水域物探在閩江下游龍城段引水工程勘察中的應用

陳 塵

水域物探在閩江下游龍城段引水工程勘察中的應用

陳 塵

(福州城建設計研究院有限公司 福建福州 350001)

閩江下游龍城段引水工程過江輸水管道，擬采用巖石頂管技術施工。該工程地質勘察采用水域物探和常規地質鉆探相結合方法，對施工場區的地質地形作出準確詳實的評價，為設計部門選擇最優管道線路提供詳實可靠的地質條件保障。

過江管道；地質鉆探；水域物探；巖石頂管技術

1 工程概述

近年來閩江下游段由于河床下切、入海流量減少等原因，福州城區水廠取水口河水受咸潮上溯氯離子超標、海水漲潮頂托廢污水回流污染等影響，水質日趨惡化，對福州城區供水造成嚴重影響。在開展閩江下游河道綜合整治，合理開發利用大樟溪流域水資源，有效化解閩江下游現有福州城區各水廠取水口河水水質偏差問題的基礎上，建設北水南調平潭及閩江口水資源配置工程十分緊迫。

平潭及閩江口引水工程(福州段)是福建省北水南調平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程的重要組成部分，該工程計劃從大樟溪莒口攔河閘上游取水，中途從閩江干流竹岐取水口調水補充，引水往平潭、福清、長樂、福州南港片等地，工程主要涉及閩江下游段、閩江下游重要支流大樟溪、龍江以及平潭島等區域。

平潭及閩江口引水工程設計的前期工作(地質勘察設計部分)由我公司負責。該工程地質勘察點位于尚干綜合農場山龍鞋廠附近， 往東北方向穿越烏龍江接入城門水廠， 總長3.837km ，其中閩江烏龍江段河道龍祥島至城門水廠(以下簡稱龍城段) 的過江管道，長約1.149km是勘察工作中重難點部分。在勘探施工中沿龍城段原擬輸水管道線共布置勘探鉆孔7個，揭示出地層如下：淤泥、中砂、卵石、強風化凝灰熔巖和弱風化凝灰熔巖，如圖1所示。

圖1 原擬建管道工程地質縱斷面圖

根據圖1，結合鉆孔內采取巖石樣本，經實驗室進行相關巖石實驗得知，原擬建管道于樁號HM4+828.5～HM5+488.5段(龍城段)約660m需穿越凝灰熔巖及其風化層，巖石單軸飽和抗壓強度為60MPa～90MPa，屬于工程堅硬巖類，不適合采用常規管道施工技術。根據龍城段輸水管道沿線地形地質條件，加以從安全穩定、使用壽命和后期維護等方面因素綜合考慮，設計部門擬推薦采用巖石頂管技術進行施工。頂管主要穿越地層為粉質粘土、淤泥、中砂以及各種風化的巖石，地層較為復雜且起伏較大。為減少施工對地層擾動，保證開挖面不發生坍塌與沉降，擬采用泥水加壓平衡模式進行頂管施工[1]。經初步測算，巖石頂管技術施工造價約2.7萬元/m，是常規頂管施工的2.2倍，開挖沉管施工的3倍。由于巖石頂管技術施工難度大、造價高，故要求線路設計簡潔精準。

為此，設計部門要求我公司采用相應的勘察技術，對擬建線路烏龍江龍城段的上游和下游方向200m內地質情況進行初步勘察，探明該場區范圍內巖土分布情況，為設計部門選擇經濟、合理的最優輸水線路提供詳實工程地質資料。

2 常規工程地質鉆探

根據巖土勘察規范及前期踏勘資料,按常規工程地質鉆探要求，應在原擬建管道線路的上下游每隔50m橫向設置勘探線8條，每條線路上布置勘探鉆孔6個，勘探孔間距150m，共布置48個勘探鉆孔。如此則面臨以下4點問題：

