淺談水利工程地質(zhì)勘測(cè)

【摘 要】水利工程地質(zhì)勘測(cè)主要任務(wù)是查明與工程建設(shè)有關(guān)的地質(zhì)條件并作出評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題，提出所需的防治措施與建議，為規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工提供必要的地質(zhì)資料。 本文分析總結(jié)了工程地質(zhì)測(cè)繪、勘探、野外試驗(yàn)等水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)等方法的用途及其最新發(fā)展情況，以及全球定位系統(tǒng)（GPS） 、遙感（RS） 、地理信息系統(tǒng)（GIS）等3 S技術(shù)在水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)中的主要應(yīng)用，旨在為水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)方法的合理選擇提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】水利；工程；地質(zhì)；勘測(cè)

1 工程地質(zhì)測(cè)繪與編錄

工程地質(zhì)測(cè)繪與編錄是地質(zhì)勘察中最先進(jìn)行的綜合性基礎(chǔ)工作，主要方法有：路線測(cè)繪法、地質(zhì)點(diǎn)測(cè)法、實(shí)測(cè)剖面圖法等。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)一個(gè)工程區(qū)，首先應(yīng)研究并弄清楚區(qū)域地殼穩(wěn)定性和地震活動(dòng)狀況，然后充分利用已有的區(qū)測(cè)成果進(jìn)行專門的工程地質(zhì)測(cè)繪并開展其它專項(xiàng)工程地質(zhì)問(wèn)題的研究等工作。全球定位系統(tǒng)（ GPS） 、遙感（RS） 、地理信息系統(tǒng)（ GIS）等3S技術(shù)的應(yīng)用，體現(xiàn)了工程地質(zhì)測(cè)繪與編錄的發(fā)展情況。

2 工程地質(zhì)勘探

工程地質(zhì)勘探是在工程地質(zhì)測(cè)繪的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步查明地表以下工程問(wèn)題和取得深部地質(zhì)資料而進(jìn)行的，主要有山地勘探、鉆探、物探等三種方法，以下分別加以說(shuō)明。

2.1 山地勘探

山地勘探是指采用人工或機(jī)械進(jìn)行剝土，或開挖探坑、探槽、探井或平硐等揭示地表淺層地質(zhì)情況的勘探手段，可直接進(jìn)行試驗(yàn)、取樣和觀察地質(zhì)現(xiàn)象，使用的工具和技術(shù)要求相對(duì)簡(jiǎn)單，故在進(jìn)行地表淺層地質(zhì)勘察時(shí)運(yùn)用較多。這亦是山地勘探的缺點(diǎn)，即它的勘探深度有限。

2.2 鉆探

近年來(lái)，鉆探方法、工藝及其施工水平的提高，加快了水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)水平的發(fā)展，其主要表現(xiàn)在以下幾方面：

2.2.1 鉆頭、鉆機(jī)等鉆探設(shè)備的發(fā)展。例如：從20世紀(jì)80 年代開始，研制出各種轉(zhuǎn)速快、扭矩大、性能穩(wěn)定的新型鉆機(jī)。另外，對(duì)較完整的硬巖進(jìn)行鉆探時(shí)，金剛石鉆頭基本取代了鋼粒或硬質(zhì)合金鉆頭，大大提高了鉆進(jìn)速度和巖心采取率。

2.2.2 砂卵石層、軟弱夾層、破碎帶等特殊層位的鉆進(jìn)取樣技術(shù)的發(fā)展。砂卵石層卡鉆、難以鉆進(jìn)，以及同軟弱夾層等特殊層位中鉆進(jìn)一樣，巖芯采取率低、取樣困難等一直是水利水電工程鉆探的技術(shù)難題。近年來(lái)， SM植物膠和MY-1A植物膠沖洗液金剛石鉆進(jìn)砂卵石層取樣新技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，較好地解決了砂卵石層中鉆進(jìn)和取樣的難題。在軟弱夾層、破碎帶中鉆進(jìn)時(shí)，由于巖芯對(duì)磨，巖芯采取率一直很低并且很難取到原狀土樣。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的套鉆技術(shù)，或采用專用的取芯鉆具，及其它確保巖芯免受沖刷和擠壓的保護(hù)系統(tǒng)等，較好地解決了這一技術(shù)難題。

