地球物理探测技术在水利工程中的应用

蔡 华

（浩乔建设集团有限公司,江西 南昌 330077）

0 引言

水库工程对于大坝基础的防渗性能要求非常高,低渗透性的大坝基础是保证水库储水蓄水和安全运行的首要条件。在修筑大坝前,查明地基基岩的埋深情况、起伏变化、完整性情况以及不良地质是大坝岩土工程勘察的重要工作内容[1]。地球物理方法作为一种可实现大范围、快速测试的勘测方法,不受地形的限制,对于水利工程勘察而言就有明显优势[2-3]。本文尝试采用高密度电法和孔内超声波测井的方法对车拗口水库坝址地基的基岩分布情况、不良地质情况进行探测,并判别岩石的完整性。

1 工况概况

某水库大坝为堆石混凝土重力坝,坝顶总长220.0 m,坝顶宽6.0 m,最大坝高51.0 m,最大坝底宽42.4 m。大坝坝顶中段设泄洪表孔,为开敞式泄洪方式,堰顶高程685.00 m,共2 孔,溢流总净宽12 m,孔顶设6.0 m 宽交通桥连接大坝两端。溢流堰上游堰面曲线采用3∶2 斜坡线和双圆弧曲线；下游面为WES 曲线（曲线方程为y=0.265x1.81）、1∶0.8 直线段组成。溢流坝面以半径12.0 m 的圆弧段接消力池,消力池全长18.0 m、宽13 m,边墙高5.0 m。大坝基础范围内上覆地层为第四系河流相沉积层和冲积层,以粉质黏土为主,下部基岩为泥质粉砂岩和灰岩,基岩内发育多条构造挤压破碎带。

2 地球物理方法的基本原理

2.1 高密度视电阻率方法的基本原理

高密度视电阻率方法的基本原理是利用了地下介质之间的电学物性差异,比如导电率、电阻率参数,这些参数与地下介质的岩土类别、密实程度、含水量等各种因素有关[4]。当地下各介质之间存在物性差异时,在测试获得的高密度视电阻率剖面上会表现为相对高阻或者相对低阻,因此可以达到划分地层岩性界面、确定异常地质体范围和判别断层走向等目的。一般而言,在天然地下介质中,稳定电流场的分布可以用梯度方程表达,见式（1）。

式中：j为地下空间中任一点的电流；Δ为梯度算子；x、y、z为空间坐标。

根据欧姆定律,公式（1）可以简化为：

式中：U为电压；ρ为地下介质的电阻率。

公式（2）变换为空间直角坐标偏微分方程见式（3）[5-6]。

变换为圆柱坐标系（r,θ,z）,见式（4）所示[7]。

变换为球坐标系（r,θ,φ）,见式（5）所示[8]。

高密度电法是一种阵列式电阻率测量方法,在野外工作时,按照设定的排列将电极一次性铺设完成,本研究采用的电极数目为120 根,共有12 根电缆组成,每根电缆上有10 根电极,基本电极间距为2 m,实际测试时电极间距可以根据地形条件以及目标深度进行调整。由于电极数目较大,在测试前因应对电极的质量进行检查,保证各个电极的性能良好,接地电阻均一,同时在采集埋设电极时,可以采取浇灌盐水的方法保证各个电极的接地电极不超过7 Ω,供电电压为200 V～400 V,供电时间为0.5 s。实际工作测试时,研究采用的高密度电法装置排列为温纳排列装置。

将现场探测的剖面数据通过掌上电脑连接传输到计算机中,进行数据格式转换和预处理,消除坏点数据,保留一致性强的数据,进行地形校正,形成视电阻率成像色谱分布图。用专门软件按最小二乘法进行视电阻率正演计算,以推断地下介质的地电断面,形成视电阻率正演成像色谱图,最后通过最佳拟合法进行反演计算,输出探测剖面的真电阻率成像色谱分布图,结合其他资料对高密度电法探测剖面进行解释,并输出电阻率解译断面。

2.2 孔内超声波方法的基本原理

孔内超声波探测方法主要是利用了地下介质的波阻抗物性差异进行岩土类型的区别、岩土界面的划分、声波速度的确定、岩石完整性的判别等。它是将具有发射超声波能力和接收超声波能力的压电陶瓷探头放入预先钻完的地质钻孔中,通过脉冲电流的激振使压电陶瓷产生高频振动,并向周围的岩土介质发射超声波,超声波在遇到不同的波阻抗差异的地质界面时会产生反射,被压电陶瓷探头的所接收,并转换为电信号传输至电脑示波器中,记录并存储反射的超声波振幅、频率和相位等声学参数。经过声学信号的滤波、时频变换等处理方法,可以得到岩土体的超声波速度、动泊松比、动剪切模量、岩体完整性等参数,也可以从孔内超声波剖面中观测地层岩性的起伏和走向。孔内超声波探测方法具有操作简单、成本低廉以及测试快速等优点,在岩土工程勘察中时最为重要和应用最为广泛的一种应用地球物理方法。

