吳 強，郭佑國，晏 凱

（安徽桐城抽水蓄能有限公司，安徽省桐城市 231400）

0 引言

與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站一般穿越多種地層、地貌，利用較大的水頭差儲蓄足夠的勢能進行發(fā)電[1]。抽水蓄能電站地下工程洞室多埋藏于山體內部[2]，且埋深較大，而施工期地下工程洞室開挖過程中常遇到斷層破碎帶、巖溶及地下水等不良地質條件。地下工程洞室超前地質預報探測方法多采用地質雷達，該方法探測距離短，探測時間長，制約了地下工程施工進度[3]。安徽桐城抽水蓄能電站選取對外交通公路隧道和進廠交通洞兩個部位作為試驗段，同時采用地質雷達、瞬變電磁法進行地下洞室超前地質預報，將瞬變電磁法探測成果與地質雷達探測成果及洞室開挖后的地質素描成果對比分析，研究瞬變電磁法在抽水蓄能電站地下洞室進行超前地質預報的可行性。

1 工程概況

安徽桐城抽水蓄能電站安裝4臺單級容量為320MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機，總裝機規(guī)模1280MW，額定發(fā)電水頭355m。主要樞紐建筑物包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和地面開關站等建筑物組成，為一等大（1）型水電工程。該電站籌建期工程共開挖11條地下洞室，總長約17.6km。

工程區(qū)在大地構造單元上屬揚子準地臺（Ⅲ）、淮陽臺?。á?）、岳西臺拱（Ⅲ12），處于北東向郯—廬深斷裂與東西向青山—曉天斷裂所構成的斷塊內，該斷塊為中元古代以來的長期隆起區(qū)。輸水發(fā)電系統(tǒng)沿線山體雄厚，巖性以二長片麻巖為主，局部閃長巖脈侵入，多為熔融接觸。斷層、節(jié)理較發(fā)育，以NNE向、NW向、NE向陡傾角為主，斷層規(guī)模較小，膠結一般～較差，與隧洞軸線交角較大。洞室圍巖較完整～完整，局部完整性差，次塊狀～塊狀結構為主，巖體透水性微弱，中等～低地應力，圍巖分類主要以Ⅱ類、Ⅲ類為主，成洞條件較好。洞室多位于地下水位以下，沒有大的透水性構造，一般不存在危害性涌水問題。

2 地質預報方法

地下洞室超前地質預報是保證洞室施工安全、優(yōu)化工程設計、實現(xiàn)施工信息化的重要基礎，地質預報成果的準確性、及時性、科學性是指導地下工程洞室施工安全、優(yōu)質、高效的前提條件。傳統(tǒng)的地質雷達探測分辨率高，但探測距離短（本區(qū)探測距離約30m），預報頻次高，預報耗時長，施工干擾大；瞬變電磁法探測距離大（本區(qū)探測距離最大約300m），數(shù)據(jù)量豐富，可實現(xiàn)掌子面全區(qū)域覆蓋測量[4]。瞬變電磁法在地形復雜、構造發(fā)育、噪聲干擾嚴重的地區(qū)開展勘查工作具有明顯優(yōu)勢，可有效探測斷層[5]。

3 試驗對比

3.1 測線布設方案

地質雷達采用水平剖面布設方式在掌子面進行觀測[6]，不能完整反映整個掌子面后方區(qū)域的地質情況；而瞬變電磁法通過上下、左右掃描觀測方式，可完全了解掌子面后方區(qū)域的地質情況[7]，使探測成果更加清晰、直觀。地質雷達和瞬變電磁測線布設方案如圖1和圖2所示。

圖1 地質雷達測線布設方案Figure 1 Layout plan of GPR survey line

圖2 瞬變電磁測線布設方案Figure 2 Layout plan of transient electromagnetic survey line

3.2 試驗對比分析

桐城電站選取對外交通洞K4+655與進廠交通洞J0+275兩處掌子面作為試驗點，同時采用地質雷達和瞬變電磁法進行地下洞室超前地質預報，并進行試驗結果分析。

3.2.1 對外交通洞試驗段

（1）地質雷達探測成果。

采用地質雷達法在對外交通洞K4+655掌子面處布設2條剖面，總長度20.4m，測點共104個。探測結果如圖3所示。

圖3 對外交通洞K4+655掌子面處地質雷達探測成果Figure 3 GPR survey results at K4+655 face of external traffic tunnel

由地質雷達探測剖面可知：在掌子面前方0～14m范圍內，地質雷達信號表現(xiàn)為強振幅、連續(xù)性較差的特征，以高頻為主；少量位置中頻信號發(fā)育，解釋該異常區(qū)為爆破松動圈及節(jié)理發(fā)育的綜合反映區(qū)，圍巖完整性一般，地下水少量發(fā)育。在掌子面前方17～19m和23～26m范圍內，表現(xiàn)為高幅值界面異常，解釋為局部緩傾角狀節(jié)理、裂隙的反映。掌子面前方14～17m、19～23m和26～30m范圍內，地質雷達信號表現(xiàn)為連續(xù)且均勻平行的特征，以高頻為主，振幅較弱，該段巖體較完整，地下水不發(fā)育。