(1)常規工程地質鉆探依靠收集各個鉆孔資料來推測地下地質條件，無法詳實反映河床底弱風化基巖埋藏情況。

(2)初步預算鉆探工程費用約45萬元。

(3)擬安排鉆機工作船進行江上作業，但施工場地位于閩江下游烏龍江段主航道上，無法長時間連續進行鉆探施工，工期長難以預估。

(4)施工場地受潮汐影響明顯，導致勘探點測量放樣、鉆探深度、精度誤差都較大。

由于存在工程費用高、工期長、精度低等問題，本段地質勘察不適合采用常規工程地質鉆探方法。經研究擬采用工程物探與常規鉆探相結合方法進行該段工程地質勘察，其中采用水域物探方法進行勘察工期7d，工程費用15.6萬元。

3 水域工程物探

3.1 水域物探勘察工作基本原理及優點

本次水域物探勘察工作系采用水域走航式地震反射波方法。接收采用24道漂浮電纜，道間距1m，震源采用氣動機械聲波連續沖擊震源，CAP多次覆蓋疊加技術。

多道多次覆蓋CAP疊加技術在地震反射波勘探技術中具有里程碑的意義。多次覆蓋技術又稱之為水平多次疊加，又稱為共反射點(CAP)疊加。多次覆蓋，即是將不同激震點、不同接收點上接收的來自相同反射點的地震反射信號，經過幾何地震學校正后疊加起來，得到同一個反射點的疊加值。

覆蓋次數取決于每次激震時接收點的數量和激震點間距，對于單邊激震而言，覆蓋次數n由下式確定：

覆蓋次數用n=N/2A進行計算，式中N—采集記錄地震道數，A—激發炮點間距。

多道采集技術中，CAP點間距主要與道間距有關，當采用道間距1m的電纜，24道采集，船速為1m/s，CAP覆蓋次數為可達12次，CAP間隔也可達到0.5m；當采用道間距0.5m的電纜時，CAP 間隔可達到0.25m，可滿足該工程對風化殘留體探測的要求。CAP道集是由不同偏移距的若干炮檢記錄對在同一共深度反射點的記錄組成的，在時間與偏移距坐標系收集的所有記錄，其水平反射界面的時距曲線為一條雙曲線形態。利用疊加速度或偏移距與時間的關系，將反射波到達時間排列成直線，并累加產生一個單獨的記錄，它的信噪比要高于所有原始記錄。

水域走航式地震反射波方法由于工作船的航速受發動機馬力、海水流速、漲落潮、風向、駕駛技術等影響，不可能保持恒定的速度，實際作業中基本上為1.2m/s～1.4m/s之間。震源激發點距取決于船速和震源船沖擊間隔時間，震源船沖擊間隔時間保持1s，炮點距在1.2m～1.5m之間，不同測線或同一測線不同里程段炮點距有所不同。因此該工程采用準CAP疊加方法，即抽取小面元的來自不同激震點、不同接收點上接收的反射地震信號進行疊加。

多道多次覆蓋CAP疊加技術水域地震反射波勘探是該工程的關鍵方法技術。與單道地震對比，多次CAP覆蓋的具有以下6個顯著優點：

圖2 水域地震反射波法物探勘察成果解釋剖面圖

(1)使有效信號得到增強。

(2)提高橫向分辨率。

(3)對多次波和噪聲信號擬制或有效消除。

(4)從地震反射波在界面處的反射能量分配看，不同偏移距其反射系數不一樣，較淺地層要用較小的偏移距，較深的地層要用相對大的偏移距。單道地震采用同一偏移距不能確定并同時清楚反映從上到下不同深度的地層信息。多道采集則很好地克服此不足。

(5)可提取靜校正數據。

(6)反射界面能夠偏移歸位到其客觀的空間位置。

3.2 資料處理及成果解釋

3.2.1 水域地震反射波法資料處理

水域地震反射波方法數據處理和成圖解釋流程如下：

(1)數據處理：解編→動平衡記錄時間補償→壞道剔除→頻譜分析→濾波→速度分析→抽道集→噪音處理→反褶積→濾波→動校正→CAP迭加→多次波消除→偏移→深度衰減補償→長PCX文件制作→繪制彩色反射波時間剖面圖；

