論某水庫安全鑒定中的綜合物探技術

陳秋

摘要：采用高密度電法、孔內波速測井技術，結合水庫大壩的安全性評價與勘察。重點闡述了高密度電法、孔徑內波速測井的工作原理、工作特點、工作布置原則以及對結果數據的解釋。通過實測鉆孔的綜合物探技術，對壩體充填材料及土巖分界面進行了分析，為工程設計提供了可靠的依據。綜合運用多種物理勘探手段，克服了單一地勘的局限，能更真實、準確地反映工程地質情況。該方法不僅為同類項目的施工積累了豐富的經驗，而且對其他項目也有一定的參考價值。

關鍵詞：水庫；安全評價；綜合物探技術；

0 引言

從20世紀80年代到現在，國內外的學者、專家們已經開展了大量的地質勘探工作，并在實際應用中取得了一些成果，其中以高密度電法、地質雷達、高精度磁法為主；高密度電法是目前水庫巖溶勘探中最常用的方法，其作用包括：（1）采用高密度電測技術，能初步確定擬建場地沿線巖溶發育狀況，并對其空間特性進行了較為精確的圈定；（2）采用高密度電測技術，能對巖溶區進行巖土工程調查，初步確定隱伏構造、構造破碎帶、巖溶地貌；（3）在工程設計和施工中，應注意坑道等不良地質現象的存在，為工程設計和施工提供物探基礎；（4）利用高密度電法，能確定橋基灰巖層中的溶洞，確定隧道中的破裂區，為今后的工程建設和鉆井提供了依據；然而，應用綜合物探技術進行大壩安全識別與加固的研究還不多見，本文將高密度電法與孔內波速測井技術結合起來，應用于大壩的安全識別與勘察。

1 工程概況

某水庫1959年開始建設，1960年建成，但庫區巖體構造節理發育，裂縫發展，風化作用較大，主要因為在建庫時沒有進行防滲，導致水庫竣工后蓄水困難，大壩壩頂和壩基滲漏情況十分嚴重，已無蓄水能力，1975年開始進行大壩的維修和加固，并于1997～1998年對大壩的左右兩個壩頭進行了帷幕注漿。

該水庫的上游控制區域面積達102.1km2，庫容2900萬m3，是一座中等規模的水庫。工程等級為Ⅲ類，主體建筑等級為三級。攔水結構包括兩個主壩和兩個副壩，它們的基本特性見表1及表2；水庫蓄水高度73.8m，是一個綜合蓄水、防洪、養魚和觀光的綜合水庫。為充分利用水庫庫區的綜合效益，開展水庫大壩的安全評估是當務之急。

2 研究區域的地質情況

研究區域地處西山拗褶區的中部，坐落于西山群落，地勢險要，東南則是一片開闊的平地。研究區的沉陷時間較長，自第三紀到第四紀晚期開始逐步上升。水庫區位于坨里背斜東翼，在白堊紀地層中發育，其軸向近北稍東傾斜；東翼產狀較為平坦，西翼存在斷裂層，產狀陡峭，發育不完全。整個背斜向北傾斜，南段由良鄉斷裂切割而成，為新生代地層所覆蓋。水庫壩址和庫區的巖性以中生界的白堊紀和第四系地層。第四系地層包括：（1）下統坨里組第三段（K1t3）；呈灰紫色、紫紅色中-厚層復成分礫巖、砂巖、粉砂巖為主，分布于該水庫的右岸和壩址區；（2）夏莊組一期（K2x1）為灰黃色、雜色巖屑砂巖、粉砂巖，局部有泥巖和復合砂巖，該水庫的左岸最常見；（3）夏莊組二期（K2x2）是一種灰黃色、雜色細砂巖、粉砂巖、泥巖互層的地層。

3 綜合物探方法的原理及工作布置

3.1 研究區的地質構造特點

本文著重于大壩主壩和副壩的安全評估，重點是對壩基與基巖邊界、壩體填充材料的質量進行分析。

由于壩體充填與下伏巖的物性特征有較大差別，特別是電阻率上的差別較大，因此應優先采用高密度電法。在現有的地質資料基礎上，通過實例模擬，找出了符合研究區物性特征的不同地層高密度電法的視電阻率，見下表3：

3.2 高密度電法的原理和特點

高密度電勘探階段，為解決填土與基巖邊界的劃分，必須沿主次壩底軸線方向，從北到南，共布設1549m。

3.2.1高密度電測量的基本原理

本次高密度電法勘探，采用了溫納型設備，見圖1；溫納器裝置的A、M、N、B呈等間距布置，其中A和B是供電電極，M和N是測量電極，AM=MN=NB是電極距，電極間距按照距離系數從小到大依次相等的增大，四個電極間的間距也是均勻地分開，采用截面測量方法，所得物探斷面范圍為倒梯形。

工程探測深度要求是越深越好，因此采用128道接收，3m的極距，最多42層。如果在施工現場不能進行最大排列長度布局，則應依據測區的實際情況，決定所布設的道數及極距。