（2）瞬變電磁探測成果。

采用瞬變電磁法在對外交通洞K4+655掌子面處布設2個扇形剖面，左右扇形剖面及上下扇形剖面。左右扇形剖面以發(fā)射線框的法線垂直于左壁為起點（0°）測量，順時針方向每15°布置一個測點；當線框法線垂直于掌子面時（90°），每隔0.5m布置一個測點；到達右壁時繼續(xù)按15°進行掃描，至線框法線與隧道右壁垂直（180°）時測量結束。上下扇形剖面以線框法線與隧道軸線呈30°時為起點，每隔15°布置一個測點，至線框法線與隧道軸線呈150°時，測量結束。工作布置如圖4所示。

圖4 瞬變電磁扇形觀測系統(tǒng)示意圖Figure 4 Schematic diagram of transient electromagnetic sector observation system

瞬變電磁法采用CL900和CL1100兩種線框對探測效果及探測深度進行對比分析[8]，進行同點位測量。探測結果顯示：采用CL900發(fā)射線圈時，本區(qū)探測距離可達到200m；采用CL1100發(fā)射線圈時，探測距離達到300m。具體試驗觀測結果如圖5～圖7所示。

圖5 瞬變電磁CL900線框觀測成果剖面圖Figure 5 Cross section diagram of TEM CL900 wire-frame observations

圖6 瞬變電磁CL1100線框觀測成果剖面圖Figure 6 Cross section diagram of TEM CL1100 wire-frame observations

圖7 對外交通洞K4+655掌子面瞬變電磁三維成果圖Figure 7 Three-dimensional transient electromagnetic results of K4+655 face of external traffic tunnel

根據(jù)瞬變電磁CL900、CL1100發(fā)射線框上下、左右掃面兩種觀測系統(tǒng)的探測結果可知：兩者數(shù)據(jù)基本相吻合。整體沿掌子面掘進方向表現(xiàn)為視電阻率值呈低—高的趨勢，整體視電阻率值ρs=905～965Ω·m，視電阻率差值較小，解釋為該測量段巖性均一，整體較完整，隧洞圍巖為混合花崗巖（γ），未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂構造及基巖破碎帶。在掌子面前方0～15m（里程K4+655～K4+640）范圍內視電阻率呈低阻異常，解釋該異常區(qū)為爆破松動圈及節(jié)理發(fā)育的綜合反映區(qū)，圍巖完整性一般，地下水少量發(fā)育，圍巖等級屬于Ⅲ類，與地質雷達探測成果基本一致。在掌子面前方15～300m（里程K4+640～K4+355），視電阻率值呈高值反映，該段巖體較完整，地下水不發(fā)育，圍巖等級屬于Ⅱ類。

（3）地質素描成果。

為準確判定瞬變電磁法探測結果的準確性，現(xiàn)場根據(jù)對外交通洞K4+655～K4+355段揭露的圍巖地質情況進行復核，結果如下：

地質素描成果顯示對外交通洞K4+655～K4+355段圍巖整體以微風化混合花崗巖為主，少量位置閃長巖脈發(fā)育，節(jié)理、裂隙不甚發(fā)育；其中，K4+655～K4+630段地下水少量發(fā)育。經(jīng)綜合研判，K4+655～K4+625段圍巖屬Ⅲ類圍巖，K4+625～K4+355段圍巖屬Ⅱ類圍巖。

地質素描成果與瞬變電磁法超前地質預報成果基本一致，其中K4+640～K4+625段圍巖等級劃分與預報成果存在差異，初步判斷由于強烈爆破產(chǎn)生松動圈，卸荷裂隙及節(jié)理裂隙發(fā)育的影響，局部產(chǎn)生松動。

3.2.2 進廠交通洞試驗段

（1）地質雷達探測成果。

采用地質雷達法在進廠交通洞J0+275掌子面布設2條剖面，總長度16.4m，測點共84個。地質雷達探測成果如圖8所示。

圖8 進廠交通洞J0+275掌子面處地質雷達探測成果Figure 8 Ground penetrating radar survey results at J0+275 face of traffic tunnel of entering factory

地質雷達探測剖面綜合分析結論如下：在掌子面前方0～30m段發(fā)現(xiàn)一處異常區(qū)（圖中青色線條范圍內），異常區(qū)主要集中距離右壁0～5m范圍內，異常區(qū)地質雷達信號表現(xiàn)為強振幅，連續(xù)性較差的特征，以高頻為主，少量位置中頻信號發(fā)育，解釋該異常區(qū)為爆破松動圈及節(jié)理發(fā)育的綜合反映區(qū)，圍巖完整性一般。在掌子面左壁5～8m范圍內，地質雷達信號表現(xiàn)為連續(xù)且均勻平行的特征，以高頻為主，振幅較弱，該段巖體較完整，地下水不發(fā)育。

