综合物探方法进行风电场岩性分层

2014-09-29 01:28习建军王中荣
电力勘测设计 2014年1期
关键词:雷波面波探地

习建军,王中荣,李 静

(1.河北省电力勘测设计研究院,河北 石家庄 050031;2.吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130026)

近年来,随着国家“节能减排”政策的实施,风力发电作为一种清洁能源得到了大力的发展。风能电力工程在工程勘察与环境评价中,经常需要准确地查明第四系覆盖层厚度及基岩埋深(或土石界面)。然而,我国风力资源丰富的地区,风机位常设在钻机难以到达的山顶,采用常规勘察手段(钻孔、槽探、钎探及坑探等)工作量较大,往往需要依赖工程物探方法进行勘察。由于物探资料解释的多解性,单独采用某种工程物探方法进行勘探时常常存在偏差。所以,在一定量钻探工作量配合下,选择不同物探方法进行综合勘察,可以有效地提高解释准确性。作者在河北省张家口地区的两个风电场工程勘察中,采用探地雷达方法,结合瞬态瑞雷波法,解释结果表明,在风电岩土勘察中具有很好的应用效果。

1 基本原理

探地雷达是一种用于确定地下介质分布的广谱(10MHZ-2GHZ)电磁技术,作为一种先进的工程物探方法,它依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作,电磁波脉冲由发射天线T发出,被地下介质面(或埋藏物)反射,由接收天线R接收(见图1),然后将这些信号记录下来成图显示出来。电磁波在介质中传播时其路径、电磁强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此,根据接收波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料,可推断介质的结构,判断目标体的位置、深度和几何形态。

图1 探地雷达电磁波脉冲传播示意图

瑞雷波勘探方法是近些年来发展起来的一种浅层地震勘探新技术,该方法是利用瑞雷波的传播速度与岩土的物理力学性质密切相关性,以及瑞雷波独有的频散特性,测试与分析地下岩体的工程特性,是浅层或超浅层地球物理勘探、工程岩体及施工质量检测的重要手段之一。

图2 瑞雷面波的传播示意图

瑞雷波沿地面表层传播(见图2),穿透的厚度约为一个波长,因此,同一波长的瑞雷波的传播特性反映了地下介质在水平方向的变化情况,不同波长瑞雷波的传播特性反映了不同的地质情况。在地面沿波的传播方向,以一定的道间距∆x设置N个检波器,可以检测到瑞雷波在N∆x长度范围内的波场,设瑞雷波的频率为fi,相邻检波器记录到的瑞雷波的时间差为∆t或相位差∆φ,则相邻道∆x长度内瑞雷波的传播速度为:

在满足空间采样定理的条件下,测量范围N∆x内平均波速为:

在同一测点测量出一系列频率fi的VRi值,就可以得到一条VR-f曲线,即所说的频散曲线或转换为VR-λR曲线,λR为波长:

VR-f曲线或VR-λR曲线的变化规律与地下地质条件存在着内在的联系,通过对频散曲线进行反演,可得到地下某一深度范围内的介质分布情况和不同深度的瑞雷波传播速度VR值,另一方面,VR值的大小与介质的物理特性有关,据此可以对岩土的物性做出评价。

2 应用实例

2.1 河北沽源县某风机位基岩面勘察

沽源某风电场工程位于张家口市的沽源县,地貌属高山区,沟谷切割强烈,交通不便。风机位区域地层主要由碎石土及燕山期中-微风化花岗岩、侏罗系粗面安山岩及安山质凝灰岩构成。

由于该风电场区地处高山,沟谷横错,钻探机械设备难于到达风机塔位,在岩土工程勘探时采用钻探、探井对每个风机塔进行勘探难度很大,因此,在已有探坑资料的基础上进行了瑞雷面波和探地雷达探测,主要勘察风机位区域地层的碎石层厚度及基岩面变化情况。

本次瑞雷面波勘查采用美国乔美特利公司生产的StrataVisor Geode24浅层地震仪,选用20磅大锤敲击铁板(6次以上垂直叠加)作震源激发地震波,4.5Hz低频检波器进行数据采集。经现场试验对比,本次工作参数为:最大道间距2m,偏移距10 m,记录长度1024 ms,采样率0.5ms,使用Geogiga Surface Plus(6.0 version)面波处理程序进行数据解释,得到测线的瑞雷面波深度-速度剖面图(见图3)。深度—速度剖面图使用统一彩色分级,分级范围从245m/s~563m/s,分级界线用等值线标注,参照色标即可知道任一深度的速度值。结合相应的探坑数据(见图5),资料解释以瑞雷面波速度320m/s作为分界,如果面波速度小于320m/s,认为是块石或碎石土;速度超过320m/s,推测为基岩。

