯、圓滑、調整等處理后，再利用最小二乘法進行反演處理，最終獲得高密度電阻率斷面圖(典型斷面圖見圖3)。結合前期勘探成果，本測區高密度電法探測深度可按公式(1)進行估算。

式中：h ——深度(m)；

AB ——供電極距(m)。 由圖3可知：本次測試反演所獲的電阻率斷面圖均客觀地反映了測試剖面地表面以下垂直和水平方向的巖層結構的變化特征，但地形條件（山頂）和表層不均勻介質（同一測線表層出現巖石或砂石土）對測試成果具有一定的影響，可能使解譯判斷出現一定的偏差，經綜合分析認為該測線電阻率斷面圖變化特征如下。

（1）表層（淺部）存在低阻凹槽和團塊特征，電阻率值一般為2.8～100Ω·m。隨電極隔離系數的增大，巖性電阻率值由低逐漸變高，呈現明顯的漸變特征。

（2）基巖（灰巖）電阻率最高，一般為2000～7000Ω·m。

（3）裂縫充填物電阻率相對圍巖較小，一般為100～600Ω·m。

（4）圖中標明左側裂縫位于該剖面樁號的40m處，近直立微傾小樁號，延伸深度約16m，分布高程978～994m。

（5）圖中標明右側裂縫位于該剖面樁號的80m處，直立，延伸深度大于30m，分布高程推測950～993m。

經鉆探驗證：該處裂縫深度31m。由此證明物探成果具有很高的探測精度。

3 基本結論

（1）平硐內巖體地震波縱波速度一般為1000～5900m/s。硐口段巖體波速較低，受風化卸荷影響較大，其巖體地震縱波速度較低，一般為1000～2000m/s左右,完整性系數0.03～0.11，動彈性模量為1.34～6.40GPa。隨硐深的增加，動彈性參數有逐漸變大的趨勢，一般以硐深30m為界線，小于30m時，巖體地震縱波速度小于3000m/s,完整性系數小于0.25，動彈性模量小于16.22GPa；硐深大于30m時，巖體地震縱波速度一般為3000～5900m/s,完整性系數一般為0.25～0.97，動彈性模量一般為16.22～81.34GPa。

（2）探硐中心孔測試結果表明：原巖聲波速度一般均大于4500m/s，松動巖體聲波速度一般小于4500m/s。以此為劃分標準便可判定該壩址探硐圍巖開挖爆破所產生的松動厚度。綜合分析測試成果可得該壩址探硐巖體松動厚度范圍為0.5～1.0m。

（3）探硐巖體地震波測試與聲波測試巖體動彈性參數的基本原理是一致的，它們都遵循彈性波在巖體介質中的傳播規律。但二者之間的區別在于所利用的彈性波的頻率不同，聲波的頻率大大高于地震波，因此聲波速度一般比地震縱波速度高5%～20%。本期工作巖體聲波速度與平硐地震縱波速度的差異主要是上述原因，同時二者測試的位置、高程不一致，聲波測試一般在孔內進行，孔上部具有一定厚度的蓋層，因此測試部位一般可視為原巖狀態；而平硐測試位置一般高于現代河床，且硐壁巖體受到爆破影響，開挖后原巖體應力發生改變，故地震縱波速度一般要低于聲波速度。

（4）鉆孔電視錄像中觀測的孔壁巖體結構和巖性的變化與聲波測井中劃分的低速帶和聲波速度的變化特點相對比，具有較好的吻合，能夠較好的確定低速帶或結構面發育的空間位置。

（5）應用高密度電法進行裂縫調查所取得的成果表明：該處表層（淺部）存在低阻凹槽和團塊特征，電阻率值一般為2.8～100Ω·m。隨電極隔離系數的增大，巖性電阻率值由低逐漸變高，呈現明顯的漸變特征；基巖（灰巖）電阻率最高，一般為2000～7000Ω·m；裂縫充填物電阻率相對圍巖較小，一般為100～600Ω·m。

其中1號測線出現1條裂縫，位于該剖面樁號的60m處，近直立傾向小樁號，延伸深度約13m，分布高程979～992m。

2號測線出現2條裂縫，左側裂縫位于該剖面樁號的40m處，近直立微傾小樁號，延伸深度約16m，分布高程978～994m，右側裂縫位于該剖面樁號的80m處，直立，延伸深度大于30m，分布高程推測950～993m。

3號測線出現2條裂縫，左側裂縫位于該剖面樁號的44m處，近直立微傾大樁號，延伸深度大于22m，分布高程推測960～995m；右側裂縫位于該剖面樁號的82m處，傾向大樁號，延伸深度大于31m，分布高程推測950～997m。

4號測線出現2條裂縫，左側裂縫位于該剖面樁號的36m處，近直立微傾大樁號，延伸深度大于20m，分布高程推測970～1004m；右側裂縫位于該剖面樁號的108m處，傾向大樁號，延伸深度大于25m，分布高程推測960～994m。

[1] 劉康和,練余勇著.深埋長隧洞地球物理勘察及施工超前預報.天津：天津科學技術出版社,2010年

[2] 水利水電工程物探規程SL326-2005.中華人民共和國水利行業標準