蔡 華

（浩喬建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330077）

0 引言

水庫工程對(duì)于大壩基礎(chǔ)的防滲性能要求非常高,低滲透性的大壩基礎(chǔ)是保證水庫儲(chǔ)水蓄水和安全運(yùn)行的首要條件。在修筑大壩前,查明地基基巖的埋深情況、起伏變化、完整性情況以及不良地質(zhì)是大壩巖土工程勘察的重要工作內(nèi)容[1]。地球物理方法作為一種可實(shí)現(xiàn)大范圍、快速測試的勘測方法,不受地形的限制,對(duì)于水利工程勘察而言就有明顯優(yōu)勢[2-3]。本文嘗試采用高密度電法和孔內(nèi)超聲波測井的方法對(duì)車拗口水庫壩址地基的基巖分布情況、不良地質(zhì)情況進(jìn)行探測,并判別巖石的完整性。

1 工況概況

某水庫大壩為堆石混凝土重力壩,壩頂總長220.0 m,壩頂寬6.0 m,最大壩高51.0 m,最大壩底寬42.4 m。大壩壩頂中段設(shè)泄洪表孔,為開敞式泄洪方式,堰頂高程685.00 m,共2 孔,溢流總凈寬12 m,孔頂設(shè)6.0 m 寬交通橋連接大壩兩端。溢流堰上游堰面曲線采用3∶2 斜坡線和雙圓弧曲線；下游面為WES 曲線（曲線方程為y=0.265x1.81）、1∶0.8 直線段組成。溢流壩面以半徑12.0 m 的圓弧段接消力池,消力池全長18.0 m、寬13 m,邊墻高5.0 m。大壩基礎(chǔ)范圍內(nèi)上覆地層為第四系河流相沉積層和沖積層,以粉質(zhì)黏土為主,下部基巖為泥質(zhì)粉砂巖和灰?guī)r,基巖內(nèi)發(fā)育多條構(gòu)造擠壓破碎帶。

2 地球物理方法的基本原理

2.1 高密度視電阻率方法的基本原理

高密度視電阻率方法的基本原理是利用了地下介質(zhì)之間的電學(xué)物性差異,比如導(dǎo)電率、電阻率參數(shù),這些參數(shù)與地下介質(zhì)的巖土類別、密實(shí)程度、含水量等各種因素有關(guān)[4]。當(dāng)?shù)叵赂鹘橘|(zhì)之間存在物性差異時(shí),在測試獲得的高密度視電阻率剖面上會(huì)表現(xiàn)為相對(duì)高阻或者相對(duì)低阻,因此可以達(dá)到劃分地層巖性界面、確定異常地質(zhì)體范圍和判別斷層走向等目的。一般而言,在天然地下介質(zhì)中,穩(wěn)定電流場的分布可以用梯度方程表達(dá),見式（1）。

式中：j為地下空間中任一點(diǎn)的電流；Δ為梯度算子；x、y、z為空間坐標(biāo)。

根據(jù)歐姆定律,公式（1）可以簡化為：

式中：U為電壓；ρ為地下介質(zhì)的電阻率。

公式（2）變換為空間直角坐標(biāo)偏微分方程見式（3）[5-6]。

變換為圓柱坐標(biāo)系（r,θ,z）,見式（4）所示[7]。

變換為球坐標(biāo)系（r,θ,φ）,見式（5）所示[8]。

高密度電法是一種陣列式電阻率測量方法,在野外工作時(shí),按照設(shè)定的排列將電極一次性鋪設(shè)完成,本研究采用的電極數(shù)目為120 根,共有12 根電纜組成,每根電纜上有10 根電極,基本電極間距為2 m,實(shí)際測試時(shí)電極間距可以根據(jù)地形條件以及目標(biāo)深度進(jìn)行調(diào)整。由于電極數(shù)目較大,在測試前因應(yīng)對(duì)電極的質(zhì)量進(jìn)行檢查,保證各個(gè)電極的性能良好,接地電阻均一,同時(shí)在采集埋設(shè)電極時(shí),可以采取澆灌鹽水的方法保證各個(gè)電極的接地電極不超過7 Ω,供電電壓為200 V～400 V,供電時(shí)間為0.5 s。實(shí)際工作測試時(shí),研究采用的高密度電法裝置排列為溫納排列裝置。