2.2.3 其它一些鉆進(jìn)工藝的發(fā)展。例如，繩索取芯鉆探新工藝實(shí)現(xiàn)了在不提鉆的情況下采取巖芯的目的，其在水利水電工程中的應(yīng)用實(shí)踐證明，該工藝大大減少了取芯過(guò)程中來(lái)回提鉆的工作量，較好地解決了在軟弱層等特殊地層鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的難題，如塌孔、取芯質(zhì)量低等問(wèn)題。

2. 3 工程物探

地球物理勘探（Geophysical Prospecting）簡(jiǎn)稱物探，它是應(yīng)用觀測(cè)儀器測(cè)量被勘探區(qū)的地球物理場(chǎng)，通過(guò)對(duì)測(cè)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理和地質(zhì)解釋來(lái)推斷和發(fā)現(xiàn)地下可能存在的局部地質(zhì)體、地質(zhì)構(gòu)造的位置、埋深、大小及其屬性的科學(xué)。工程物探方法主要有以位場(chǎng)理論為基礎(chǔ)的重力場(chǎng)勘探、磁場(chǎng)勘探、直流電場(chǎng)勘探等，以及以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)的地震波勘探、電滋波勘探等。

2.3.1 重、磁位場(chǎng)勘探。重、磁位場(chǎng)勘探是最古老的一種物探，相對(duì)于地震勘探而言，其精度和可靠度較差。目前，由于一些高精度的重力儀、磁力儀的研制和應(yīng)用，使得重、磁位場(chǎng)勘探的精度有了很大程度的提高。同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在重、磁位場(chǎng)勘探中的應(yīng)用，以及磁性矢量層析成像理論的研究和應(yīng)用，使重、磁位場(chǎng)勘探在上個(gè)世紀(jì)獲得了廣泛的發(fā)展應(yīng)用。微伽級(jí)重力儀的使用，使微重力測(cè)量被用來(lái)勘探洞室和邊坡地質(zhì)體的變動(dòng)形態(tài)并監(jiān)測(cè)其穩(wěn)定性。磁法勘探主要用于區(qū)域和深部地質(zhì)構(gòu)造研究、礦產(chǎn)勘探、考古等領(lǐng)域，在工程地質(zhì)勘測(cè)中應(yīng)用較少。

2.3.2 地震勘探。在工程地質(zhì)勘探中應(yīng)用較多的為人工激發(fā)震源地震波勘探，其人工激發(fā)震源有多種。目前，地震勘探在水利水電工程領(lǐng)域發(fā)展較快。例如，利用彈性波縱波對(duì)三峽等大型水利水電工程的巖體質(zhì)量做定性評(píng)價(jià)，取得了顯著的工程和經(jīng)濟(jì)效益；由中鐵西南科學(xué)研究院開發(fā)研制的負(fù)視速度法和水平地震剖面法、由瑞士Amberg測(cè)量技術(shù)公司開發(fā)的TSP長(zhǎng)距離超前預(yù)報(bào)法、由美國(guó)NSA工程公司開發(fā)研制的真正反射層析成像（ TRT）超前預(yù)報(bào)技術(shù)等，較好地解決了利用反射波地震勘探進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)的難題。

近年來(lái)，地震CT已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)方法系列，其成像方式發(fā)展到可利用直達(dá)波、反射波、折射波、面波等多種波組合，可利用鉆孔、隧道、邊坡、山體等多種觀測(cè)條件進(jìn)行二維、三維地質(zhì)成像，促進(jìn)了地質(zhì)勘測(cè)由定性向定量化的方向發(fā)展。

