王 振，張以文，白宗杰

（水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東濟(jì)南250100）

1 概述

除險(xiǎn)加固是解決大壩安全隱患的重要步驟，而地質(zhì)勘察工作是大壩除險(xiǎn)加固的重要前期工作，為準(zhǔn)確查明大壩隱患的部位，常規(guī)的方法主要有地質(zhì)鉆探、人工探視和地球物理勘探三種[1]。近年來，地球物理勘探方法在大壩檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，主要的地球物理勘探方法有高密度電阻率法[2-3]、地質(zhì)雷達(dá)法[4-6]、垂直聲波發(fā)射法[7]、淺層地震法[8]、流場(chǎng)法[9-10]等，其中很多學(xué)者和工程人員對(duì)地球物理勘探方法進(jìn)行了幾種方法的綜合應(yīng)用，并得到了較好的結(jié)果[1,11-13]。由于人工探視費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又難于發(fā)現(xiàn)隱患，在實(shí)際勘察中很少應(yīng)用，而地質(zhì)鉆探僅能局部揭露地質(zhì)隱患，具體勘察中需要將地質(zhì)鉆探和地球物理勘探綜合應(yīng)用。

在濟(jì)南市區(qū)以南30km處某旅游風(fēng)景區(qū)有一座流域面積為26km2的?。?）型水庫，該水庫建成后，僅進(jìn)行過一些簡(jiǎn)單的維修工作，未進(jìn)行過大的改造，經(jīng)安全鑒定，存在較為嚴(yán)重安全隱患，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

為了查明病險(xiǎn)水庫的工程地質(zhì)條件以及地質(zhì)災(zāi)害和隱患的部位、范圍和類型，本次探測(cè)決定采用地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法和地質(zhì)鉆探的方法，對(duì)水庫大壩進(jìn)行全方位勘測(cè)。鉆探結(jié)果與物探資料解釋結(jié)果相互呼應(yīng)，驗(yàn)證了該方法在大壩地質(zhì)勘察中的可行性。

2 方法原理

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)方法是一種使用高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的非破壞性探測(cè)儀器，它通過剖面掃描的方式獲得地下界面的反射圖像[14]。地質(zhì)雷達(dá)通過在地面上移動(dòng)的發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，在地下旅行的電磁波遇到不同的電性界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射。地下介質(zhì)間的電性差異越大，反射回的電磁波能量也越大。反射到地面的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，通過雷達(dá)主機(jī)精確地記錄下反射回的電磁波到達(dá)的時(shí)間、相位、振幅、波長(zhǎng)等特征，再通過信號(hào)疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數(shù)據(jù)加工處理手段，形成地下斷面的掃描圖像。通過對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，便可得到地下目標(biāo)物的分布位置和狀態(tài)。

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)間介電常數(shù)存在較大差異時(shí)，雷達(dá)發(fā)射的電磁波一般會(huì)在其界面發(fā)生反射，反射波形態(tài)與地下介質(zhì)（巖石、空氣、粘土等）的性質(zhì)、賦存狀態(tài)、大小、埋深等因素有密切的關(guān)系。因此，從探測(cè)到的雷達(dá)反射波的曲線形態(tài)、振幅強(qiáng)度、相位等特征可以判斷地下介質(zhì)的賦存狀態(tài)、性質(zhì)及空間分布等。

2.2 高密度電法

高密度電法是一種以巖土體導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一類陣列勘探方法[15]，研究在人工施加電場(chǎng)的作用下地層中的傳導(dǎo)電流以達(dá)到解決各類地質(zhì)問題的目的。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)間電阻率存在較大差異時(shí)，人工施加電場(chǎng)作用下的傳導(dǎo)電流的分布會(huì)因電阻率的高低而分布有疏有密，傳導(dǎo)電流的分布與地下介質(zhì)（巖石、空氣、粘土等）的性質(zhì)、大小、埋深等賦存狀態(tài)各因素有著密切的關(guān)系。因此從探測(cè)到的傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律可以分析地下電阻率在不同區(qū)域間的變化，從而可以反演推斷地下的地質(zhì)情況，尤其是地下空洞、裂隙等不良地質(zhì)體的發(fā)育情況。

3 探測(cè)儀器和測(cè)線布置

本次綜合探測(cè)采用WGMD-9超級(jí)高密度電法儀、美國GISS公司生產(chǎn)的SIR-30E型地質(zhì)雷達(dá)和XY-1型鉆機(jī)分別進(jìn)行高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)和地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)的搜集工作，針對(duì)水庫的實(shí)際地形條件，對(duì)各種方法進(jìn)行合理布局，如圖1所示。

