李正良
(四川華電木里河水電開發(fā)有限公司 成都市 610061)
上通壩電站位于四川省涼山州木里縣唐央鄉(xiāng),閘首位于甘孜州理塘縣,取水樞紐距木里縣城約240 km,距西昌市約490 km。上通壩電站為木里河干流水電梯級(jí)規(guī)劃中第一級(jí)電站,為閘壩引水式開發(fā),閘高27.7m,閘頂調(diào)和3 145.70m,正常蓄水位3 144.0m,死水位3 135.0m,具有日調(diào)節(jié)性能。引水隧洞長21 746.3m,壓力管道長910.1m(主管),正常尾水位2 850.0m,額定引用流量107.7m3/s。電站裝機(jī)3臺(tái),單機(jī)容量80MW,總裝機(jī)容量240MW。
右岸引水洞通過地帶山勢高大雄厚,洞室垂直埋深(50~500)m,局部 700m,側(cè)向水平埋深除進(jìn)口傍河段、個(gè)別傍山段為(200~280)m外,其余段為(400~1 800)m。沿線從上游至下游與木里河垂直的沖溝較發(fā)育,其中切割較深的沖溝有宗特擦侯溝、當(dāng)唐溝、芒多溝和仁多溝,溝內(nèi)均常年有流水地下水位較高,施工中存在涌水問題。引水隧洞沿線穿越迪波 1#斷裂(F01)、迪波 2#斷裂(F02)、里垛 2#斷裂(F04)、芒多斷裂(F05)、康村斷裂(F07)、希薩寺斷裂(F08)六條斷裂,穿越獨(dú)霍根背斜(②)、希薩寺東向斜(⑤)兩條褶皺。存在巖溶水匯水區(qū),巖溶水活動(dòng)較強(qiáng)烈,巖溶水可能較豐富,施工中可能存在巖溶塌陷和突發(fā)性涌水、突泥問題,引水隧洞沿線出露巖性主要有花崗巖、板巖、石英砂巖及灰?guī)r等,部分灰?guī)r洞段巖石中硬,巖體較完整,屬Ⅲ類圍巖,最大垂直埋深達(dá)980m,在部分灰?guī)r等硬質(zhì)巖洞段存在發(fā)生巖爆的可能。
上通壩電站引水隧洞長21.75 km,是工期控制工程。引水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜,沖溝發(fā)育,埋深達(dá)(50~500)m,局部 700m,根據(jù)木里河流域下游電站及木里其他類似工程施工經(jīng)驗(yàn),此類地質(zhì)條件下溶洞、涌水突泥、有毒氣體等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)。為了加強(qiáng)工程控制,減少地質(zhì)災(zāi)害的危害,引入地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。
根據(jù)合同超前地質(zhì)預(yù)報(bào)內(nèi)容:
(1)圍巖級(jí)別變化及其穩(wěn)定性。
(2)隧道開挖掌子面前方巖溶發(fā)育位置、規(guī)模。
(3)掌子面前方圍巖含水狀態(tài)及其變化。
(4)軟弱夾層、斷層、密集節(jié)理帶的發(fā)育情況。
(5)采空區(qū)、瓦斯地帶等。
地質(zhì)雷達(dá)探測是電磁波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的常用方法,是利用電磁波在隧道開挖工作面前方巖體中的傳播及反射,根據(jù)傳播速度和反射脈沖波走時(shí)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一種物探方法,主要用于巖溶探測,亦可用于斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻地質(zhì)體的探測。
本次探測主要采用地質(zhì)雷達(dá)法,結(jié)合地質(zhì)素描法,相關(guān)地質(zhì)水文背景資料進(jìn)行分析。
地質(zhì)雷達(dá)法基本原理是:雷達(dá)發(fā)射天線向地下連續(xù)發(fā)射脈沖式高頻電磁波,當(dāng)遇到有電性差異的界面或目標(biāo)體(介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同)時(shí)即發(fā)生反射和透射。接收天線接收反射波并經(jīng)電纜傳遞給主機(jī),在主機(jī)顯示屏上形成實(shí)時(shí)的時(shí)間剖面。根據(jù)記錄到的反射波的到達(dá)時(shí)間和求得的電磁波在介質(zhì)中的傳播速度,確定界面或目標(biāo)體的深度;同時(shí)根據(jù)反射波的形態(tài)、強(qiáng)弱及其變化等特征來判定目標(biāo)體的性質(zhì)。圖1為地質(zhì)雷達(dá)探測原理示意圖。
圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理示意圖
綜合分析法,基于地質(zhì)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)結(jié)果,結(jié)合該區(qū)段范圍內(nèi)巖層產(chǎn)狀,裂隙及節(jié)理發(fā)育情況,及其他區(qū)域構(gòu)造、水文地質(zhì)特征資料綜合分析,以確定掌子面前方圍巖類別,圍巖中巖溶、裂隙、破碎帶、煤層(瓦斯)及地下水等災(zāi)害地質(zhì)體發(fā)育賦存特征。
探測工作采用了美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR2000型地質(zhì)雷達(dá),配置100MHz雷達(dá)天線,根據(jù)現(xiàn)場臺(tái)階法開挖限制,本次探測在掌子面上臺(tái)階1.5m高度處布設(shè)橫向測線,自左向右進(jìn)行探測(左右方向是以面向掌子面方向?yàn)闇?zhǔn))。掌子面測線布置示意如圖2。
探測時(shí)將SIR2000型地質(zhì)雷達(dá)配置的100MHz天線,以2 km/h速度勻速移動(dòng)天線,采用人工觸發(fā)方式,測線首尾打標(biāo)記,進(jìn)行連續(xù)測量。測量完畢后確定測線長度。圖2為掌子面地質(zhì)雷達(dá)探測測線布置橫斷面圖。
圖2 掌子面地質(zhì)雷達(dá)探測測線布置橫斷面圖(面對(duì)掌子面)
數(shù)據(jù)處理是在RADAN專用軟件下進(jìn)行,該軟件為SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)隨機(jī)配備的數(shù)據(jù)后處理軟件,為視窗平臺(tái),包括全套濾波,反褶積、希爾伯特變換、數(shù)據(jù)編輯、偏移、地形校正、比例調(diào)節(jié)、三維成像顯示、分層解釋、速度分析。
數(shù)據(jù)處理后,根據(jù)反射波的強(qiáng)弱、波形等特征,在圖像上拾取相應(yīng)的厚度底界面。地質(zhì)雷達(dá)探測時(shí),儀器記錄的是界面反射波的雙程走時(shí)t,求得雷達(dá)電磁波在圍巖中傳播的速度V,即可計(jì)算出探測界面的深度d。
一般探測利用鉆孔實(shí)測厚度或通過標(biāo)定已知特征深度反算介電常數(shù)εr,再計(jì)算電磁波該介質(zhì)中傳播的速度V,如下式:
式中 εr——相對(duì)介電常數(shù);
V——電磁波速(m/ns);
T——雙程旅行時(shí)間(ns);
D——標(biāo)定目標(biāo)體厚度或距離(m)。
介電常數(shù)的確認(rèn),基于實(shí)際地質(zhì)素描與地質(zhì)背景資料確定的圍巖類別。常見的各種介質(zhì)平均介電常數(shù)如表1。
表1 相對(duì)介電常數(shù)表
雷達(dá)反射波反射系數(shù)的大小取決于相應(yīng)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的差異。差異越大反射系數(shù)越大,探測效果越好。界面反射信號(hào)的強(qiáng)弱是判讀巖溶、裂隙等巖層結(jié)構(gòu)特征變化的依據(jù),反射波相位與直達(dá)波相位的關(guān)系是判讀含水界面的依據(jù);在雷達(dá)圖像上,完整性較好的圍巖表現(xiàn)為反射波同相軸整體連續(xù)性較好,范圍內(nèi)振幅變化整體一致性較好;圍巖破碎時(shí),則反射波剖面表現(xiàn)出同相軸的較多斷續(xù)起伏和分叉特征。
圖3 木里河水電站C4-3標(biāo)5號(hào)隧洞11+637~11+607地質(zhì)雷達(dá)反射剖面圖
當(dāng)前掌子面里程11+637,Ⅳ級(jí)圍巖,巖體完整性很差,有節(jié)理裂隙發(fā)育,弱風(fēng)化,掌子面潮濕。利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)當(dāng)前掌子面前方30m地質(zhì)情況進(jìn)行了探測,綜合處理分析得到以下結(jié)果(表2)。
表2 探測結(jié)果
綜合起來,本次探測范圍11+637~11+607段內(nèi),圍巖破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育。其中11+625~11+607,破碎嚴(yán)重,節(jié)理裂隙較發(fā)育,易塌方。據(jù)推測此次探測范圍為Ⅳ級(jí)圍巖,建議施工時(shí)加強(qiáng)支護(hù)措施,預(yù)防可能的巖體掉塊、坍塌等風(fēng)險(xiǎn)。
