探析地球物理勘探在水利水電工程勘察中的應用效果

郭生凱 孫文斌 李長江 徐世業

摘 要：隨著地質勘探技術的飛速發展，在水利水電工程建設中的應用日益廣泛，因此對該技術的要求亦逐步提高，這就需要技術人員更加精益求精，不斷完善勘測技術，創新勘測模式，積極促進整體勘測水平的提高。本文開篇對地球物理勘探的概念進行闡述，并指出這種技術的主要運用方法，結合黃河沙坡頭水利樞紐工程的情況探討其壩基巖體灌漿效果，有著積極的現實意義。

關鍵詞：地球物理勘探 水利水電 應用

在水利水電工程建設中，地質勘測作為基礎性工作發揮著十分重要的作用。地球物理勘探作為其中一項重要技術近年來得到業內人士的廣泛關注，本文就此給出一些自己的看法。

1 地球物理勘探概述

1.1 地球物理勘探的概念

地球物理勘探在工程建設中的應用十分普遍，通常被簡稱為物探，指的是通過使用觀測儀器對被勘探地區的相關情況進行觀測，依據系統全面的數據整理進行分析，用專業化的地質原理對包括位置、埋深、范圍大小等具體信息給出科學的解釋。地球物理勘探技術貫穿于水利水電工程建設的始終，諸如物探的低成本、輕便及快捷的優勢可以加快工程開發的速度。而在現實實踐中，根據地質和地形的具體特點，采取相應的物探手段和工具，輔以一定的鉆探及坑槽探工作等，可以有效避免因勘探場地布置較大而造成不必要的時間和資金浪費，從而促進勘測工作質量與效率的極大提高。

1.2 地球物理勘探的主要方法

在地球物理勘探的實際應用中，采用較多的是基于位場理論的重力場勘探法、磁場勘探法和直流電場勘探法，以及基于波動理論的地震波勘探法、電滋波勘探法等方法。

1.2.1 重力場、磁場勘測法

這種方法相對于地震勘探法來講較為古老，并且在精度與可靠度等方面都有一定差距。隨著科學技術的不斷進步，高精度的重力、磁力儀被研發應用大大提高了重力場、磁場勘探的精度的同時，神經網絡技術、磁性矢量層析成像理論尤其是微伽級重力儀等的使用使得微重力測量在洞室勘探、邊坡地質體變動形態的監測等方面的勘探工作更加方便可靠。

1.2.2 地震勘測法

在工程地質勘探的過程中利用人工激發震源產生的地震波來進行勘探就叫做地震勘測法。當前形勢下，這種方法在水利水電工程建設中的應用日益廣泛。較為大型的項目有三峽工程等在進行巖體質量評價時所采用的即是彈性波縱波，并取得了較好得工程效益和經濟效益。此外，地震波CT技術在不斷發展和應用過程中日益形成較為完整的方法，尤其是其成像方式諸如利用直達波、折射波、面波及反射波等多種波進行組合的同時還可以實現鉆孔、隧道、邊坡和山體等多種觀測手段的結合來進行二維和三維的地質成像，以此促進地質勘測從定性逐步向定量發展。

1.2.3 電磁勘測法

這種方法主要包括利用天然磁場源的電磁測探（即MT 法）以及人工場磁場源的連續電磁波勘探（即EM 法）兩種，與其他幾種方法相比有著明顯的優越性，因而得以在水利水電工程建設中備受青睞。具體而言，這種方法可以實現采用人工和天然的兩種場源、多場源，二維與三維電阻率成像技術，并采用可控源的音頻大地電磁法等技術在水利水電工程勘探中具有重要的作用，諸如對深埋長隧洞圍巖介質的結構、其中的隱伏斷層、破碎層和異常區等影響工程的消極因素的檢測具有明顯的工程和經濟效益。

1.2.4 電法勘測法

這一方法實際上是一種對電阻率法、充電法、激發極化法、自然電場法和電磁感應法的統稱。其中，電阻率法在水利水電工程建設中的應用較為普遍。近年來，高密度電法勘探得到迅速發展，并在數據采集及成像方式等方面表現出較為明顯的優勢，逐步實現數據的自動快速采集，及時處理測量結果等等，而實質上其仍舊屬于電阻率法的范疇之內。

1.2.5 地球物理測井法

這種方法是隨著數值模擬方法和計算機技術的發展而發展起來的，并逐步應用于水利水電工程建設中。而且，鉆孔彩色電視的可適范圍從之前的90mm鉆孔逐步發展到50mm鉆孔。不僅如此，地球物理測井法對圖像的采集、壓縮和存儲均實現了數字化后的效果，使圖像的后期制作及處理工作成為可能。

2 地球物理勘探在水利水電工程中的應用及效果

結合近年來地球物理勘探在水利水電工程中的應用所取得的地質效果，介紹以下黃河沙坡頭水利樞紐工程的壩基巖體灌漿效果。

2.1 工程概況

黃河沙坡頭水利樞紐位于黃河干流上，南依香山山脈北麓，北鄰騰格里沙漠南緣，東北部為衛寧盆地。該樞紐是一項以灌溉、發電為主的綜合利用工程，主要由主壩和副壩兩部分組成。其中主壩壩基地層受多期構造運動影響，巖體中隱微裂隙發育，多呈鱗片狀。總庫容0.26億m?，總裝機容量11.6萬 kW，灌溉面積8.95萬h㎡。