高密度電法測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距3m，采用AMN、MNB裝置開展工作，其中最大探測(cè)深度為25m，電極數(shù)根據(jù)測(cè)線長(zhǎng)度拓展，供電電壓288V，數(shù)據(jù)采集剖面層數(shù)為25層。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作使用100MHz天線，采用連續(xù)測(cè)量模式，采集時(shí)窗600ns。

高密度電法測(cè)線2條，測(cè)線長(zhǎng)度共234m，測(cè)線編號(hào)分別記為L(zhǎng)01~L02；完成地質(zhì)雷達(dá)法測(cè)線3條，測(cè)線長(zhǎng)度共435m，測(cè)線編號(hào)分別記為D01~D03。勘探孔間距約40m，在壩頂和壩坡各布置3孔，編號(hào)分別為BDL1~BDL6。

4 資料解釋及綜合處理

地質(zhì)雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)采用RADAN7專用軟件處理，處理過程中采用水平濾波、垂直濾波、反褶積、增益調(diào)節(jié)、色彩變換、數(shù)據(jù)編輯、偏移、歸一化、比例調(diào)節(jié)等手段，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后輸出各測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果剖面圖，剖面圖橫坐標(biāo)為水平距離（m），左縱坐標(biāo)為深度（m）。根據(jù)結(jié)果分析，在D01、D02、D03三條測(cè)線樁號(hào)139.0~143.5m，深度1.0~10.0m存在物探異常，表現(xiàn)為雷達(dá)波波形雜亂、能量衰減、反射波同相軸錯(cuò)斷，推測(cè)異常為大壩與原河道岸坡交界面，如圖2、圖3所示。其他測(cè)線同相軸一致性較好，但個(gè)別區(qū)域在地面下1.0~2.0m存在雷達(dá)波能量增強(qiáng)、反射波同相軸連續(xù)但起伏較明顯，異常沿水平方向延伸，推測(cè)異常為壩體材料充填不均勻。

圖2 D01測(cè)線雷達(dá)處理結(jié)果

圖3 D02測(cè)線雷達(dá)處理結(jié)果

高密度電法首先對(duì)野外采集數(shù)據(jù)進(jìn)行格式解編、轉(zhuǎn)換、剔除非值等工作，然后采用RES2DINV3.33高密度電阻率數(shù)據(jù)反演軟件對(duì)各測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，輸出視電阻率ρs等值線擬斷面圖，斷面圖橫坐標(biāo)為水平距離（m），縱坐標(biāo)為深度（m）。根據(jù)分析結(jié)果，L02測(cè)線位于壩體背水面，沿東南—西北向布設(shè)?，F(xiàn)場(chǎng)接地條件較好，在探測(cè)深度范圍內(nèi)，視電阻率整體較均勻，隨深度增加逐漸增大。L01測(cè)線樁號(hào)4.0~12.0m，壩頂以下深度20~25m處，視電阻率值相對(duì)較低，且電阻率等值線起伏較大，推測(cè)其成因?yàn)閹r體較破碎且富含水分，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料判斷，可能為小型溶洞。見圖4。

圖4 L01測(cè)線高密度電法處理結(jié)果

根據(jù)鉆探結(jié)果，地層主要分布為壩體填土（壤土）、壤土、中風(fēng)化石灰?guī)r。根據(jù)鉆探結(jié)果，壩頂以下9.0~25.0m普遍分布中風(fēng)化石灰?guī)r，巖芯多呈短柱狀，局部巖體破碎，如圖5所示，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯采取率低。同時(shí)取壩體土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)合土樣的物理力學(xué)指標(biāo)，得出壩體土壓實(shí)度0.83~0.94，壓實(shí)度差別較大，壩體填筑質(zhì)量較差。

圖5 BDL6鉆孔20.0~26.0m巖芯照片

對(duì)上述三種探測(cè)方法的異常區(qū)域進(jìn)行綜合分析，地質(zhì)雷達(dá)方法對(duì)壩體填筑質(zhì)量的判斷與室內(nèi)試驗(yàn)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，高密度電法對(duì)基巖較破碎的判斷與現(xiàn)場(chǎng)鉆探巖芯具有較好的一致性。另外，地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)出樁號(hào)139.0~143.5m處存在一處壩體與原河道岸坡交界面；高密度電法L01測(cè)線樁號(hào)4.0~12.0m，壩頂以下深度20~25m處可能存在小型溶洞。

5 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法和鉆探結(jié)果相互補(bǔ)充、相互印證，證明綜合探測(cè)方法是解決大壩除險(xiǎn)加固地質(zhì)勘察工作行之有效的方法。