北京銳達(dá)昌途工程技術(shù)有限公司根據(jù)現(xiàn)場探測成果形成《探測報(bào)告》報(bào)相應(yīng)標(biāo)段,經(jīng)監(jiān)理、分公司轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)單位,設(shè)計(jì)單位根據(jù)成果對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)勘后作出預(yù)判。
開挖后的地質(zhì)素描情況與探測結(jié)果基本吻合。
超前預(yù)報(bào)對(duì)開挖斷面前30m洞徑范圍的地質(zhì)情況進(jìn)行了比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào),施工單位根據(jù)預(yù)報(bào)對(duì)施工參數(shù)做相應(yīng)的調(diào)整,避免了塌方、涌水突泥、溶洞、有毒氣體等地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性,做到有備無患,減輕了對(duì)發(fā)生災(zāi)害的心理負(fù)擔(dān),保證工程建設(shè)安全可控的進(jìn)行。因此為了解決復(fù)雜地質(zhì)條件下隧洞開挖、地質(zhì)災(zāi)害防治工作,引入地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)很有必要。
超前預(yù)報(bào)實(shí)施中還有幾個(gè)方面需要加強(qiáng)或優(yōu)化:
(1)預(yù)報(bào)合同由分公司直接與預(yù)報(bào)監(jiān)測單位簽定,減少中間環(huán)節(jié),同時(shí)增加對(duì)預(yù)報(bào)成果準(zhǔn)確性的合同約束力?,F(xiàn)預(yù)報(bào)合同由各標(biāo)段與預(yù)報(bào)監(jiān)測單位簽定,根據(jù)合同規(guī)定:“每次預(yù)報(bào)完成后,應(yīng)在2天內(nèi)時(shí)內(nèi)將初步結(jié)果提交給甲方。正式報(bào)告可在隨后3~4天內(nèi)提交甲方。當(dāng)期預(yù)報(bào)工作中對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中發(fā)現(xiàn)的重大變化應(yīng)在24小時(shí)時(shí)內(nèi)報(bào)甲方?!钡竭_(dá)設(shè)計(jì)單位需5~6天,基本失去開挖支護(hù)的指導(dǎo)意義,合同中對(duì)成果的準(zhǔn)確性并無約定。
(2)引入更先進(jìn)的地質(zhì)雷達(dá),以監(jiān)測隧洞外5m范圍內(nèi)的空腔、溶洞、有毒氣體、涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害?,F(xiàn)預(yù)報(bào)范圍為開挖洞徑前30m,存在局限性,實(shí)際中比如“引水隧洞上游引1+366~1+359段圍巖巖性為厚層塊狀灰?guī)r,其中在引1+362m處發(fā)育一小型溶洞,洞寬約(2.5~3)m,與引水隧洞軸線呈大角度相交。”“樁號(hào) 12+275~12+307.5段圍巖巖性為板巖,間夾數(shù)條泥化夾層,局部巖體錯(cuò)動(dòng)明顯,巖石強(qiáng)度較低,巖石遇水軟化嚴(yán)重,該段地下水較活躍,洞室自穩(wěn)條件極差差,屬Ⅴ類圍巖。其中樁號(hào)12+279~12+281段施工過程中左側(cè)邊頂拱出現(xiàn)大量涌水,初期涌水量實(shí)際達(dá)90m3/h以上,持續(xù)3天后逐步消退”,預(yù)報(bào)報(bào)告并未提及溶洞、洞側(cè)涌水,對(duì)施工造成一定影響。
(3)弱化圍巖地質(zhì)方面的預(yù)報(bào),減少對(duì)施工的影響。加強(qiáng)設(shè)代技術(shù)力量,加強(qiáng)現(xiàn)場溝通,加強(qiáng)圍巖四方鑒定頻次。根據(jù)現(xiàn)在設(shè)代每次對(duì)掌子面前10m的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)判并根據(jù)掘進(jìn)情況隨時(shí)查勘的工作強(qiáng)度,可滿足地質(zhì)方面的要求。