2.2 地球物理勘探技術的應用及效果

樞紐針對以上情況采取聲波測井和地震波CT技術來改善。

2.2.1 聲波測井法的應用效果

聲波測井是以巖土體的彈性特征為基礎，通過測定巖土體的聲波傳播速度及其它聲學特點如聲波傳播幅度、頻率及衰減等的不同，達到研究地層特性的目的。實測工作在鉆孔內進行，且由下而上逐點測試，測試點間距0.2 m。聲波測井流程為Ⅰ序（選擇G2、G4孔）、Ⅱ序（選擇G6、G8孔）、Ⅲ序（G9、G10孔）灌漿孔的灌前測試和灌后及J1檢查孔測試。

綜合分析灌漿孔及檢查孔聲波檢測成果可知，每序孔灌后波速與灌前波速相比均有提高。平均提高率為11.5%～25.7%，最大提高率達52%。J1檢查孔測試結果與其較近的G9、G10孔相比，整體波速提高也較明顯。

2.2.3 地震波CT技術的應用效果

地震波CT技術是以巖土體的彈性特征為基礎，通過測定孔間巖土體的地震波傳播速度，進行地震波CT成像分析，達到對孔間巖土體的研究和評價之目的。

壩址右壩肩巖體灌漿區地震波CT測試是在W1和W2鉆孔中進行的。每次序CT剖面測試時，首先在W1孔0.0～24.0 m激發，在W2孔0.0～20.0 m段接收，然后互換在W2孔0.0～24.0 m激發，在W1孔0.0～20.0 m段接收。激發震源為雷管，激發間距為1.0 m，接收道間距2.0 m。 W1～W2鉆孔間巖體地震波CT測試流程為Ⅰ序孔灌前、Ⅱ序孔灌后（齡期15 d）、Ⅲ序孔灌后（齡期18 d）波速對穿測試。在外業實測的地震波CT原始記錄上，讀取每一炮點的每一接收道的直達波初至時間。應用“WYS97工程CT軟件”進行處理，從而獲得W1～W2間每一成像單元的波速值，然后利用SURFER等值線處理軟件，繪制出Ⅰ序孔灌前、Ⅱ序、Ⅲ序孔灌后W1～W2間波速等值線圖。處理時，采用直射線聯合迭代法，巖體空間成像網格單元劃分為0.5 m×0.5 m，迭代次數一般為15～20次，計算殘差小于3.0。

結合W1～W2鉆孔間巖體地質情況，分析Ⅰ序孔灌前W1～W2鉆孔間巖體波速等值線分布規律可知，巖體的波速及其等值線形狀主要由巖性和巖層傾向控制。孔深小于3.0 m，巖性主要是泥巖和頁巖，其巖體平均波速值較低，其值為1 560 m/s；孔深大于3.0 m，巖性主要為砂巖夾頁巖、泥質粉砂巖等，其巖體平均波速值均相對較高，其值為2 230～2 820 m/s。波速大于2 600 m/s的封閉等值線形狀主要是由W1孔向W2孔傾斜分布，與巖性及巖層傾向基本一致。Ⅱ序孔灌后W1～W2鉆孔間巖體波速等值線與Ⅰ序孔灌前的分布規律基本一致，但波速等值線有“上抬”趨勢，且波速大于2 600 m/s的封閉等值線的傾斜度變緩。孔深小于3.0 m，巖體平均波速值為1 640 m/s；孔深大于3.0 m，巖體平均波速值為2 420～2 880 m/s。相對Ⅰ序孔灌前整體波速平均提高率為3.6%。Ⅲ序孔灌后W1～W2鉆孔間巖體波速值變化不大，相對Ⅰ序孔灌前整體波速平均提高率為4.0%，相對Ⅱ序孔灌后整體波速其平均提高率為0.4%。但W1～W2鉆孔間巖體波速等值線的分布規律，與Ⅰ序孔灌前和Ⅱ序孔灌后相比發生了改變，波速等值線的形狀由Ⅰ序孔灌前的傾斜分布變為近水平狀分布，說明Ⅲ序孔灌后巖體的整體強度得到改善。

結 語

地球物理勘測技術的發展使其在水利水電工程建設中發揮著日益舉足輕重的作用，這就要求技術人員及時完善相關知識和技能，降低地質勘查的危險系數，促進地質勘測質量的提高。誠然，地質勘查所涉及的區域大多結構復雜，因此，相關部門應充分考察相應的地質情況，總結系統完善的特點，從而能夠及時采取有針對性的方法，不斷提高地質勘測數據準確性和完整性，為水利水電工程建設和運營提供良好的信息支撐。

參考文獻

[1]郭小紅；許暉.高密度電法物探技術在某山區勘察中的應用[J].山西建筑，2013，（28）.

[2]彭磊.水利水電工程地質勘測新方法的應用與展望[J].企業導報，2013（10）：282-283.

[3]徐明偉.水利水電工程地質勘測方法與技術應用[J].科技創新與應用，2013（27）：211-213.