2.3.3 電磁勘探。包括天然場(chǎng)源的電磁測(cè)探（MT法）和人工場(chǎng)源的連續(xù)的電磁波勘探（ EM

法）等多種方法。近年來(lái)，電磁勘探在水利水電工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。例如，可控源音頻大地電磁法、人工與天然兩種場(chǎng)源、多場(chǎng)源、二維和三維電阻率成像等技術(shù)，在水利水電工程中用來(lái)推測(cè)深埋長(zhǎng)隧洞圍巖介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征、隱伏斷層、破碎帶及異常區(qū)等可能影響工程的各種因素，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。地質(zhì)雷達(dá)（頻率范圍1～100MHz）是目前分辯率最高的物探方法。地質(zhì)雷達(dá)對(duì)斷裂帶，特別是含水帶、破碎帶地層有較高的識(shí)別能力。

2.3.4 電法勘探。主要包括電阻率法、充電法和自然電場(chǎng)法、激發(fā)極化法、電磁感應(yīng)法。可分為穩(wěn)定電流場(chǎng)理論、交變流法理論兩個(gè)分支。在水利水電工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用較多的是電阻率法。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高密度電法勘探，屬于電阻率法的范疇，但它引進(jìn)了地震勘探的數(shù)據(jù)采集辦法，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)采集，其測(cè)量結(jié)果可實(shí)時(shí)處理并顯示地電斷面或剖面圖，從傳統(tǒng)的一維勘探發(fā)展到二維勘探。目前，在單源與單點(diǎn)測(cè)量的基礎(chǔ)上，發(fā)展為多源、多點(diǎn)、多線測(cè)量，從而發(fā)展了三維觀測(cè)技術(shù)。

2.3.5 地球物理測(cè)井。20世紀(jì)90年代，由于數(shù)值模擬方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)態(tài)測(cè)井技術(shù)成為可能。另外，始于20世紀(jì)70年代中期的鉆孔彩色電視適用范圍由原來(lái)的91 mm鉆孔發(fā)展到50 mm的鉆孔，并可實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)字化實(shí)時(shí)采集壓縮存儲(chǔ)，成果可刻錄成VCD光盤，還可進(jìn)行后期圖像處理及制作。

3 工程地質(zhì)野外試驗(yàn)

工程地質(zhì)野外試驗(yàn)有觸探試驗(yàn)、灌漿試驗(yàn)等巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和地基處理試驗(yàn)。水利水電工程地質(zhì)野外試驗(yàn)水平的發(fā)展，主要體現(xiàn)在試驗(yàn)儀器和設(shè)備的發(fā)展。例如：目前進(jìn)行的灌漿試驗(yàn)用來(lái)測(cè)試地層巖體的透水率，推斷巖體的完整程度及節(jié)理、裂隙、斷層和破碎帶等的發(fā)育和分布狀況等，其灌漿試驗(yàn)的止?jié){栓塞已發(fā)展了高壓氣塞，灌漿孔漿液注入量則采用自動(dòng)灌漿記錄儀，而且目前灌漿記錄儀已由原來(lái)的“一對(duì)一”發(fā)展到“一對(duì)多”，即一臺(tái)記錄儀可自動(dòng)記錄多臺(tái)灌漿泵注射漿液的流量。

4 3 S技術(shù)的應(yīng)用

3S技術(shù)是指全球定位系統(tǒng)（ GPS） 、遙感（RS） 、地理信息系統(tǒng)（GIS）等三大技術(shù)系統(tǒng)的集成與總稱。遙感技術(shù)是3S技術(shù)的基礎(chǔ)，它提供主要的遙感信息源。GPS技術(shù)用于遙感信息的精確定位，GIS技術(shù)則為遙感信息的獲取提供輔助信息和專家思維，并對(duì)所提取的各種信息進(jìn)行管理和分析且具有制圖功能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開始在一些特大型、大型水利水電工程地質(zhì)勘察中采用3S技術(shù)。例如，許多大型水利水電工程采用了3S技術(shù)并取得了豐碩成果。

