陸超（中國電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明，650051）

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觀音巖水電站壩基淺部溶蝕巖體檢測(cè)技術(shù)方法

陸超
（中國電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明，650051）

觀音巖水電站壩址區(qū)鈣質(zhì)砂礫巖在地下水作用下，沿層理方向或陡傾角裂隙產(chǎn)生溶蝕，形成規(guī)模較大的囊狀空腔或孔洞，需要查明溶蝕巖體的空間分布情況。但由于巖溶呈零星、孤立的條帶狀、囊狀、陡傾分布，常規(guī)的物探檢測(cè)方法難以達(dá)到目的。本工程通過試驗(yàn)找出適合溶蝕巖體檢測(cè)的瞬變電磁法和探地雷達(dá)法，以及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，最終取得預(yù)期成果。

溶蝕巖體；瞬變電磁法；探地雷達(dá)法

0　引言

觀音巖水電站位于云南省麗江市華坪縣與四川省攀枝花市交界的金沙江中游河段，攔河壩為左岸碾壓混凝土重力壩和右岸心墻堆石壩相結(jié)合的組合壩型，最大壩高159 m，整個(gè)壩頂全長1 158 m。

由于地下水的作用，觀音巖水電站壩址區(qū)的鈣質(zhì)礫巖、鈣質(zhì)含礫砂巖、鈣質(zhì)砂巖沿層理方向或陡傾角裂隙產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象。由于溶蝕和鈣質(zhì)流失現(xiàn)象比較突出，弱化了基礎(chǔ)巖體的整體強(qiáng)度和滲透穩(wěn)定條件，因此有必要查明巖體溶蝕區(qū)的空間分布情況，為工程設(shè)計(jì)和管理、施工參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保工程質(zhì)量和安全。

1　溶蝕巖體特征

1.1溶蝕巖體的地質(zhì)特征

壩址區(qū)鈣質(zhì)砂礫巖的溶蝕主要可分為礫巖溶蝕和砂巖鈣質(zhì)流失兩種類型，其中礫巖鈣質(zhì)溶蝕表現(xiàn)尤為突出，易形成規(guī)模較大的囊狀空腔或孔洞，而砂巖則表現(xiàn)為鈣質(zhì)流失、巖石質(zhì)量變輕，溶蝕呈砂土狀或砂糖狀。

各個(gè)溶蝕發(fā)育點(diǎn)大都呈條帶狀、囊狀，水平上分布較為零星、彼此獨(dú)立、相互間連通較差，溶蝕發(fā)育均沿著巖層層面（NE向延伸，傾角大于45°）進(jìn)行，并且受陡傾角橫張節(jié)理或縱張節(jié)理影響控制。

1.3溶蝕巖體的地球物理特征

（1）彈性力學(xué)參數(shù)：溶蝕巖體的密度、波速明顯小于正常巖體。

（2）電性參數(shù)：地下水位線之下的溶蝕巖體，其電阻率值要遠(yuǎn)小于非溶蝕巖體，吸收系數(shù)和介電常數(shù)大于非溶蝕巖體，地下水位線之上的情況則正好相反。另外，溶蝕巖體對(duì)電磁波的散射作用較正常巖體明顯。

（3）地球物理工作條件：壩基開挖后基礎(chǔ)巖面將形成規(guī)則臺(tái)階和邊界，施工干擾和各類電磁干擾影響較大，一般的檢測(cè)方法受地形影響大，另外地面檢測(cè)方法中除空氣耦合外，其他方法的耦合條件均不好。

