综合物探在水电站勘查中的应用

刘成怀 刘康和

(1.江苏省水文地质工程地质勘察院，江苏淮安 223001； 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

某水电站拟建混凝土面板堆石坝，最大坝高180m，正常蓄水位892m，总库容4.776×108m3。坝址所处区段河道曲折，谷底狭窄，岸坡高陡，河谷呈“V”字形。谷底宽度约15～30m，890m高程处宽度约180～360m；两岸坡度大于40°～60°，部分为陡壁，岸高一般为200～280m，最高可达300m。坝区断续分布有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级侵蚀基座型阶地，沉积有冲洪积砂卵砾石，其上多被厚度不大的风积黄土覆盖。

受构造作用影响，地层走向多变，倾向各异。两岸岩体卸荷作用强烈，尤以近坝地段为甚，山体上部可见有大量卸荷松动岩体，加上构造作用影响，不利结构面相互组合，边坡稳定性不佳。

测试区内的基岩岩性以中厚层灰岩为主，节理、裂隙密集带、构造破碎带及边坡卸荷带发育，造成地震波速度及声波速度的差异。

针对上述探测任务，根据前期物探成果和工程经验并结合现场地质、场地条件。经试验选用探硐地震波法、声波测井、钻孔电视录像、高密度电法等方法探测。

1 工作方法

⑴ 探硐地震波测试：现场施测为小相遇时距曲线观测系统，单一排列长度12～24m，检波点距1～2m，偏移距1m。检波器与硐壁岩体以石膏耦合。锤击震源。

⑵ 中心孔声波测井：采用一发双收干孔换能器，点距0.2m，由孔底向孔口逐点测试。

⑶ 钻孔电视录像：采用连续观测方式，自上而下匀速（不大于2m/min）下放探头，并连续录像，同时计算机存盘，以供后期回放进行地质解译。

⑷ 高密度电法：采用温纳尔装置，单一排列为60根分布式电极，基本电极距3m，排列长度177m，电极隔离系数16。

2 成果分析

2.1 探硐地震波测试

探硐岩体地震波随硐深的变化具有以下规律：所测探硐硐口处岩体受物理风化卸荷作用，裂隙大部分张开，其地震纵波速度较低，一般为1000～2000m/s左右,岩体完整性系数0.03～0.11，动弹性模量为1.34～6.40GPa。随硐深的增加，动弹性参数有逐渐变大的趋势，一般以硐深30m为界线，小于30m时，地震纵波速度小于3000m/s,岩体完整性系数小于0.25，动弹性模量小于16.22GPa；硐深大于30m时，地震纵波速度一般为3000～5900m/s, 岩体完整性系数一般为0.25～0.97，动弹性模量一般为16.22～81.34GPa。

2.2 中心孔声波测井

综合分析探硐内中心孔的声波测试成果，原岩声波速度一般均大于4500m/s，松动岩体声波速度一般小于4500m/s。以此为划分标准便可判定该坝址探硐围岩开挖爆破所产生的松动厚度。

图1 右岸PD12探硐zk1、zk2、zk3、zk4中心孔声波测试成果图

其中右岸PD2探硐ZK4、ZK5、ZK6三个中心孔处岩体松动厚度分别为0.8m、0.95m、0.9m；右岸PD12探硐ZK1、ZK2、ZK3、ZK4三个中心孔处岩体松动厚度分别为0.8m、1.0m、0.7m、0.5m；左岸PD13探硐ZK1、ZK2、ZK3、ZK4三个中心孔处岩体松动厚度分别为1.0m、0.8m、0.8m、0.9m。说明该坝址探硐岩体松动厚度范围为0.5～1.0m。典型测试图见图1。

2.3 钻孔电视录像

对现场实录的钻孔电视录像资料进行编辑回放后，重点对孔壁岩体破碎、裂隙发育段和岩性变化等重要特征进行描述。典型的孔壁岩体录像展示图见图2。

图2 钻孔孔壁录像成果图

图3 测线2高密度电法断面图

2.4 高密度电法

对野外实测的高密度电阻率数据，应用高密度电法处理软件进行编辑、圆滑、调整等处理后，再利用最小二乘法进行反演处理，最终获得高密度电阻率断面图(典型断面图见图3)。结合前期勘探成果，本测区高密度电法探测深度可按公式(1)进行估算。

式中：h ——深度(m)；

AB ——供电极距(m)。 由图3可知：本次测试反演所获的电阻率断面图均客观地反映了测试剖面地表面以下垂直和水平方向的岩层结构的变化特征，但地形条件（山顶）和表层不均匀介质（同一测线表层出现岩石或砂石土）对测试成果具有一定的影响，可能使解译判断出现一定的偏差，经综合分析认为该测线电阻率断面图变化特征如下。

