物探在水利水电工程中的应用及成果综述

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1、工程概况
    黄河沙坡头水利枢纽工程为国家2000年西部大开发十大项目之一，位于宁夏回族自治区中卫县境内，其上游12.1km为拟建的大柳树水利枢纽，下游122km为已建成的青铜峡水利枢纽。工程区距自治区首府银川市200km，距中卫县城20km。地处黄河上游干流上，南依香山山脉北麓，北邻腾格里沙漠南缘，是一座以灌溉、发电为主的综合利用水利枢纽工程。
    该枢纽由主坝和副坝两部分组成，其中主坝为混凝土闸坝，最大坝高37.8m，坝长338.45m，坝顶高程1242.6m；副坝位于黄河左岸阶地上，为土石坝，最大坝高15.1m，坝长529.2m。水库正常蓄水位1240.5m，总库容0.26亿m3，总装机容量12.03万kW，多年年平均发电量6.06亿kW·h，设计灌溉面积87.7万亩。
    2、物探任务与要求
    黄河沙坡头水利枢纽工程的物探工作始于1996年，至2003年底全部结束。期间历经了可行性研究阶段、初步设计阶段和技施设计阶段。各阶段工作时间及任务要求如下：
    ⑴可行性研究阶段物探工作于1996年进行，主要任务是通过岩体波速测试和声波测井，划分岩性并了解岩体动弹性参数。
    ⑵初步设计阶段物探工作于2000年进行，物探任务与要求为：
    ① 通过声波测井取得主坝坝基、交通桥基础岩体结构、软硬岩体分布规律，了解孔内软弱夹层、构造破碎带分布情况，以便验证和补充钻探资料。
    ② 测定岩体的纵、横波速度，并求得泊松比、动弹性模量等参数。为坝基岩体质量评价提供依据。
    ③ 通过综合物探方法查明副坝坝基地层结构及古河道分布情况。
    ④ 查明导流明渠、交通桥地层结构及古渠道分布情况。
    ⑤ 通过对灌浆前、后岩体波速测试，评价灌浆试验效果。
    ⑶ 技施设计阶段物探工作于2002～2003年进行，物探任务与要求为：
    ① 通过对坝基岩体进行地震波测试，了解基础岩体的弹性波参数，为工程基础岩体评价、验收提供依据。
    ② 对固结灌浆的基础岩体进行声波检测，通过灌浆前、后岩体波速的变化情况，评价固结灌浆效果。
    ③ 通过对坝基混凝土垫层进行回弹检测，了解并查明混凝土垫层与基岩面的胶结状况。
    3、地形及地质简况
    3.1 地形地貌
    坝址区内地势南西高而北东低，相对高差500～1000m。黄河自西向东流经坝址区，河谷呈不对称“U”形谷。坝址左岸地势相对平坦，为黄河Ⅰ级阶地，岸边有美利渠与黄河平行展布；右岸为香山山脉北麓，岸边有羚羊角渠与黄河平行展布，羚羊角渠南侧地形较陡，且冲沟发育。
    3.2 地质简况
    坝址区附近有石炭系、第三系、第四系地层发育。
    主坝坝基为石炭系下统前黑山组(C1q)、臭牛沟组(C1c)、中统靖远组(C2j)和第三系上新统临夏组(N2l) 地层。坝区位于窑上复式倒转向斜的正常翼，岩层遭受构造破坏剧烈，层间挤压带、小型褶皱、揉皱，小断层以及节理、劈理发育，泥岩呈大小不等的菱形块体，炭质页岩则呈鳞片状，并具有失水干裂解体，再遇水泥化的特点，使坝基岩体成为典型的极软岩。岩层沿走向和倾向均呈舒缓波状，总体产状：走向NE45°～EW，倾向SE或S，倾角33°～70°。
    副坝、导流明渠、交通桥及水源地部位分布着厚层第四系松散堆积物，表层为风积砂，深部则为厚层砂砾石层；基岩为第三系上新统临夏组(N2l)的棕红色、紫红色砂质粘土岩，局部夹有砾岩。
    4、物探方法与技术
    根据不同勘查阶段的任务要求，物探主要开展了声波法、地震波法、地质雷达法、电阻率法工作。具体方法有：单孔声波测井、声波对穿、地震波相遇法、地震波CT、瑞利面波法、高密度电阻率法、地质雷达等。
    ⑴ 声波法：包括单孔声波和声波对穿。它是弹性波测试方法之一，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播特性上，采用频率主要为1k～30kHz和50k～1000kHz两个频段。该方法以人工激振的方法向介质发射声波，在一定距离上接收受介质物理特性调制后的声波，通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等参数解决工程问题。本工程使用仪器为SD—1型声波检测仪，单孔声波由下而上逐点测试，点距为0.2m。声波对穿由下而上水平同步逐点测试，点距为0.1m。