2　溶蝕巖體檢測(cè)方法選擇

考慮到不可能在壩基面上大規(guī)模布置鉆孔的現(xiàn)實(shí)，淺部溶蝕巖體檢測(cè)方法擬采用地面檢測(cè)方法，初步選定的地面檢測(cè)方法有探地雷達(dá)法、小排列地震反射波法、小線框瞬變電磁法等，并針對(duì)擬用檢測(cè)方法進(jìn)行專門試驗(yàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，分析試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)，主要成果是：（1）地下水位線以上和以下，探地雷達(dá)波形總體形態(tài)相似。采用400 MHz天線發(fā)現(xiàn)溶蝕巖體的異常明顯、穩(wěn)定，干擾小，但探測(cè)深度不超過5 m，100 MHz天線、50 MHz天線干擾大，見圖1。（2）采用瞬變電磁法進(jìn)行溶蝕探測(cè)，溶蝕巖體的異常明顯、穩(wěn)定，干擾小，探測(cè)深度范圍為5～30 m。地下水位線以下區(qū)，溶蝕巖體表現(xiàn)為低阻體，地下水位線以上，溶蝕巖體表現(xiàn)為高阻體，見圖2。（3）地震影像法的反射信號(hào)與溶蝕區(qū)不存在一對(duì)一的關(guān)系。因此，觀音巖水電站壩基淺部巖體溶蝕區(qū)檢測(cè)采用探地雷達(dá)法和瞬變電磁法進(jìn)行普查。

圖1　探地雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)成果圖Fig.1 Test results of ground penetrating radar

圖2　瞬變電磁法檢測(cè)試驗(yàn)成果圖Fig.2 Test results of transient electromagnetic method

3　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及主要數(shù)據(jù)處理技術(shù)

3.1探地雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要參數(shù)及數(shù)據(jù)處理主要技術(shù)

（1）檢測(cè)儀器為美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20型雷達(dá)，天線為400 MHz屏蔽天線；

車輛稱重時(shí)，希望僅通過調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥便能調(diào)平，同時(shí)要考慮在軸箱彈簧處加設(shè)墊片。當(dāng)僅調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥時(shí)，ΔS為變量，所以式(4)和(5)所組成的方程組有解時(shí)，便說明只調(diào)節(jié)高度調(diào)整閥就能調(diào)平。

（2）現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)采用剖面法，測(cè)試剖面間距4 m，測(cè)點(diǎn)間距0.2 m，疊加128次，每道采樣點(diǎn)數(shù)1 024點(diǎn)，時(shí)窗100 ns。

（3）后處理主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益、濾波、偏移和反褶積等處理，突出有效異常；

（4）檢測(cè)成果分為溶蝕巖體和非溶蝕巖體兩大類，其中溶蝕巖體細(xì)分為強(qiáng)溶蝕、中等溶蝕和輕微溶蝕共3個(gè)等級(jí)。

3.2瞬變電磁法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要參數(shù)

（1）儀器為CUGTEM-8瞬變電磁儀，剖面間距4 m，測(cè)點(diǎn)間距1 m或3 m。

（2）采樣參數(shù)分為兩部分：①高程981 m以上：重疊回線，發(fā)射電流100 A，發(fā)射線框?yàn)? m×2 m，4匝，接收線框?yàn)? m×2 m，32匝。采樣間隔4 us，采樣點(diǎn)數(shù)4 096點(diǎn)，60～120次疊加；②高程981m以下：重疊回線，發(fā)射電流100 A，發(fā)射線框?yàn)? m×4 m，2匝，接收線框?yàn)? m×4 m，16匝。采樣間隔4 us，采樣點(diǎn)數(shù)4 096點(diǎn)，60～120次疊加。

3.3瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理主要技術(shù)

（1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要是刪除異常數(shù)據(jù)信號(hào)、電磁背景值歸一化兩步工作。異常的信號(hào)主要由施工工地各種干擾引起，包括電焊機(jī)工作、隨機(jī)和工頻3種干擾及正反相信號(hào)往同個(gè)方向偏移或不對(duì)稱現(xiàn)象。另外因檢測(cè)場(chǎng)地存在較高電磁背景值等原因，瞬變電磁信號(hào)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“負(fù)”的電位值或較高剩余電位值，因此對(duì)此類測(cè)點(diǎn)信號(hào)做背景歸一化處理。

（2）對(duì)不同剖面和測(cè)點(diǎn)的視電阻率值和視深度值做歸一化。

①采用小線圈、多匝回線測(cè)試，計(jì)算出的視電阻率沿深度方向逐漸變小，因此需要對(duì)深度方向上的視電阻值進(jìn)行歸一化處理。深度方向歸一化方法是將相同裝置的全部剖面測(cè)點(diǎn)在不同深度點(diǎn)的視電阻率平均值歸一化成相同的值。