將現(xiàn)場探測的剖面數(shù)據(jù)通過掌上電腦連接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和預(yù)處理,消除壞點(diǎn)數(shù)據(jù),保留一致性強(qiáng)的數(shù)據(jù),進(jìn)行地形校正,形成視電阻率成像色譜分布圖。用專門軟件按最小二乘法進(jìn)行視電阻率正演計(jì)算,以推斷地下介質(zhì)的地電斷面,形成視電阻率正演成像色譜圖,最后通過最佳擬合法進(jìn)行反演計(jì)算,輸出探測剖面的真電阻率成像色譜分布圖,結(jié)合其他資料對(duì)高密度電法探測剖面進(jìn)行解釋,并輸出電阻率解譯斷面。

2.2 孔內(nèi)超聲波方法的基本原理

孔內(nèi)超聲波探測方法主要是利用了地下介質(zhì)的波阻抗物性差異進(jìn)行巖土類型的區(qū)別、巖土界面的劃分、聲波速度的確定、巖石完整性的判別等。它是將具有發(fā)射超聲波能力和接收超聲波能力的壓電陶瓷探頭放入預(yù)先鉆完的地質(zhì)鉆孔中,通過脈沖電流的激振使壓電陶瓷產(chǎn)生高頻振動(dòng),并向周圍的巖土介質(zhì)發(fā)射超聲波,超聲波在遇到不同的波阻抗差異的地質(zhì)界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射,被壓電陶瓷探頭的所接收,并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至電腦示波器中,記錄并存儲(chǔ)反射的超聲波振幅、頻率和相位等聲學(xué)參數(shù)。經(jīng)過聲學(xué)信號(hào)的濾波、時(shí)頻變換等處理方法,可以得到巖土體的超聲波速度、動(dòng)泊松比、動(dòng)剪切模量、巖體完整性等參數(shù),也可以從孔內(nèi)超聲波剖面中觀測地層巖性的起伏和走向?？變?nèi)超聲波探測方法具有操作簡單、成本低廉以及測試快速等優(yōu)點(diǎn),在巖土工程勘察中時(shí)最為重要和應(yīng)用最為廣泛的一種應(yīng)用地球物理方法。

3 地球物理方法在水庫大壩地基勘察中的應(yīng)用

3.1 高密度視電阻率法測試成果分析

為探明大壩地基巖土分布情況,在大壩場址區(qū)布置了6 條探測測線,布置測線的方式為“井”字形布置。其中,3條為沿著大壩縱軸線方向布置,測線編號(hào)分別為CAK01 測線、CAK02 測線、CAK03 測線,CAK02 測線與大壩縱軸線重合,CAK01 測線位于大壩縱軸線上游50m 處、CAK03 測線位于大壩中軸線下游50 m 處；3 條為沿著垂直大壩縱軸線方向（順河向）布置,測線編號(hào)分別為CAK04 測線、CAK05 測線和CAK06 測線,CAK05 測線位于大壩中部（河床中部）、CAK04 測線位于大壩左岸、CAK06 測線位于大壩右岸。

對(duì)場區(qū)內(nèi)的地層巖性進(jìn)行初步勘察表明,場區(qū)上覆地層為第四系河流相沉積層和沖積層,以粉質(zhì)黏土為主,局部夾有孤石,厚度從左岸到右岸變化起伏相對(duì)較為平緩,厚度約8 m～16 m,視電阻率變化范圍為60 Ω·m～250Ω·m；下部基巖為泥質(zhì)粉砂巖和灰?guī)r,基巖內(nèi)發(fā)育多條構(gòu)造擠壓破碎帶,泥質(zhì)粉砂巖的風(fēng)化程度從全風(fēng)化到微風(fēng)化不等,其巖體完整性中等,視電阻率約250 Ω·m～350 Ω·m,灰?guī)r以中風(fēng)化和微風(fēng)化為主,其視電阻率為410 Ω·m～700 Ω·m,構(gòu)造擠壓破碎帶帶中由于含有豐富的地下水,其視電阻率小于70 Ω·m。由各層巖土介質(zhì)的視電阻率可知,各巖土層之間存在明顯的電性差異,且具備較好的分辨性,因此為高密度電法的探測提供了良好的地球物理?xiàng)l件。