    ⑵ 地震波法：包括地震波相遇法、地震波CT和面波法。其理论基础与声波法相同，采用频率范围为1～n×100Hz。该方法利用人工激发的地震波在弹性性质不同的地层内传播规律，研究与岩土工程有关的地质、构造和岩土体的物理力学特性，可对工程场地和人工建筑物的适应性进行评价。本工程使用仪器为R24型工程地震仪，地震波相遇法采用4～12道接收，检波点间距1.0m。地震波CT采用二边对比观测系统，激发点间距1.0m，接收点间距2.0m。面波法采用双边激发，12道接收，检波点间距2.0m。
    ⑶ 高密度电法：以岩土体的电性特征为基础，通过仪器观测和分析研究即可取得地下地质结构的变化规律，以此解决岩土工程问题。本工程使用仪器为WDJD－1型多功能电测仪，选用温纳尔装置，基本点距为2～3m，电极隔离系数为9～16。
    ⑷ 地质雷达法：通过地面的发射天线(T)向地下发射高频电磁波(主频为数十数百乃至数千兆赫)，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天线(R)接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。本工程使用仪器为RAMAC/GPR雷达系统，实测采用剖面法，且收发天线的连线方向与测线方向平行，分别选用主频50MHz和250MHz两种天线进行测试，记录点距0.2～0.5m。
    5、物探成果概述
    在可行性研究阶段、初步设计阶段、技施设计阶段共提交物探测试成果报告7份，取得了一定的技术效果。
    5.1 可行性研究阶段
    通过对坝址区附近的钻孔声波测试和右岸PD01平硐硐壁岩体的地震波测试初步掌握了坝基岩体的弹性特征及不同岩性岩体的波速分布的基本规律。主要成果为：
    ⑴ 钻孔内基岩岩体波速主要受岩性控制：第三系上新统临夏组砂质粘土岩的波速均值为2100m/s,而砾岩、砂砾岩的波速均值为2900m/s；石炭系下统泥岩、炭质页岩的波速均值为2560m/s,泥质灰岩、砂岩的波速均值为3500m/s，灰岩的波速均值为4000m/s。
    ⑵ PD01平硐岩性主要是石炭系泥岩、页岩等，岩体裂隙发育，实测岩体弹性参数为：纵波速度1500～2500m/s，横波速度520～1200m/s，动弹性模量1.69～8.10GPa，表明该平硐岩体强度较低。
    ⑶ 断层破碎带与泥岩、炭质页岩等低波速岩体间无明显的波速差异，而与灰岩、砂岩等高波速岩体间的波速差异明显。
    ⑷ 该坝址所测岩体波速与岩体风化分带的关系不甚明显。
    5.2 初步设计阶段
    5.2.1地层结构
    利用地质雷达、高密度电阻率法、瑞利面波法等综合物探方法，并结合钻孔资料，基本查明了导流明渠、副坝、交通桥、水源地的地层结构以及古渠道、古河道的分布规律。主要成果如下：
    ⑴ 导流明渠、副坝、交通桥、水源地的地层可分为三层结构。表层主要由风积砂等第四系松散堆积物组成，局部出现薄层耕植土，层厚1～12m，电阻率一般为500～1200Ω·m，面波速度一般为150～200m/s；中部岩性为砂卵砾石，层厚8～26m，电阻率一般为200～500Ω·m，面波速度一般为200～350m/s；下部为基岩，岩性为第三系砂质粘土岩，该层作为坝基岩体，层厚大于500m，电阻率一般为80～200Ω·m，面波速度一般为450～650m/s。
    ⑵ 古渠道主要分布在美利渠北侧，在平面上共有三条展布，主要规律为：位于导流明渠进水口附近为一条；交通桥上游20m至主坝下游100m之间分为三条；主坝下游100m处至导流明渠出水口附近，最北侧的两条古渠道合并为一条，而邻近美利渠的那条古渠道与美利渠平行向下游继续延伸。由于这些古渠道都由粉细砂充填，所以物探异常解释的渠底深度一般为5～10m（古渠道附近正常沉积地层的表层风积砂厚度较薄，一般小于3m）。
