某水利水电大坝地震折射探测结果分析

， ，锁住

(华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021)

1 工程概况

某水力发电工程项目，位于苏丹国境内，拟建在尼罗河第五瀑布处，并将成为尼罗河下游白尼罗河和青尼罗河交汇处喀土穆水力发电建设的重要组成部分。

水力发电工程设计坝体长371 m、高39 m，由13个低电平的水闸分隔间组成，水闸分割间共装有26个弧形闸门用于泄洪，4个分割间配有固定的坝槛线排水口， 4个弧形闸门。及一个70 m长的消能池。

为了取得在尼罗河左右岸采石场及尼罗河的新旧坝轴线入口和出口之间具体结构的地下信息，采用了高分辨率的折射和反射技术以及俯冲波断层摄影技术进行了地球物理勘探。

通过探测试验，利用地震剖面图来确定岩层的分界线，包括确定堆填物、风化层、完整岩石之间的界线以及随深度变化的岩层变化情况。从而针对性地为地基设计提供有价值的资料并对采石场的选择和评估提供参考。

2 地震折射探测设备及试验基本要求

探测中采用符合规格的频率为10 Hz的地震波检波器作P波接收器。每个检测区域内应安装60个地震波检波器(每条路线一个检波器)。地震波检波器安装于地表特定位置处。

地震仪由检波器组、放大器和记录器三部分组成。其中各检波器组共含有60个检波器，放大器为24 比特 AD转换器，记录器按一定时间间隔(0.05～2微妙)进行离散采样，记录器配有滤波器和50 Hz(或与之类似的其它型号)鉴别设备。

实验前预先清扫和调查探测区域，以便于探测线上检波器和发射器的安装。发射点位置的精准度应控制在水平+/-0.10 m和垂直+/-0.10 m 以内。其中主要检测线上应设置24个检波器，检波器之间的距离为2 m。试验后检波器之间的距离可增大或减小。各检波器组由电缆同记录器相连接。

发射器的间距应控制在2～4 m。能量源可利用炸药包在炮井中爆炸来激发地震波，也可采用其他工具重锤来激发剪切波。若不采用炸药作为能量来源，则所选择的方法必须能提供不至于影响实验结果的足够的能源。

3 地震折射探测结果

3.1 坝址右岸(发电站和泄洪道)探测分析

通过探测，在东北偏东---西南偏西走向的纵地震折射剖面RS2和RS11(旧坝轴)以及附加的地震剖面RS12(新坝轴)显示出了右岸新旧发电站和泄洪道所在区域的地下情况。

特别是旧坝轴的剖面图，可以非常清楚地看出：40°～60°向西下沉的地理岩层和向东北偏北方向突出的地理岩层度显示出平行地层在一定程度上定向深处发展，到达了热液地变异基岩的漏失层。测试深度从35 m一直延续到60 m，这段地层根据钻探证实遍布着由于水热作用的气体和流体移动后形成的完全变异的片麻岩。