4. 1 全球定位系統(tǒng)（GPS）的主要應(yīng)用

GPS在工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域內(nèi)主要用來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。相對(duì)于普通測(cè)量手段而言，它不要求觀測(cè)站之間通視，具有定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)便、可全天候觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可將其采集和儲(chǔ)存的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析與處理。GPS越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于水利水電工程地質(zhì)勘察測(cè)量及定位控制，它在高程控制方面能較好地解決跨河、跨溝水準(zhǔn)難以傳遞的問(wèn)題，以及在勘察區(qū)控制點(diǎn)較少，或在山區(qū)、林區(qū)等通視條件較差、觀測(cè)條件受限的區(qū)域進(jìn)行工程地質(zhì)勘察時(shí)，運(yùn)用GPS可大大減少作業(yè)時(shí)間，提高測(cè)量精度。

4.2 遙感（RS）的主要應(yīng)用及其發(fā)展

遙感技術(shù)主要應(yīng)用于預(yù)可行性研究階段或可行性研究階段，與其他勘察手段配合，有利于大面積地質(zhì)測(cè)繪，提高填圖質(zhì)量和選線、選址的質(zhì)量，減少野外地質(zhì)調(diào)查的盲目性，減少外業(yè)工作量，進(jìn)而提高了勘察效率。遙感技術(shù)作為一種工程地質(zhì)勘測(cè)手段，近年來(lái)在我國(guó)水利水電工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從總體來(lái)說(shuō)其用途主要有：工程地質(zhì)調(diào)查與制圖，巖溶調(diào)查，對(duì)滑坡、崩塌、泥石流等物理地質(zhì)現(xiàn)象的調(diào)查，輸水隧洞、渠道等跨區(qū)域、長(zhǎng)距離等線狀大型工程地質(zhì)調(diào)查，地形、地貌、地質(zhì)、水文、氣候等復(fù)雜特殊地區(qū)的工程地質(zhì)調(diào)查，節(jié)省了費(fèi)用，加快了工期。

4. 3 地理信息系統(tǒng)（GIS）的主要應(yīng)用及其發(fā)展

GIS技術(shù)可自動(dòng)制作平面圖、柱狀圖、剖面圖和等值線圖等工程地質(zhì)圖件，還能處理圖形、圖像、空間數(shù)據(jù)及相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理、空間分析等問(wèn)題，將GIS技術(shù)應(yīng)用于工程地質(zhì)信息管理和制圖輸出是近幾年工程地質(zhì)勘察行業(yè)的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多且比較成熟的專業(yè)軟件是由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)開發(fā)研制的MAP-GIS，是一種專業(yè)的地理信息系統(tǒng)軟件。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述可以看出，我國(guó)水利水電行業(yè)工程地質(zhì)勘測(cè)方法正處于一個(gè)飛速發(fā)展的階段。重新認(rèn)識(shí)和審視目前我國(guó)水利水電工程的各種勘測(cè)手段及其應(yīng)用水平，大力推進(jìn)各種勘測(cè)方法的發(fā)展及其綜合應(yīng)用，從而使水利水電工程地質(zhì)勘察工作由“定性分析”向“定量計(jì)算”方向發(fā)展。定性分析和定量計(jì)算的緊密結(jié)合，對(duì)加快我國(guó)水利水電工程業(yè)的發(fā)展具有重大意義。不可否認(rèn)，一些傳統(tǒng)的勘測(cè)手段仍然起著不可替代的作用；另一方面，運(yùn)用有限元等數(shù)值模擬分析方法，發(fā)展與實(shí)際地質(zhì)體性質(zhì)更接近的非均質(zhì)、各向異性、多相介質(zhì)中的三維（3 D）層析成像等物探技術(shù)，以及3S技術(shù)在水利水電工程勘測(cè)中更廣泛的應(yīng)用，已成為當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。