    ⑶ 古河道主要分布在左岸副坝区，其最大深度不小于30m。上覆地层为砂卵砾石，层厚10～30m，且由导流明渠往北逐渐变厚，下伏基岩为第三系砂质粘土岩。
    5.2.2声波测井
    通过对钻孔岩体的声波测试，较全面地查明了坝址区内不同岩体的声波变化规律：
    ⑴ 第三系(N2l)地层中，砂质粘土岩的岩体纵波平均速度为2120m/s,动弹性模量平均值6.37GPa；砾岩的岩体纵波平均速度为2400m/s，动弹性模量平均值为9.66GPa。
    ⑵ 石炭系(C)地层中，泥岩、页岩、炭质页岩、灰质泥岩、泥质粉砂岩、长石石英砂岩等岩体的纵波平均速度为2130～2410m/s,动弹性模量平均值为6.78～12.96GPa；泥质灰岩、灰岩、砂岩等岩体的纵波平均速度为3020～3690m/s,动弹性模量平均值为16.70～28.93GPa。
    ⑶ 断层破碎带的纵波平均速度为2150m/s，动弹性模量平均值为6.91GPa。
    5.2.3岩体地震波测试
    通过分析右岸PD02平硐硐壁岩体和左岸02#静载荷试验场地的地震波测试成果，得出下列基本结论：
    ⑴ 岩体弹性波参数均相对较低，纵波速度一般为1000～2500m/s，岩体动弹性模量一般为1.1～9.6GPa。
    ⑵ 岩体泊松比（μ）与岩体纵波速度（Vp）具有较好的相关性，相关关系为：
    μ=0.4629-0.00006Vp ； 相关系数R=0.97 ………………………（1）
    ⑶ 岩体纵波速度各向异性差异不显著，各向异性系数一般小于1.2。
    ⑷ 受开挖扰动卸荷的影响，在垂直方向上岩体具有两层速度结构，表层地震纵波速度仅为400m/s，埋深约为0.6～0.7m。
    5.2.4右岸灌浆试验检测
    综合分析灌浆前后岩体的声波和地震波测试结果可知：
    ⑴ 坝基岩体具有一定的可灌性，灌浆后岩体强度得到一定的改善。
    ⑵ 地震波CT测试效果优于单孔声波测井的测试效果，既跨孔透射法优于单孔声波测井。
    ⑶ 地震波CT测试，更能客观地评价灌浆试验的灌浆效果。灌浆前后整体波速提高率一般为5～12%。
    5.3 技施设计阶段
    5.3.1坝基岩体地震波测试
    为提供枢纽工程坝基建基面岩体弹性波参数的建议值，我单位于坝基开挖工作前期，在拟开挖的坝基岩体上，模拟现场施工条件，进行了坝基岩体地震波测试的试验工作。总结出了不同开挖方式对坝基岩体扰动的影响程度、原状岩体经开挖暴露后纵波速度随时间的变化规律、物探工作的测试方法、测试时机及坝基岩体的开挖方式，并提交了建基面岩体波速验收标准的建议值。
    在坝基开挖施工期间，采用试验时确定的测试方法——地震波相遇时距曲线观测系统，以基岩面岩体基本未扰动为原则，在人工撬挖的保护层上进行了大量的地震波测试工作。测线总长度累计15967m。取得了丰富的坝基岩体的弹性波参数，为坝基岩体的评价、验收提供了定量指标。坝基岩体地震纵波速度的变化规律基本上反映了坝基岩体分布的规律。
    5.3.2安装间、北干电站、河床电站、隔墩坝基础岩体固结灌浆声波检测
    根据初设阶段灌浆试验的检测成果，并结合灌浆区内岩体亲水性强的特点，确定了坝基岩体固结灌浆物探检测采用钻孔声波透射法进行。
    通过分析安装间～隔墩坝的17对钻孔灌浆前后声波透射的测试结果表明，杂色泥岩、灰质泥岩灌浆后的波速总体平均提高率为6.3%，此结果与初设阶段的测试结果基本一致；砂岩条带灌浆后波速总体平均提高率为10.1%，说明砂岩条带的灌浆效果相对较显著。
    5.2.3坝基岩体混凝土垫层回弹检测
    坝基岩体混凝土垫层回弹检测的目的是了解并查明混凝土垫层与基岩面的胶结状况。回弹仪主要用于检测混凝土强度，该工程中使用回弹仪（型号为HT—3000）检测混凝土垫层与基岩面的胶结状况是其应用范围的拓展。检测的基本原理如下：
    当混凝土垫层与基岩胶结紧密或胶结良好时，混凝土与坝基岩体形成一个整体，此时在混凝土表面测试的回弹值应为混凝土强度的真实反映；当混凝土垫层与基岩之间胶结不良或胶结面出现架空时，由于混凝土的约束力降低而使回弹时产生颤动，造成回弹能量损失，从而导致在混凝土表面测试的回弹值低于正常混凝土强度的真实回弹值。由此，可根据实测混凝土表面回弹值的变化规律，来定性地判断混凝土垫层与基岩的胶结状况。
