梁 潮 黃鶴尤

(廣西南寧水利電力設計院 南寧 530001)

巖溶地區(qū)的水利水電工程地質勘察,與非巖溶地區(qū)的工程地質勘察相比有三個特點。

一、它不僅要對各種基礎地質條件進行勘察,更重要的是圍繞巖溶發(fā)育和巖溶水文工程地質條件進行勘察。

二、為研究巖溶滲漏問題,勘察范圍較非巖溶地區(qū)要適當擴大,不能以地形分水嶺所包圍的范圍為限,一般均應包括水庫兩岸的低鄰谷。

三、因為巖溶發(fā)育在空間上的不均一性,尤其巖溶水文地質條件更為復雜,很難用一般的勘察手段來查明,必須利用多種勘察手段和方法進行綜合研究。

本文只對第三個特點進行介紹。通常情況下,巖溶地區(qū)的勘察可利用鉆探、水文地質試驗和物探等方法進行,對各種勘探成果進行對比研究、相互借鑒,綜合分析判斷,這樣,勘察成果才能更可靠、更準確。

1 水利水電工程中幾種勘察方法的作用

1.1 鉆探的作用

鉆探是采用鉆機設備從地表向地下鉆進成孔,獲取地面以下淺部及深部地層、構造及巖溶水文地質資料的重要手段。

按鉆探的目的可分為:地質鉆探,水文水井鉆探,工程勘察鉆探,石油鉆探等等。

對于電站、水庫、渠道等水利水電工程以及港口工程、高層建筑、鐵路、公路工程等,一般采用工程勘察鉆探:通過鉆孔取得巖芯、土樣進行物理性質分析從而判斷其地基基礎是否滿足工程建設的承載力和穩(wěn)定性要求。

鉆孔不但可以對各種巖性進行分層,還可以探查巖溶發(fā)育的規(guī)模、高程、溶洞充填物性狀,同時還可進行各種水文地質試驗、物探試驗以及利用鉆孔進行地下水長期觀測,達到一孔多用的目的。

1.2 水文地質試驗的作用

在水利水電工程中,對基巖進行水文地質試驗多采用鉆孔壓水試驗、抽水試驗。

壓水試驗是用高壓方式把水壓入鉆孔,根據巖體吸水量了解巖體裂隙發(fā)育情況和透水性的一種原位試驗。

抽水試驗是從鉆孔或試井抽取一定水量,而在某距離上各觀測井測定各時間點地下水位的變化,依據觀測數(shù)據利用各種地下水流理論或其圖解法分析抽水試驗的結果。

1.3 物探試驗的作用

物探是地球物理勘探的簡稱,它是以各種巖石和礦石的密度、磁性、電性、彈性、放射性等物理性質的差異為研究基礎,用不同的物理方法和物探儀器,探測天然的或人工的地球物理場的變化,通過分析、研究所獲得的物探資料,推斷、解釋地質構造和礦產分布情況。

目前主要的物探方法有:重力勘探、磁法勘探、電法勘探、地震勘探、放射性勘探等。

依據工作空間的不同,又可分為:地面物探、航空物探、海洋物探、井中物探等。

地球物理勘探所給出的是根據物理現(xiàn)象對地質體或地質構造做出解釋推斷的結果,因此,它是一種間接的勘探方法,具有多解性,故一般應盡可能通過多種物探方法或與鉆探結合,進行對比研究,在綜合分析的基礎上進行判斷。

2 實際工程中的應用

2.1 南寧某電站的應用

2.1.1 工程概況

該電站位于地下河出口處,為該電站所在河流水能開發(fā)規(guī)劃的第三級,是一座以發(fā)電、灌溉為主的小型水利水電工程。壩型為混凝土漿砌石壩、均質土壩。

2007年3月,汛期來臨時,在建中的該電站右土壩段出現(xiàn)塌陷,壩后出現(xiàn)管涌,壩頂沉陷,為解除險情,于左壩端破壩泄洪。鑒于該電站屬應急搶險工程、有加固要求的現(xiàn)狀且處于巖溶地區(qū),主管部門要求對水電站壩址進行勘探,查清壩軸線的基巖巖溶發(fā)育情況,為設計變更及施工提供依據。