图1 地震剖面RS-2由俯冲波断层摄影技术衍生而来的流速场

由图1可看出，地震剖面RS-2(平行于旧坝轴，但位于其北边)显示向西下沉的软质岩石区(用红色标了出来)下降到了290年平均海平面。

图2 地震剖面RS-11由俯冲波断层摄影技术衍生而来的流速场

由图2可看出，地震剖面RS-11(旧坝轴)显示向西下沉的软质岩石区(红色)下降到了310年平均海平面。

图3 地震剖面RS-12由俯冲波断层摄影技术衍生而来的流速场

由图3可看出，地震剖面RS-12(新坝轴)显示向西下沉的软质岩石区(红色)下降到了310年平均海平面，但程度不深。向东下沉区域位于或靠近尼罗河。

图1 和图2 揭示了由完全风化和经过水热条件的变异岩层的漏失层，这些漏失层从土壤和基岩的接触面一直延伸到270 a平均海平面，也就是地下60 m。

由于位于坝轴的剖面地质情况不理想，而且钻孔结果也证明了这点，大坝地址向南移了约200 m。

通过探测分析，新坝轴的地下地质情况较好，因为完全软质岩石区表现出更小的下沉趋向。在这些软质岩层下面就是硬质岩层了(紫色到黑色区域)(见图3)。

3.2 尼罗河区域探测分析

作为新主坝轴上折射震测线的一部分，对近河地区的地质情况进行了调查。从图4中可以辨别出左岸靠近尼罗河的区域是由地垒组成的(布氏硬度288和布氏硬度290)。

图4 地震剖面RS-13由俯冲波断层摄影技术衍生而来的流速场

由图4可看出，地震剖面RS-13显示出一块被抬高的健岩区，硬度在布氏硬度289到布氏硬度291之间。

3.3 坝址左岸探测分析

左岸用位于旧坝轴中心线的地震折射剖面线RS10进行了分析。由于其非常靠近新坝轴，它为大坝基础填石提供了所有必需的信息。

图5 地震剖面 RS-10由俯冲波断层摄影技术衍生而来的流速场

通过图5可以看出，位于旧坝轴的地震剖面RS-10揭示了在一层薄薄的土壤和风化的片麻岩下面是硬质岩石。岩床是由一层薄薄的土壤和风化的片麻岩组成的覆盖和在其下面的硬度由硬到非常硬的岩层组成。一些由断层和/或热液地变异岩石的浅的区域不会对大坝基础填石造成任何的特殊问题。

3.4 采石区 R-1探测分析

在坝址沿河逆流向上500 m的右岸 - 采石区 R-1里，我们对总共3个地震剖面，RS20 到RS22, 进行了分析，见图6。

图6 位于采石区R-1的地震剖面的草图

基于速度谱，所有三个剖面都显示出了显著的高速纵波，这就意味着在一层薄薄的风化岩石和零星的薄土壤覆盖之下是理想的岩石条件。这两种覆盖的最大厚度可能达7～9 m。

3.5 采石区R-4探测分析

在坝址沿河逆流向上500 m的左岸 - 采石区 R-4里，我们对总共3个地震剖面线进行了分析。这些线有900 m长，西南-东北走向的剖面RS-30垂直于剖面RS-31和RS-32(见图7)。

图7 位于采石区R-4的地震剖面的草图

通过地震探测结果分析，在勘探区一条约200 m宽的山脊(在与RS-32交叉的地方)看上去有一层不到5m的薄薄的土壤和剥蚀的岩石组成的覆盖层(纵波速度<2 500 m/s)。沿着剖面RS-32，一个独特的不到5 m的薄薄的土壤覆盖朝西北偏北方向延伸了200多米。

这个经过鉴定的区域在风化层下面覆盖着大量坚硬的岩石。在这个采石场的一些区域，断层会导致很多的勾缝，应引起足够的重视。

3.6 采料区 SC-2探测分析

在坝址下游左岸的采料区SC-2，对地震折射剖面RS-40-1，RS-40-2和RS-41进行了调查。主要是西北偏北-东南偏南走向的剖面揭示了一片达10 m厚的土壤，土壤下面是10m厚的慢纵波速度区域(风化层)。而在此之下是纵波速度>2 500 m/s的区域，即硬岩层区。

4 结语

通过对地震底土剖面的全面评估，得到了被调查区域岩石表层的三维图。这里岩石的形态特征是基于对应2 500 m/s纵波速度的大量基岩，这些基岩是坚硬完整的，这为后期工程设计提供重要的依据。图8展示的是从西南方向看下去一块有着波状的地势起伏和一些凹陷或高地的无覆盖的岩层表面。

图8 纵波速度>2 500 m/s的岩层表面的三维图参考文献

[1]A.J.Whiteman, The Geology of the Sudan Republic, Clarendon Press.Oxford.1971.

[2]Long Term Power System Planning Study, ACRES International Ltd，March.1993.

[3]Geological Research Authority of the Sudan(GRAS), Geophysical Investigation of Es-Sheriek Area,Mahmoud A.Mahmoud,GRAS Internal Press,Khartoum,October 1998.

[4]Lahmeyer International,Shereik Hydropower Project-Review Report,Client:Dams Implementation Unit(DIU),DIU Internal Press, Khartoum, February 2007.

[5]North China Engineering Investigation Institute(NCEII),Sheriek Hydropower Project Geotechnical Investigation Report,2008.