探地雷达采用的主要技术参数为:50MHz非屏蔽天线,天线间距4.2m。采样步长为0.1m,叠加次数、采样率根据实际情况做适当调整,采用点测方式进行探测。使用Reflexw软件进行数据处理,利用Surfer软件得到雷达成果图(见图4)。

7号风机位探坑资料显示(图5),10.2m以上为碎石及强风化基岩,10.2m以下为中等分化基岩;从瑞雷面波图(图3,钻孔位于测线中点)看出,埋深10m左右有一个波速分界面,对应基岩分界面,而且分界面起伏总体呈现出左深右浅的形态;而从雷达图(图4,钻孔位于测线中点)也能看出10m左右有一个反射面,对应基岩分界面,图像分界面同样以左深右浅的形态起伏。

通过对瑞雷面波、探地雷达剖面与探坑资料进行对比,可以看出瑞雷面波和探地雷达都能很好的反映出地层岩性的变化情况(见图3~5),此外,钻孔资料只能获得一个点的地质信息,横向分辨率较差,使用瑞雷面波或者探地雷达等工程物探方法进行勘探,可以了解连续性的基岩起伏分布状况,为钻孔勘探提供了很好的补充。

2.2 河北张北县某风电场基岩面勘探

张北某风电场49.5MW工程位于张家口市张北县,为张家口坝上山区地貌单元,地貌为高山区,沟谷切割强烈。风机位区域内地层主要由第四系残坡积粉土、块石、碎石及强风化-中等风化花岗岩、安山岩及安山质凝灰岩等构成。

岩土工程勘察的主要目的是查明上部覆盖层的厚度,了解风机位区域20m内岩性变化情况。由于工作量大,工期短,完全依赖钻探、探井在工期内完成施工难度很大,因此,利用工程物探手段速度快、效率高的特点在每个风机位首先开展物探勘察,粗略估计地下岩性变化情况,再上钻机进行钻孔验证,倘若基岩面出现位置与物探吻合,则可停止钻探,从而使原本计划打20m深的钻孔,也许只需要打几米深,工程物探对钻探的施工起到很好的指导作用,减少了钻探、探井的工作量。

在21号风机位,同时开展了瑞雷面波勘探和探地雷达勘探两种工程物探方法,并通过后期钻孔资料进行了验证。

面波和雷达的采集设备及参数设置同上例。探地雷达资料成果见图7;瑞雷面波深度-速度剖面图分级范围为176m/s~899m/s,结合相应的探地雷达数据(见图7),资料解释以瑞雷面波速度260m/s、320m/s、400m/s作为分界,分别对应地层的第四系残坡积粉土层、碎石层、强风化基岩、中等风化基岩。

从瑞雷面波剖面图(图6,风机塔位于测线中点)可以看出,21号风机位地面下1.6m、3.2m、5.7m有三个分界面;从雷达成果图(图7,风机塔位于测线中点)在同样深度也能看到这三个分界面。而21号风机钻探资料显示,0m~1.3m为粉土层,1.3m~3.1m为碎石层,3.1m~5.7m为强风化基岩,5.7m以下为中等风化基岩,这与瑞雷波和探地雷达的勘探效果几乎完全吻合。所以,钻孔资料有效地验证了两种工程物探方法,瑞雷面波和探地雷达的勘探效果很接近,偏差较小。

3 结论

通过综合物探在以上两个电力工程勘察中的应用得到了很好的勘探效果:

(1)采用探地雷达和瑞雷面波对山区风机塔、输电线路塔的基岩面勘探是两种快速便捷的工程物探方法。

(2)在同时满足探地雷达和瑞雷面波两种方法开展的物性前提条件下,结合两种物探手段进行综合物探调查,可以达到相互验证,互相补充的效果。

(3)钻孔资料只能勘探一个点的地层资料,横向分辨率较差,使用瑞雷面波或者探地雷达等工程物探方法进行勘探,可以了解某条线的基岩起伏状况。

(4)在工期紧张的情况下,可以利用工程物探手段速度快、效率高的特点先行进行勘探,粗略估计基岩面埋深,再上钻机进行钻孔验证,减少工作量,从而达到工程物探对钻探工作起指导的作用。

(5)探地雷达和瑞雷面波的综合使用必须满足两者的物性差异前提,二者都是不断发展的工程物探技术,要想灵活掌握二者的综合技巧,还需要积累大量的实际经验。

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