2.1.2 地質條件

電站壩址區(qū)地形屬峰林谷地地貌,壩址前為地下河出口,水面高程98.6m,壩下游河道發(fā)育于谷地之上,電站庫區(qū)處于地下暗河出口處和部分上游暗河段。

壩址地層由石炭系上統(tǒng)厚層狀生物碎屑灰?guī)r(C3)(第③層)和第四系殘坡積層可塑～硬塑狀粘土 (第②層)覆蓋層組成,大壩壩體由漿砌石(Qs,第①-1層)及人工填土 (Qs,第①-2層)組成。壩址區(qū)發(fā)育有兩條斷層,其一是壩前 (暗河出口)北西～南東向平移斷層 (F1);推測另有一北東向斷層 (F2),走向沿暗河順灰?guī)r層面延伸(即巖層走向),性質不明。

兩條斷層于壩址西南方庫岸公路處相交,相交處附近垂直節(jié)理發(fā)育,相應地下暗河出口處有泉水出露,略成線狀分布。壩基巖體的整體性較好。壩區(qū)地下水以巖溶溶洞水為主,巖溶裂隙水次之。

2.1.3 鉆探和壓水試驗

該電站壩軸線布置8個鉆孔、迎水坡及背水坡各布置1個鉆孔。對鉆進過程及鉆孔進行分析,發(fā)現(xiàn)壩址巖溶發(fā)育情況為裂隙發(fā)育。另外,鉆探過程中對基巖進行了壓水試驗,各鉆孔的壓水試驗統(tǒng)計見表1。

表1 鉆孔基巖壓水試驗匯總表

從表1中的透水率q值可以看出,壩基下伏石炭系上統(tǒng)厚層狀(C3)生物碎屑灰?guī)r(第③層),除zk3、zk7、zk8號鉆孔處部分巖體的透水率為0.36～6.89Lu外,整個壩線上其余地段的巖體透水率均為10.24～695.47Lu,滲透性等級為中等～強透水(＞10Lu)。

2.1.4 物探

但是,鉆孔畢竟只是在一個“點”上,10個鉆孔充其量也只是10個“點”,如何確定在壩軸線上其余地段灰?guī)r巖溶發(fā)育的情況呢?勘察單位在鉆探成孔后,委托某巖溶研究所對這10個鉆孔進行了孔間電磁波透視隱伏巖溶調查。

工程區(qū)電磁波CT實測資料的統(tǒng)計結果表明,兩孔間距小于30m時(本工程壩軸線上鉆孔間距大多小于或接近30m),灰?guī)r中的裂隙帶對電磁波吸收較強烈,一般場強幅值在-80～-127db/m之間變化。由測試結果可知,裂隙與灰?guī)r(圍巖)對電磁波的吸收能力存在差異,因故,對本工程區(qū)為了區(qū)分裂隙、灰?guī)r而開展的孔間電磁波透視及CT掃描探測具備地球物理勘探的前提條件。

(1)觀測系統(tǒng)

孔間電磁波透視及CT掃描探測采用一孔定點發(fā)射,另一孔移動接收測量;或一孔定點接收,而另一孔移動發(fā)射的方式;發(fā)射和接收點距均為1m。為提取參數(shù),分析各孔發(fā)射耦合情況,進行了局部的發(fā)射孔與接收孔互換測量和水平同步測量、斜同步(高差同步)測量。其中,斜同步測量的發(fā)射點高于接收點或接收點高于發(fā)射點。互換測量是在接收孔內定點發(fā)射,發(fā)射孔全孔段接收,發(fā)射點距3～2m。水平同步觀測方式的發(fā)射(接收)點距均為1.0m。

(2)數(shù)據采集

根據不同巖溶地區(qū)試驗孔的發(fā)射頻率在5～25 MHz之間的試驗孔的觀測資料可知,發(fā)射頻率在5～25 MHz范圍內,接收機可接收到高品質的有效觀測值。