3.2.2 高密度電法的性能

高密度電法具有投入低、實際效率高、獲取信息豐富等優點；結果翻譯簡單，而且可以明顯改善

勘察結果的綜合質量評價方法。其特征是：

（1）所有的電極布置都是一次布置，可以進行各種電極布設測量，在沒有電極布置造成干擾的情況下，可以獲取有關地電結構的地質信息資料；

（2）使數據的收集和歸檔實現自動化，并可以在現場對數據進行實時處理和離線處理，消除人為因素造成的錯誤，提高了電阻率方法的智能化；

（3）可以進行各類不同的參數的勘探，利用大量的電學參數，如電阻率、極化率、天然電勢等，從電學的角度對巖層結構進行精細的劃分。

3.3 孔內波速測井工作原理及應用范圍

3.3.1 孔內波速測井原理

通過人工激發地震源，利用激發點檢測器和井中波形信號接收點的探測器同時接收地震信號，從而計算出兩個傳感器接收到的信號時差，然后根據震源到傳感器之間的距離，可以得到振動波在地層中的傳播速度。

3.3.2 孔內波速測井技術的適用范圍

在工程地質調查中經常使用的是孔內波速測井，它的作用是解決下列地質問題。

（1）地質分層：根據采集到的波速的不同，根據所采集的波速的變化，求出各個地層的厚度和彈性波的傳播速率，將地層進行分層，確定基礎的持力層；

（2）獲得試驗土的工程特性：除了用Vs來描述土體的工程特性，還可以根據Vs和土體的一些物理和機械參數之間的關系，求出工程力學性能指標；

（3）巖體風化程度劃分：在巖體風化后，巖體的組織和組成發生了改變，裂隙發育，巖體破碎，使風化層的速度增加。根據基巖的波速變化，可以對基巖的風化層厚度和風化程度進行分類。

4 綜合物探成果資料推斷解譯

上層是用人工填筑的粘土和礫石；下伏基巖以白堊紀的砂巖、礫巖為主；在對高密度電法主、副壩資料進行解析的基礎上，結合鉆孔數據和孔內波速試驗結果，初步確定了填土與基巖的邊界和填充物的密實度。現列舉了兩個典型的主壩和副壩，進行解釋；高密度電法探測是根據基巖與土壤介質導電率的不同，通過人工構建的穩定電流場，來對地下介質的分布進行分析，解決相應的地質問題。

在主壩段0～285m的區間，其埋藏深度在2～10m，其電阻率約400～1500Ω·m，可認為是壩體回填的砂礫料；在0～285m的地層中，地層的厚度比試驗深度要高，是低阻巖層，其電阻率大約小于400歐姆，可認是為砂巖/礫巖；

從圖2及校驗鉆孔可以看出：（1）在表層以下厚度11.1m處，其剪切波速度為137～206m/s，屬于可塑-硬塑狀態；（2）在其底部厚度10.6m處，剪切波速度為321～346m/s，屬于中密的砂礫石。地層剪切波速度Vs=265m/s，是可塑-硬塑的沉積粉質粘土層；（3）地層1.1m處剪切波速約372m/s，屬于中密的風化殘余碎石；下為白堊紀的砂礫巖，砂礫巖，剪切波速為620m/s，是強風化巖石；（4）該鉆孔的相對位置在高密度電法剖面104m處位置，而高密度電法在該處的地層厚度為5.7m左右，與波速測試的結果相符。

在副壩斷面0～152m的區間，其深度在1～5m，其電阻率為40～70Ω.m，可判斷是壩體的回填土；在0～152m的地層中，地層的厚度比試驗深度深，是低阻巖層，其電阻率大約小于40Ω·m，可判斷是砂巖、礫巖；從圖3及校驗鉆孔可以看出：（1）在表層下厚度8.5m處，地層剪切波速度Vs=129～211m/s，屬于可塑-硬塑狀態，從該巖層的剪切波速度可判斷是第四系粉質粘土層，厚度為1.5 m；（2）下為白堊紀的砂巖、礫巖，含砂礫巖，剪切波速為467m/s，可判斷為強烈的風化巖石；（3）該鉆孔的相對位置在高密度電法剖面上80m處，而高密度電法在該處劃分出的巖體界面深度為3.9m（不計壩高5.18m），與波速試驗的解譯結果相吻合。

通過以上綜合物探技術的分析，可以看出，各個壩體的土料和壩體的砂礫質量都很好，壩體材料均勻，且砂礫均呈中密狀態；

5 結論

高密度電法是利用電阻率、極化率、天然電勢等主要測量參數的變化來獲取豐富的地電學參數，并利用電學參數對復雜的地下構造進行綜合劃分，這是一種投入低、實際效率高、獲取信息豐富的方法；結果解釋簡單，而且可以極大地改善勘探結果的整體質量，在這次勘探中，對覆蓋層和基巖的邊界進行了比較精確的劃分。孔內波速測井技術是通過波速的改變，來劃分地層厚度和彈性波的傳播速率。這種方法可以從地層“軟”到“硬”的角度來判斷地層的劃分。

參考文獻

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