    参照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23—2001)及回弹仪的率定结果并结合工程实际情况，C20混凝土(龄期大于28天)的实测回弹平均值应不小于25.0。而实测回弹平均值小于25.0的测区是由于混凝土垫层与基岩间胶结不良或脱空所至。检测结果表明：
    基础岩体为杂色泥岩、灰质泥岩的坝段，实测回弹平均值小于25.0的测区约占测区总数的28.0%。说明混凝土垫层与基岩间脱空现象较明显；而在南干电站，基础岩体主要为砂岩。实测回弹平均值小于25.0的测区仅占该部位测区总数的3.8%，说明混凝土垫层与砂岩的胶结状况相对较好。
    6、总结
    可行性研究阶段、初步设计阶段的物探成果在技施设计阶段均得到验证，如5.2.1中的地层结构空间变化规律已在基础开挖后得到证实，其开挖结果与物探解释成果基本一致，取得了较好的应用效果，发挥了物探的应有作用。
    纵观可行性研究阶段、初步设计阶段和技施设计阶段的物探成果及其工作量，黄河沙坡头水利枢纽坝址区的主要工程地质问题是建基岩体的质量问题，所以在工程建设的每个阶段都进行了大量的基础岩体弹性波测试，使得测试成果得到进一步加强。下面仅就坝基岩体的质量特征进行总结。
    6.1 坝基岩体弹性特征
    ⑴ 坝基岩体弹性波普遍偏低，主要是因为岩体主要由泥、页岩等泥质岩类组成，且岩体中破裂结构面发育，岩体破碎所致。
    ⑵ 实测坝基岩体地震纵波速度一般为1000～2500m/s，岩体动弹性模量一般为1.10～9.60GPa。岩体泊松比与岩体纵波速度具有较好的相关性，相关关系见（1）式。
    ⑶ 受岩石结构、微裂隙、劈理、层理发育影响，致使岩体波速值各向差异不显著。坝基岩体弹性波测试结果表明：杂色泥岩、薄层灰质泥岩、厚层灰质泥岩、炭质页岩、砂岩的平行地层走向和垂直地层走向的地震纵波速度比值分别为1.04、1.08、1.06、1.07、1.03。
    ⑷ 坝基岩体同一岩性的声波速度比地震波速度一般高约20%～40%。地震波主频约为n×100Hz，属低频范围，而声波主频约为10k～20kHz，属高频范围，虽然两者均属于弹性波的范畴，但由于两者的震源扰动机制、波源频率、测段长度的不同以及测试岩体具有的低通滤波作用的影响，使得同一岩性的声波速度高于地震波速度。
    6.2 坝基岩体卸荷特征
    ⑴ 爆破开挖、机械开挖对坝基岩体扰动明显。经爆破开挖和机械开挖后，表层的纵波速度一般为400～700m/s，影响深度为0.2～0.6m。
    ⑵ 原状岩体经开挖暴露后，纵波速度有随时间延长而降低的趋势，在11小时内纵波速度值下降5%左右。
    ⑶ 坝基边坡岩体较建基面岩体卸荷影响相对较大，一般边坡岩体地震纵波速度略低于建基面岩体地震纵波速度。如杂色泥岩、薄层灰质泥岩、厚层灰质泥岩边坡的实测地震纵波速度平均值分别为1430m/s、1380m/s、1840m/s，而其建基面的实测地震纵波速度平均值分别为1510m/s、1460m/s、1910m/s。
    ⑷ 开挖方式和暴露时间直接影响岩体卸荷程度和弹性波速，因此采取有效的开挖方式，减少对基础的扰动，并及时保护对工程来讲非常重要。
    7、体会
    物探工作是各个设计阶段工程勘察的重要组成部分。随着我国水利水电事业的快速发展，类似工程今后可能还会遇到。通过黄河沙坡头水利枢纽的工程实践，颇有体会：
    ⑴ 要充分理解《规范》和《任务书》对每一勘探阶段所要求的精度和深度，扎实做好每一勘探阶段的基础工作。笔者认为，黄河沙坡头水利枢纽物探工作的布置、资料解释比较合理，起到了前期成果指导后期工作，后期成果补充、验证前期工作的效果。
    ⑵ 努力提高自身的技术水平，加大物探新方法、新技术的投入。如在重要坝段或地质条件复杂坝段，进行地震波CT测试，这样既可加强技术效果，又可提高经济效益。
    ⑶ 加大试验工作力度，不要想当然，盲目地确定工作方法以及技术参数。该水利枢纽工程，在初设阶段和技施阶段均进行了大量的试验工作，效果较好。