因此,發(fā)射點采用偶極天線,接收點采用相應頻段的鞭狀天線。最大發(fā)射功率為10W。

(3)完成工作量

物探野外作業(yè)按《水利水電工程物探規(guī)程》(SL326-2005進行,共完成電磁波CT成像9個孔對5866個射線對(物理點)。

(4)數(shù)據處理及解釋

處理流程為:數(shù)據傳輸→切割頻率(選取對異常反映最好的頻率)→網格劃分→CT計算(ART或SIRT)→輸出結果,分別采用1.0m×1.0m和2.0m×2.0m的正方形網格及代數(shù)重建法(ART)和聯(lián)合代數(shù)重建法(SIRT)。經對計算的四種結果比較認為:按1.0m×1.0m邊長的正方形網格劃分吸收系數(shù)計算單元,并進行代數(shù)重建(ART)迭代反演計算,求出的各網格單元的吸收系數(shù)值更為細致可靠,因此將其作為本次數(shù)據處理的基本模式。

根據數(shù)據處理結果,電磁波CT層析成像(如圖1所示)上的高吸收系數(shù)(吸收系數(shù)值大于0.197～0.274db/m)區(qū)呈紅色、黃色、白色封閉圈,定為溶洞或裂隙帶或溶洞充填泥。低吸收系數(shù)(吸收系數(shù)值小于0.186～0.131db/m)呈藍色、淺藍、綠色,定為完整灰?guī)r。

根據電磁波CT成像圖及鉆孔資料,可將地質剖面上的巖土體劃分為兩個類別:完整灰?guī)r;溶洞裂隙帶。在9個透視剖面中揭露裂隙、溶洞共37處,其中巖面附近有7處,鉆孔間有30處。揭露并給出了溶洞裂隙發(fā)育的大小、高程、邊界位置、分布和延伸形態(tài),同時也驗證了壩頂沉陷部位的zk5～zk6～zk7與zk9～zk6～zk10兩組相交透視剖面上裂隙的空間分布形態(tài)及裂隙與其巖面的接觸關系,查明了完整灰?guī)r、溶洞及裂隙的發(fā)育位置、基巖面的起伏情況,提供的CT計算結果直觀、針對性強,為下一步大壩防滲處理提供了依據。

當庫水位上升、靜水壓力加大時,巖溶水易沿裂隙發(fā)生滲漏。此次土壩段壩頂出現(xiàn)沉陷,就是因為zk5～zk6～zk7與zk9～zk6～zk10剖面相交部位恰好有1個裂隙帶發(fā)育在基巖面附近,由于水流攜帶、淘空底部土體從而導致土壩壩底被擊穿,從而引起壩頂沉陷。施工時,應對上述裂隙進行灌漿加固,防止壩體被淘空產生塌陷,危及壩體安全。

本次孔間透視,利用先進的數(shù)字成像技術,揭露的巖面附近和深部裂隙的規(guī)模、邊界清晰,可對揭露的裂隙進行逐個灌漿堵漏,保證壩體安全性,提高電站的經濟效益。

圖1 zk4～zk5號孔間CT層析成像圖

3 結語

壩址所處位置為巖溶發(fā)育區(qū),地下暗河、潛流變化無常,基巖的巖溶通道連通性較好。在電站水位抬高后,易造成上游水流在高水壓的條件下帶走壩址區(qū)基巖表層巖溶裂隙里的充填物、對壩基上的松散人工堆積物進行淘蝕,從而威脅大壩的安全。此次勘探,鉆探、水文地質試驗和物探結果相互補充、驗證,較好地反映了壩軸線下伏基巖的巖溶發(fā)育情況,為對壩基表面的巖溶溝槽進行清理、用混凝土代替巖溶溝槽中的松散充填物,或進行一定深度的帷幕灌漿;對土壩段人工填土(①-2層)進行高壓噴射灌漿,使其形成防滲墻,或將土壩段改建為漿砌石壩等建議的提出提供了可靠的依據。

1 鄒成杰,張汝清,光耀華等.水利水電巖溶工程地質[M].北京:水利電力出版社,1994.