②由于不同剖面（或同一剖面不同測(cè)試時(shí)段）的起算時(shí)間存在變化，不同的剖面計(jì)算得出的視電阻率也會(huì)因此而變化，需要對(duì)不同剖面間的視電阻率值做歸一化處理，才能進(jìn)行有效對(duì)比。不同剖面間視電阻率歸一化方法是將不同剖面的視電阻率平均值歸一化成相同的值。

③瞬變電磁法的深度計(jì)算是在視電阻率的基礎(chǔ)上計(jì)算得出，視電阻做歸一化后應(yīng)對(duì)視深度做歸一化處理。歸一化方法是將第2道計(jì)算得出的深度歸一化成相同的值，最后對(duì)深度統(tǒng)一除或乘某一系數(shù)，使異常深度與已有的鉆孔等地質(zhì)資料對(duì)應(yīng)。

4　檢測(cè)成果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)、綜合分析，瞬變電磁法視電阻率、探地雷達(dá)反射波與溶蝕程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。0～5 m范圍的最終檢測(cè)成果以探地雷達(dá)檢測(cè)成果為主，5～30 m范圍以瞬變電磁法成果為主。

瞬變電磁視電阻率數(shù)據(jù)通過相應(yīng)軟件建立視電阻率分布模型，繪制各剖面、斷面和切面的視電阻率等值線圖，見圖3～5。

表1　溶蝕程度與各參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Relationship between the degree of corrosion and each parameter

圖3　建基面下10 m處視電阻率分布圖Fig.3 Distribution of apparent resistivity10 m below foundation surface

圖4　A-A’剖面視電阻率分布圖Fig.4 Distribution of apparent resistivity of section A-A'

圖5　B-B’剖面視電阻率分布圖Fig.5 Distribution of apparent resistivity of section B-B'

（1）平面上，溶蝕發(fā)育整體呈條帶狀，與巖層走向（見圖3中的B-B'和C-C'）一致，不同溶蝕區(qū)的溶蝕強(qiáng)度和面積差別較大（見圖3）。

（2）同一溶蝕條帶內(nèi)不同溶蝕區(qū)相對(duì)孤立（見圖5），連通性總體較差，不同溶蝕條帶間的溶蝕區(qū)基本不相通（見圖4）。

（3）高程1 030～970 m段，巖體的溶蝕發(fā)育面積變化不大，高程970～950 m段，巖體的溶蝕發(fā)育面積有逐漸變小的趨勢(shì)（見圖3、圖4）。

5　結(jié)語

（1）采用瞬變電磁和探地雷達(dá)綜合法，可有效解決觀音巖水電站基巖的溶蝕巖體空間分布問題。

（2）試驗(yàn)中，曾采用4種不同的瞬變電磁儀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小線框、多匝線圈計(jì)算出的視電阻率沿深度方向逐漸變小，這種現(xiàn)象明顯不符合實(shí)際情況，需要進(jìn)行修正，文中的方法只是依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)做出簡單修正。

（3）瞬變電磁數(shù)據(jù)處理中，起算時(shí)間點(diǎn)對(duì)視電阻率和深度有明顯影響，不利于各區(qū)域、各時(shí)段的各檢測(cè)剖面成果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，部分限制其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。文中的方法只是依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)做出簡單修正后對(duì)成果進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

（4）在場(chǎng)地電磁干擾大的情況下，對(duì)單次瞬變信號(hào)進(jìn)行分析并去除干擾信號(hào)的辦法，在工程實(shí)踐中是很好的解決方案。

作者郵箱：570266449@qq.com

Title:Detection technique of corrosion rock in upper part of foundation of Guanyinyan dam//by

LU Chao//PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited

With the effect of groundwater，calcareous sandy conglomerate in area of Guanyinyan hydropower station was corroded along the direction of bedding or steep fracture，forming larger cystic cavity or hole.It was essential to find out the spatial distribution of corrosion rock.As sporadic and isolated distribution of corrosion rock，conventional geophysical detection method was difficult to achieve the purpose.By contrast test，a suitable detection technique combined with transient electromagnetic method，ground penetrating radar method and corresponding data processing method was used for Guanyinyan hydropower station，which achieved expected results.

corrosion rock；transient electromagnetic method；ground penetrating radar

TV698.1

B

1671-1092（2016）03-0029-04

2016-01-28

陸 超（1972-），男，廣西百色人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事工程檢測(cè)工作。