圖1 為CAK05 測線帶地形高密度電法電阻率色譜圖,圖中地表的數(shù)字表示距離。從圖中可以看出,在河床中部的高密度電法電阻率色譜呈現(xiàn)明顯的變化,粉質(zhì)黏土覆蓋層在距離0 m～135 m 范圍內(nèi)分布較厚,色譜以藍(lán)色和綠色為主,厚度為0 m～30 m,視電阻率為60 Ω·m～250 Ω·m,其余位置的粉質(zhì)黏土覆蓋層厚度約2 m～10 m；在距離130 m～290 m 處,存在視電阻率250 Ω·m～350 Ω·m 的相對(duì)高阻,該段推測為泥質(zhì)粉砂巖,經(jīng)過地質(zhì)鉆探驗(yàn)證其巖性判斷準(zhǔn)確,其余位置410 Ω·m～700 Ω·m 的相對(duì)高阻推測為灰?guī)r,在距離500 m～540 m 埋深約9 m 位置存在電阻率小于70 Ω·m 的低值,推測為擠壓破碎帶,經(jīng)過地質(zhì)鉆探驗(yàn)證其巖性判斷準(zhǔn)確。

圖1 CAK05 測線帶地形高密度電法電阻率色譜圖

圖2 為CAK02 測線帶地形高密度電法電阻率色譜圖,圖中地表的數(shù)字表示距離。從圖中可以看出,在大壩縱軸線地基的高密度電法電阻率色譜呈現(xiàn)明顯的變化,粉質(zhì)黏土覆蓋層在剖面上的厚度起伏較大,厚度為0 m～15 m,視電阻率為60 Ω·m～250 Ω·m；在距離90 m～110 m 處,存在視電阻率250 Ω·m～350 Ω·m 的相對(duì)高阻,該段推測為泥質(zhì)粉砂巖,經(jīng)過地質(zhì)鉆探驗(yàn)證其巖性判斷準(zhǔn)確,其余位置410 Ω·m～700 Ω·m 的相對(duì)高阻推測為灰?guī)r。

圖2 CAK02 測線帶地形高密度電法電阻率色譜圖

3.2 孔內(nèi)超聲波法測試成果分析

在大壩軸線位置布置了3 個(gè)鉆孔進(jìn)行超聲波波速測試,結(jié)果見表1。表1 中可以看出,場區(qū)的巖石的完整性從較破碎到較完整變化,較破碎和完整性差的巖體主要集中在上部,較完整的巖體在下部,表明隨著深度的增加,其完整性越好,完整性系數(shù)也越大。較破碎巖體的超聲波速范圍為1781 m/s～2620 m/s,完整性差巖體的超聲波速范圍為2656 m/s～3212 m/s,較完整巖體的超聲波速范圍為2739 m/s～3929 m/s。

表1 大壩軸線位置鉆孔孔內(nèi)超聲波測孔結(jié)果

表1 大壩軸線位置鉆孔孔內(nèi)超聲波測孔結(jié)果

4 結(jié)論

以某水庫為研究對(duì)象,采用現(xiàn)場實(shí)測的方法,在壩址區(qū)以高密度電法、孔內(nèi)超聲波測試和地質(zhì)鉆探相結(jié)合的方式展開地質(zhì)情況探測,得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）通過高密度電法探明了水庫大壩場區(qū)地基的巖性情況,粉質(zhì)黏土覆蓋層在軸線上的厚度起伏較大,厚度為0 m～15 m,電阻率變化范圍為60 Ω·m～250 Ω·m；下部基巖為泥質(zhì)粉砂巖和灰?guī)r,基巖內(nèi)發(fā)育多條構(gòu)造擠壓破碎帶,泥質(zhì)粉砂巖的視電阻率約250 Ω·m～350 Ω·m,灰?guī)r的視電阻率為410 Ω·m～700 Ω·m,構(gòu)造擠壓破碎帶帶中由于含有豐富的地下水,其視電阻率小于70 Ω·m。

（2）隨著深度的增加,其完整性越好,完整性系數(shù)也越大。較破碎巖體的超聲波速范圍為1781 m/s～2620 m/s,完整性差巖體的超聲波速范圍為2656 m/s～3212 m/s,較完整巖體的超聲波速范圍為2739 m/s～3929 m/s。