（1）表层（浅部）存在低阻凹槽和团块特征，电阻率值一般为2.8～100Ω·m。随电极隔离系数的增大，岩性电阻率值由低逐渐变高，呈现明显的渐变特征。

（2）基岩（灰岩）电阻率最高，一般为2000～7000Ω·m。

（3）裂缝充填物电阻率相对围岩较小，一般为100～600Ω·m。

（4）图中标明左侧裂缝位于该剖面桩号的40m处，近直立微倾小桩号，延伸深度约16m，分布高程978～994m。

（5）图中标明右侧裂缝位于该剖面桩号的80m处，直立，延伸深度大于30m，分布高程推测950～993m。

经钻探验证：该处裂缝深度31m。由此证明物探成果具有很高的探测精度。

3 基本结论

（1）平硐内岩体地震波纵波速度一般为1000～5900m/s。硐口段岩体波速较低，受风化卸荷影响较大，其岩体地震纵波速度较低，一般为1000～2000m/s左右,完整性系数0.03～0.11，动弹性模量为1.34～6.40GPa。随硐深的增加，动弹性参数有逐渐变大的趋势，一般以硐深30m为界线，小于30m时，岩体地震纵波速度小于3000m/s,完整性系数小于0.25，动弹性模量小于16.22GPa；硐深大于30m时，岩体地震纵波速度一般为3000～5900m/s,完整性系数一般为0.25～0.97，动弹性模量一般为16.22～81.34GPa。

（2）探硐中心孔测试结果表明：原岩声波速度一般均大于4500m/s，松动岩体声波速度一般小于4500m/s。以此为划分标准便可判定该坝址探硐围岩开挖爆破所产生的松动厚度。综合分析测试成果可得该坝址探硐岩体松动厚度范围为0.5～1.0m。

（3）探硐岩体地震波测试与声波测试岩体动弹性参数的基本原理是一致的，它们都遵循弹性波在岩体介质中的传播规律。但二者之间的区别在于所利用的弹性波的频率不同，声波的频率大大高于地震波，因此声波速度一般比地震纵波速度高5%～20%。本期工作岩体声波速度与平硐地震纵波速度的差异主要是上述原因，同时二者测试的位置、高程不一致，声波测试一般在孔内进行，孔上部具有一定厚度的盖层，因此测试部位一般可视为原岩状态；而平硐测试位置一般高于现代河床，且硐壁岩体受到爆破影响，开挖后原岩体应力发生改变，故地震纵波速度一般要低于声波速度。

（4）钻孔电视录像中观测的孔壁岩体结构和岩性的变化与声波测井中划分的低速带和声波速度的变化特点相对比，具有较好的吻合，能够较好的确定低速带或结构面发育的空间位置。

（5）应用高密度电法进行裂缝调查所取得的成果表明：该处表层（浅部）存在低阻凹槽和团块特征，电阻率值一般为2.8～100Ω·m。随电极隔离系数的增大，岩性电阻率值由低逐渐变高，呈现明显的渐变特征；基岩（灰岩）电阻率最高，一般为2000～7000Ω·m；裂缝充填物电阻率相对围岩较小，一般为100～600Ω·m。

其中1号测线出现1条裂缝，位于该剖面桩号的60m处，近直立倾向小桩号，延伸深度约13m，分布高程979～992m。

2号测线出现2条裂缝，左侧裂缝位于该剖面桩号的40m处，近直立微倾小桩号，延伸深度约16m，分布高程978～994m，右侧裂缝位于该剖面桩号的80m处，直立，延伸深度大于30m，分布高程推测950～993m。

3号测线出现2条裂缝，左侧裂缝位于该剖面桩号的44m处，近直立微倾大桩号，延伸深度大于22m，分布高程推测960～995m；右侧裂缝位于该剖面桩号的82m处，倾向大桩号，延伸深度大于31m，分布高程推测950～997m。

4号测线出现2条裂缝，左侧裂缝位于该剖面桩号的36m处，近直立微倾大桩号，延伸深度大于20m，分布高程推测970～1004m；右侧裂缝位于该剖面桩号的108m处，倾向大桩号，延伸深度大于25m，分布高程推测960～994m。

[1] 刘康和,练余勇著.深埋长隧洞地球物理勘察及施工超前预报.天津：天津科学技术出版社,2010年

[2] 水利水电工程物探规程SL326-2005.中华人民共和国水利行业标准