3 地球物理方法在水库大坝地基勘察中的应用

3.1 高密度视电阻率法测试成果分析

为探明大坝地基岩土分布情况,在大坝场址区布置了6 条探测测线,布置测线的方式为“井”字形布置。其中,3条为沿着大坝纵轴线方向布置,测线编号分别为CAK01 测线、CAK02 测线、CAK03 测线,CAK02 测线与大坝纵轴线重合,CAK01 测线位于大坝纵轴线上游50m 处、CAK03 测线位于大坝中轴线下游50 m 处；3 条为沿着垂直大坝纵轴线方向（顺河向）布置,测线编号分别为CAK04 测线、CAK05 测线和CAK06 测线,CAK05 测线位于大坝中部（河床中部）、CAK04 测线位于大坝左岸、CAK06 测线位于大坝右岸。

对场区内的地层岩性进行初步勘察表明,场区上覆地层为第四系河流相沉积层和冲积层,以粉质黏土为主,局部夹有孤石,厚度从左岸到右岸变化起伏相对较为平缓,厚度约8 m～16 m,视电阻率变化范围为60 Ω·m～250Ω·m；下部基岩为泥质粉砂岩和灰岩,基岩内发育多条构造挤压破碎带,泥质粉砂岩的风化程度从全风化到微风化不等,其岩体完整性中等,视电阻率约250 Ω·m～350 Ω·m,灰岩以中风化和微风化为主,其视电阻率为410 Ω·m～700 Ω·m,构造挤压破碎带带中由于含有丰富的地下水,其视电阻率小于70 Ω·m。由各层岩土介质的视电阻率可知,各岩土层之间存在明显的电性差异,且具备较好的分辨性,因此为高密度电法的探测提供了良好的地球物理条件。

图1 为CAK05 测线带地形高密度电法电阻率色谱图,图中地表的数字表示距离。从图中可以看出,在河床中部的高密度电法电阻率色谱呈现明显的变化,粉质黏土覆盖层在距离0 m～135 m 范围内分布较厚,色谱以蓝色和绿色为主,厚度为0 m～30 m,视电阻率为60 Ω·m～250 Ω·m,其余位置的粉质黏土覆盖层厚度约2 m～10 m；在距离130 m～290 m 处,存在视电阻率250 Ω·m～350 Ω·m 的相对高阻,该段推测为泥质粉砂岩,经过地质钻探验证其岩性判断准确,其余位置410 Ω·m～700 Ω·m 的相对高阻推测为灰岩,在距离500 m～540 m 埋深约9 m 位置存在电阻率小于70 Ω·m 的低值,推测为挤压破碎带,经过地质钻探验证其岩性判断准确。

图1 CAK05 测线带地形高密度电法电阻率色谱图

图2 为CAK02 测线带地形高密度电法电阻率色谱图,图中地表的数字表示距离。从图中可以看出,在大坝纵轴线地基的高密度电法电阻率色谱呈现明显的变化,粉质黏土覆盖层在剖面上的厚度起伏较大,厚度为0 m～15 m,视电阻率为60 Ω·m～250 Ω·m；在距离90 m～110 m 处,存在视电阻率250 Ω·m～350 Ω·m 的相对高阻,该段推测为泥质粉砂岩,经过地质钻探验证其岩性判断准确,其余位置410 Ω·m～700 Ω·m 的相对高阻推测为灰岩。

图2 CAK02 测线带地形高密度电法电阻率色谱图

3.2 孔内超声波法测试成果分析

在大坝轴线位置布置了3 个钻孔进行超声波波速测试,结果见表1。表1 中可以看出,场区的岩石的完整性从较破碎到较完整变化,较破碎和完整性差的岩体主要集中在上部,较完整的岩体在下部,表明随着深度的增加,其完整性越好,完整性系数也越大。较破碎岩体的超声波速范围为1781 m/s～2620 m/s,完整性差岩体的超声波速范围为2656 m/s～3212 m/s,较完整岩体的超声波速范围为2739 m/s～3929 m/s。

表1 大坝轴线位置钻孔孔内超声波测孔结果

表1 大坝轴线位置钻孔孔内超声波测孔结果

4 结论

以某水库为研究对象,采用现场实测的方法,在坝址区以高密度电法、孔内超声波测试和地质钻探相结合的方式展开地质情况探测,得到以下几个结论：

（1）通过高密度电法探明了水库大坝场区地基的岩性情况,粉质黏土覆盖层在轴线上的厚度起伏较大,厚度为0 m～15 m,电阻率变化范围为60 Ω·m～250 Ω·m；下部基岩为泥质粉砂岩和灰岩,基岩内发育多条构造挤压破碎带,泥质粉砂岩的视电阻率约250 Ω·m～350 Ω·m,灰岩的视电阻率为410 Ω·m～700 Ω·m,构造挤压破碎带带中由于含有丰富的地下水,其视电阻率小于70 Ω·m。

（2）随着深度的增加,其完整性越好,完整性系数也越大。较破碎岩体的超声波速范围为1781 m/s～2620 m/s,完整性差岩体的超声波速范围为2656 m/s～3212 m/s,较完整岩体的超声波速范围为2739 m/s～3929 m/s。