（2）瞬變電磁探測成果。

與對外交通洞試驗段類似，同樣采用CL900與CL1100兩種線框進行同點位測量，具體試驗觀測結果如圖9～圖11所示。

圖9 瞬變電磁CL900線框觀測成果剖面Figure 9 Cross section diagram of TEM CL900 wire-frame observations

圖10 瞬變電磁CL1100線框觀測成果剖面Figure 10 Cross section diagram of TEM CL1100 wire-frame observations

圖11 進廠交通洞J0+275掌子面瞬變電磁三維成果圖Figure 11 Three-dimensional transient electromagnetic results of J0+275 face of traffic tunnel into factory

瞬變電磁CL900與CL1100兩種發(fā)射線框上下、左右掃面兩種觀測系統(tǒng)的探測成果顯示，兩者結果基本相吻合。整體沿掌子面掘進方向表現(xiàn)為視電阻率值呈低—高的趨勢，視電阻率值ρs=605～665Ω·m，視電阻率差值較小，解釋為該測量段巖性均一、整體較完整，隧洞圍巖為上太古界大別山群劉畈組二長片麻巖（Ar2l），未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂構造及基巖破碎帶。在掌子面前方0～30m（里程J0+275～ J0+305）范圍內視電阻率呈低阻異常，異常區(qū)向掌子面右下方呈放射狀延伸，解釋該異常區(qū)為爆破松動圈及節(jié)理發(fā)育的綜合反映區(qū)，異常主要位于掌子面右下方，圍巖等級屬于Ⅲ類，與地質雷達探測成果基本一致。在掌子面前方30～300m（里程J0+305～J0+605），視電阻率值呈高值反映，該段巖體較完整，地下水不發(fā)育，圍巖等級屬于Ⅱ類。

（3）地質素描成果。

根據(jù)進廠交通洞J0+275～J0+575段地質素描成果進行分析復核，結果如下：

該段圍巖以微風化二長片麻巖為主，少量位置閃長巖脈發(fā)育。J0+275～J0+300段節(jié)理裂隙較發(fā)育，J0+300～J0+575段節(jié)理裂隙不甚發(fā)育，地下水不發(fā)育。經(jīng)綜合研判，J0+275～J0+575段圍巖屬Ⅱ類圍巖。

由上可知，實際開挖情況與瞬變電磁超前地質預報成果基本一致。J0+275～J0+305段圍巖等級劃分與預報成果存在差異，初步判斷該段節(jié)理裂隙較發(fā)育，雖在局部形成節(jié)理密集帶，但整體穩(wěn)定性較好。

4 施工進度對比

桐城電站地下洞室超前地質預報設計的物探方法為地質雷達。在充分了解本區(qū)地層背景、巖性及物性基礎上，結合洞室施工條件，將超前地質預報工作方式變更為瞬變電磁法。地質雷達與瞬變電磁兩種探測方式施工進度對比如圖12所示。

圖12 地質雷達與瞬變電磁施工進度對比圖Figure 12 GPR and TEM construction progress comparison chart

本次對比假設隧洞地質預報長度400m。地質雷達觀測需進行14次，單次觀測時間約2h，共計需要約52h；瞬變電磁在相同情況下，只需要觀測2次，單次觀測時間3h，總計需要6h。由上可知，在同等超前預報工作量的情況下，地質雷達所需總時長是瞬變電磁的8倍多。利用瞬變電磁法進行洞室開挖超前地質預報，大大減少了進洞觀測次數(shù)，同時也減少了隧洞施工的停工次數(shù)，為施工總進度爭取更多的時間。

5 費用對比

根據(jù)《工程勘察設計收費標準》[9]，地質雷達法與瞬變電磁法單價對比如表1所示。

表1 地質雷達法與瞬變電磁法單價對比表Table 1 Comparison table of unit price between GPR method and TEM method

由表1可知，地質雷達探測與瞬變電磁法探測費用折算成每米單價后相差7.7%，費用基本一致。

6 結論

通過安徽桐城抽水蓄能電站應用瞬變電磁法進行超前地質預報，可得出如下結論：

（1）采用瞬變電磁法進行超前地質預報，探測結果與常用的地質雷達探測基本一致，探測范圍更廣，且探測精度也較高。

（2）瞬變電磁法可極大程度地減少對地下洞室開挖的干擾，有效減少因超前地質預報造成的施工停工時間，為地下洞室開挖爭取更多的時間。

（3）瞬變電磁法與地質雷達探測預報每米單價基本一致，瞬變電磁法的使用不會增加工程造價。