(2)計算各地震道坐標、距離：航跡歸一→地震道號與坐標對應點輸入→計算各道坐標、各道坐標投影道隧洞軸線或設計線上→計算偏離軸線距離→插值計算每個CAP點的里程樁號、偏離距[2]；

(3)考慮海水高程變化，按疊加速度計算各CAP道的過江管線管頂、管底時間。

3.2.2 水域地震反射波法成果解釋

水域地震反射波法共測試了14條測線，從地震反射波疊加剖面上可以清楚地分出3個界面，其中T1同相軸為水底界面；T2同相軸為細砂界面，波形特征為海相沉積層中同相軸較多，有同相軸尖滅現象，風化層中同相軸較少；T3同相軸為碎塊狀強風化凝灰熔巖頂界面，測區碎塊狀強分基巖有凸起[3]。具體各層分層,如圖2所示。

4 形成結果

上述“水域走航地震反射波法物探勘察成果解釋剖面圖”，經分析、整合處理，最后綜合形成“龍城段水域物探三維圖”，如圖3所示。根據圖3顯示的地質地形狀況，選出最優管道線路(新擬建管道線路)。在新擬建管道線路上布設勘探鉆孔進行常規地質鉆探后，繪制出“新擬建管道工程地質縱斷面圖”，如圖4所示。

將圖4和圖3進行對比分析，兩圖所顯示的地質狀況基本吻合，經測算新擬輸水管道穿越弱風化凝灰熔巖長度僅需287m，較原擬建管道少穿越巖石373m。上述地質勘察說明新擬建管道完全滿足設計和施工要求。

圖3 龍城段水域物探三維圖

5 結語

上述勘察工作顯示，水域走航式地震反射波法物探勘察技術，具有高效快捷、精度準確、抗干擾能力強等優點，其獲得的數據、圖像經分析整合形成的物探三維圖，地形立體感強、圖像直觀[4]。該物探法作用于施工場區面積較大范圍的復雜水域地質地形初勘效果良好。

在物探勘察基礎上，結合定點、定線作常規地質鉆探勘察，再進行對比綜合分析，地質勘察工作顯然能收到節省工期、節約成本、提高精度的效果；同時能夠對施工場區的地質地形作出正確評價，為設計部門提供詳實可靠的地質條件保障。

[1] 福建省平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程可行性研究報告[R].2015(6).

[2] 李紅娜,邵陽.海底盾構隧道前方障礙物探測[J].建筑機械化,2012(S2):143-146.

[3] 劉宏岳.水域淺層地震反射波勘探數據處理及工程實例[Z].2008(3).

[4] 王海慶,徐明.抗干擾高分辨率淺層地震勘探[J].北京：地質出版社,1990.

Application of geophysical prospecting in water area to geotechnical investigation which in the Long Cheng part of Min Jiang river downstream

CHENChen

(Fuzhou cityconstruction Design and Reseach institute Co.Ltd.，Fuzhou 350001)

The crossing river pipes for the Water Transfer Project in the Long Cheng part of Min Jiang river downstream,are planned to be constructed with rock pipe jacking technique.In this project,the geological exploration is done by geophysical prospecting in water area together with geological drilling technique,to give an accurate and comprehensive assessment of the topographical and geological condition in construction area,and also to provide full and accurate guarantee of the geological condition,on which the ultimate pipe line route picked by design department will base.

The crossing river pipes;Geological drilling technique; Geophysical prospecting in water area; Rock pipe jacking technique

陳塵(1984.3- ),男，工程師。

E-mail:25523969@qq.com

2017-01-05

TU195

A

1004-6135(2017)04-0109-04