孔间电磁波透视及CT扫描在岩溶区地质勘察中的应用

梁 潮 黄鹤尤

(广西南宁水利电力设计院 南宁 530001)

岩溶地区的水利水电工程地质勘察,与非岩溶地区的工程地质勘察相比有三个特点。

一、它不仅要对各种基础地质条件进行勘察,更重要的是围绕岩溶发育和岩溶水文工程地质条件进行勘察。

二、为研究岩溶渗漏问题,勘察范围较非岩溶地区要适当扩大,不能以地形分水岭所包围的范围为限,一般均应包括水库两岸的低邻谷。

三、因为岩溶发育在空间上的不均一性,尤其岩溶水文地质条件更为复杂,很难用一般的勘察手段来查明,必须利用多种勘察手段和方法进行综合研究。

本文只对第三个特点进行介绍。通常情况下,岩溶地区的勘察可利用钻探、水文地质试验和物探等方法进行,对各种勘探成果进行对比研究、相互借鉴,综合分析判断,这样,勘察成果才能更可靠、更准确。

1 水利水电工程中几种勘察方法的作用

1.1 钻探的作用

钻探是采用钻机设备从地表向地下钻进成孔,获取地面以下浅部及深部地层、构造及岩溶水文地质资料的重要手段。

按钻探的目的可分为:地质钻探,水文水井钻探,工程勘察钻探,石油钻探等等。

对于电站、水库、渠道等水利水电工程以及港口工程、高层建筑、铁路、公路工程等,一般采用工程勘察钻探:通过钻孔取得岩芯、土样进行物理性质分析从而判断其地基基础是否满足工程建设的承载力和稳定性要求。

钻孔不但可以对各种岩性进行分层,还可以探查岩溶发育的规模、高程、溶洞充填物性状,同时还可进行各种水文地质试验、物探试验以及利用钻孔进行地下水长期观测,达到一孔多用的目的。

1.2 水文地质试验的作用

在水利水电工程中,对基岩进行水文地质试验多采用钻孔压水试验、抽水试验。

压水试验是用高压方式把水压入钻孔,根据岩体吸水量了解岩体裂隙发育情况和透水性的一种原位试验。

抽水试验是从钻孔或试井抽取一定水量,而在某距离上各观测井测定各时间点地下水位的变化,依据观测数据利用各种地下水流理论或其图解法分析抽水试验的结果。

1.3 物探试验的作用

物探是地球物理勘探的简称,它是以各种岩石和矿石的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异为研究基础,用不同的物理方法和物探仪器,探测天然的或人工的地球物理场的变化,通过分析、研究所获得的物探资料,推断、解释地质构造和矿产分布情况。

目前主要的物探方法有:重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、放射性勘探等。

依据工作空间的不同,又可分为:地面物探、航空物探、海洋物探、井中物探等。

地球物理勘探所给出的是根据物理现象对地质体或地质构造做出解释推断的结果,因此,它是一种间接的勘探方法,具有多解性,故一般应尽可能通过多种物探方法或与钻探结合,进行对比研究,在综合分析的基础上进行判断。

2 实际工程中的应用

2.1 南宁某电站的应用

2.1.1 工程概况

该电站位于地下河出口处,为该电站所在河流水能开发规划的第三级,是一座以发电、灌溉为主的小型水利水电工程。坝型为混凝土浆砌石坝、均质土坝。

2007年3月,汛期来临时,在建中的该电站右土坝段出现塌陷,坝后出现管涌,坝顶沉陷,为解除险情,于左坝端破坝泄洪。鉴于该电站属应急抢险工程、有加固要求的现状且处于岩溶地区,主管部门要求对水电站坝址进行勘探,查清坝轴线的基岩岩溶发育情况,为设计变更及施工提供依据。

2.1.2 地质条件

电站坝址区地形属峰林谷地地貌,坝址前为地下河出口,水面高程98.6m,坝下游河道发育于谷地之上,电站库区处于地下暗河出口处和部分上游暗河段。

坝址地层由石炭系上统厚层状生物碎屑灰岩(C3)(第③层)和第四系残坡积层可塑～硬塑状粘土 (第②层)覆盖层组成,大坝坝体由浆砌石(Qs,第①-1层)及人工填土 (Qs,第①-2层)组成。坝址区发育有两条断层,其一是坝前 (暗河出口)北西～南东向平移断层 (F1);推测另有一北东向断层 (F2),走向沿暗河顺灰岩层面延伸(即岩层走向),性质不明。

两条断层于坝址西南方库岸公路处相交,相交处附近垂直节理发育,相应地下暗河出口处有泉水出露,略成线状分布。坝基岩体的整体性较好。坝区地下水以岩溶溶洞水为主,岩溶裂隙水次之。

2.1.3 钻探和压水试验

该电站坝轴线布置8个钻孔、迎水坡及背水坡各布置1个钻孔。对钻进过程及钻孔进行分析,发现坝址岩溶发育情况为裂隙发育。另外,钻探过程中对基岩进行了压水试验,各钻孔的压水试验统计见表1。

表1 钻孔基岩压水试验汇总表

从表1中的透水率q值可以看出,坝基下伏石炭系上统厚层状(C3)生物碎屑灰岩(第③层),除zk3、zk7、zk8号钻孔处部分岩体的透水率为0.36～6.89Lu外,整个坝线上其余地段的岩体透水率均为10.24～695.47Lu,渗透性等级为中等～强透水(＞10Lu)。

2.1.4 物探

但是,钻孔毕竟只是在一个“点”上,10个钻孔充其量也只是10个“点”,如何确定在坝轴线上其余地段灰岩岩溶发育的情况呢?勘察单位在钻探成孔后,委托某岩溶研究所对这10个钻孔进行了孔间电磁波透视隐伏岩溶调查。

工程区电磁波CT实测资料的统计结果表明,两孔间距小于30m时(本工程坝轴线上钻孔间距大多小于或接近30m),灰岩中的裂隙带对电磁波吸收较强烈,一般场强幅值在-80～-127db/m之间变化。由测试结果可知,裂隙与灰岩(围岩)对电磁波的吸收能力存在差异,因故,对本工程区为了区分裂隙、灰岩而开展的孔间电磁波透视及CT扫描探测具备地球物理勘探的前提条件。

(1)观测系统

孔间电磁波透视及CT扫描探测采用一孔定点发射,另一孔移动接收测量;或一孔定点接收,而另一孔移动发射的方式;发射和接收点距均为1m。为提取参数,分析各孔发射耦合情况,进行了局部的发射孔与接收孔互换测量和水平同步测量、斜同步(高差同步)测量。其中,斜同步测量的发射点高于接收点或接收点高于发射点。互换测量是在接收孔内定点发射,发射孔全孔段接收,发射点距3～2m。水平同步观测方式的发射(接收)点距均为1.0m。

(2)数据采集

根据不同岩溶地区试验孔的发射频率在5～25 MHz之间的试验孔的观测资料可知,发射频率在5～25 MHz范围内,接收机可接收到高品质的有效观测值。

因此,发射点采用偶极天线,接收点采用相应频段的鞭状天线。最大发射功率为10W。

(3)完成工作量

物探野外作业按《水利水电工程物探规程》(SL326-2005进行,共完成电磁波CT成像9个孔对5866个射线对(物理点)。

(4)数据处理及解释

处理流程为:数据传输→切割频率(选取对异常反映最好的频率)→网格划分→CT计算(ART或SIRT)→输出结果,分别采用1.0m×1.0m和2.0m×2.0m的正方形网格及代数重建法(ART)和联合代数重建法(SIRT)。经对计算的四种结果比较认为:按1.0m×1.0m边长的正方形网格划分吸收系数计算单元,并进行代数重建(ART)迭代反演计算,求出的各网格单元的吸收系数值更为细致可靠,因此将其作为本次数据处理的基本模式。

根据数据处理结果,电磁波CT层析成像(如图1所示)上的高吸收系数(吸收系数值大于0.197～0.274db/m)区呈红色、黄色、白色封闭圈,定为溶洞或裂隙带或溶洞充填泥。低吸收系数(吸收系数值小于0.186～0.131db/m)呈蓝色、浅蓝、绿色,定为完整灰岩。

根据电磁波CT成像图及钻孔资料,可将地质剖面上的岩土体划分为两个类别:完整灰岩;溶洞裂隙带。在9个透视剖面中揭露裂隙、溶洞共37处,其中岩面附近有7处,钻孔间有30处。揭露并给出了溶洞裂隙发育的大小、高程、边界位置、分布和延伸形态,同时也验证了坝顶沉陷部位的zk5～zk6～zk7与zk9～zk6～zk10两组相交透视剖面上裂隙的空间分布形态及裂隙与其岩面的接触关系,查明了完整灰岩、溶洞及裂隙的发育位置、基岩面的起伏情况,提供的CT计算结果直观、针对性强,为下一步大坝防渗处理提供了依据。

当库水位上升、静水压力加大时,岩溶水易沿裂隙发生渗漏。此次土坝段坝顶出现沉陷,就是因为zk5～zk6～zk7与zk9～zk6～zk10剖面相交部位恰好有1个裂隙带发育在基岩面附近,由于水流携带、淘空底部土体从而导致土坝坝底被击穿,从而引起坝顶沉陷。施工时,应对上述裂隙进行灌浆加固,防止坝体被淘空产生塌陷,危及坝体安全。

本次孔间透视,利用先进的数字成像技术,揭露的岩面附近和深部裂隙的规模、边界清晰,可对揭露的裂隙进行逐个灌浆堵漏,保证坝体安全性,提高电站的经济效益。

图1 zk4～zk5号孔间CT层析成像图

3 结语

坝址所处位置为岩溶发育区,地下暗河、潜流变化无常,基岩的岩溶通道连通性较好。在电站水位抬高后,易造成上游水流在高水压的条件下带走坝址区基岩表层岩溶裂隙里的充填物、对坝基上的松散人工堆积物进行淘蚀,从而威胁大坝的安全。此次勘探,钻探、水文地质试验和物探结果相互补充、验证,较好地反映了坝轴线下伏基岩的岩溶发育情况,为对坝基表面的岩溶沟槽进行清理、用混凝土代替岩溶沟槽中的松散充填物,或进行一定深度的帷幕灌浆;对土坝段人工填土(①-2层)进行高压喷射灌浆,使其形成防渗墙,或将土坝段改建为浆砌石坝等建议的提出提供了可靠的依据。

1 邹成杰,张汝清,光耀华等.水利水电岩溶工程地质[M].北京:水利电力出版社,1994.