宰西 黃建國(guó) 徐世光 封禮凡

摘 要：河流河床地下空間地質(zhì)條件對(duì)工程影響極大，必須對(duì)其下伏巖層條件及其含水性、巖層破碎特征等進(jìn)行超前探察與判斷?；诓⑿须姺ㄌ讲旒夹g(shù)，構(gòu)建河床地質(zhì)條件計(jì)算模型。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用，綜合探察取得了良好的應(yīng)用效果，該水電站壩址區(qū)屬于構(gòu)造侵蝕高中山地形，地形高差懸殊，河谷深切，兩岸沖溝水均向河谷排泄。壩址沿線分布有河漫灘，兩岸河邊有基巖出露，岸坡地形坡度30°～45°。研究結(jié)果表明，綜合物探方法能夠有效探察電站內(nèi)河床地層的分層性、層厚、分布范圍、河流的滲透范圍等地質(zhì)條件，為河床下伏工程施工技術(shù)措施制定提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：河床;沖積層;物探;電站

中圖分類號(hào)：S157.2 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）08-0144-03

1概況

該電站預(yù)可階段推薦壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高約130m ，水庫(kù)正常蓄水位660m，裝機(jī)容量200MW，水庫(kù)長(zhǎng)約30km，總庫(kù)容12.17×108m3，測(cè)試（驗(yàn)）內(nèi)容：一是通過(guò)測(cè)試（驗(yàn)）河床（漫灘）沖積層縱波和橫波（剪切波）波速，計(jì)算有關(guān)巖（土）體的物理力學(xué)性參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù);二是通過(guò)河床（漫灘）電磁波CT測(cè)試（驗(yàn)）和跨孔波速測(cè)試，分析河床沖積層相對(duì)密實(shí)情況。

2地質(zhì)與地球物理特性

2.1地形地質(zhì)概況

該水電站壩址區(qū)屬于構(gòu)造侵蝕高中山地形，地形高差懸殊，河谷深切，兩岸沖溝水均向河谷排泄。壩址區(qū)河流流向由西向東，河谷橫斷面總體呈對(duì)稱的“V”字型，枯水期水位540m，河床寬度80m～150m。壩址沿線分布有河漫灘，兩岸河邊有基巖出露，岸坡地形坡度30°～45°。

壩址區(qū)域出露的基巖主要有：三疊系上統(tǒng)舍資組（T3sa）淺灰色、灰白色中—粗粒長(zhǎng)石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉沙質(zhì)泥巖及干海子組（T3g）灰綠、灰黑色泥巖、頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖及煤線。巖層產(chǎn)狀主要為N0 °～20 °W（E）、SW（NE）∠65 °～85 °。

3工作方法與技術(shù)

3.1方法原理簡(jiǎn)述

3.1.1跨孔波速測(cè)試

本次測(cè)試（驗(yàn)）區(qū)位于上壩址左岸河床（漫灘）上，共布置了3個(gè)鉆孔，根據(jù)鉆孔間距大小及結(jié)合物探測(cè)試設(shè)備穿透測(cè)試距離，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定在ZK142～ZK144剖面進(jìn)行跨孔波速測(cè)試;在ZK140～ZK142剖面和ZK142～ZK144剖面進(jìn)行電磁波CT測(cè)試。

3.1.2鉆孔電磁波CT

由麥克斯韋方程推導(dǎo)出電偶極子輻射場(chǎng)，再?gòu)碾娕紭O子輻射場(chǎng)推出半波天線的輻射場(chǎng)為：

E=E0×eikrf（θ）/R ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中：E為觀測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值，k為波數(shù);R為發(fā)射點(diǎn)到觀測(cè)點(diǎn)的距離，R=α+iβ（α，β為電磁波傳播介質(zhì)的相位常數(shù)及吸收系數(shù)）;E0為與發(fā)射條件及介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的量，當(dāng)這些條件固定時(shí)E0是常數(shù);f（θ）為天線的方向因子。

由于觀測(cè)只為場(chǎng)強(qiáng)幅值，公式（1）簡(jiǎn)化為：

E=E0×eβR×f（θ）/R ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中：f（θ）=cos（π/2cosθ）/sinθ

3.2資料解釋

3.2.1跨孔波速測(cè)試資料解釋

跨孔波速測(cè)試鉆孔ZK142～ZK144剖面，間距為9.0m?？咨?4.5m以上段為兩孔水平穿透;孔深24.5m以下段，為敲擊點(diǎn)固定在KZ142孔深24.5m處，而在KZ144孔深24.5m至30.0m按0.5m點(diǎn)距逐點(diǎn)接收測(cè)試。由于鉆孔ZK142和ZK144孔深19.3m以上為沖積層，需有鋼套管護(hù)壁，所以該孔段跨孔波速測(cè)試，是剪切錘振源緊貼于鋼管內(nèi)壁中敲擊，而三分量檢波器也是緊貼于鋼管內(nèi)壁接收。剪切錘振源與檢波器均未能直接與孔壁緊貼而進(jìn)行敲擊與接收，會(huì)使得耦合效果差，造成波的能量傳遞損失，對(duì)測(cè)試效果會(huì)有一定影響。

按下式計(jì)算出彈性波波速：

νp =ι/tp ? ? （3）

νs =ι/ts ? ? （4）

式中：νp——縱波波速，m/s;νs——剪切波波速，m/s;

ι——激發(fā)點(diǎn)至接收點(diǎn)的間距，m;tp——接收換能器接收到的縱波傳播時(shí)間，s;ts——接收換能器接收到的橫波傳播時(shí)間，s。

巖體動(dòng)彈性模量按下式計(jì)算：

Ed=ρ×νs2（3νp2-4νs2）/（νp2-νs2） ? ? ? ?（5）

巖體動(dòng)剪切模量按下式計(jì)算：

Gd=ρ×νs2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

巖體動(dòng)泊松比按下式計(jì)算：

μd=（νp2-2νs2）/（2（νp2-νs2）） ? ? （7）

式中：Ed——巖體動(dòng)彈性模量，kPa;Gd——巖體動(dòng)剪變模量，kPa;Ed——巖體動(dòng)泊松比;νp——縱波波速，m/s;

νs——剪切波波速，m/s;ρ——測(cè)試巖體質(zhì)量密度，t/m3。

4成果分析

4.1成果分析

4.1.1跨孔波速測(cè)試成果分析

跨孔波速測(cè)試鉆孔ZK142～ZK144剖面，ZK142為激發(fā)孔，ZK144為接收孔，縱波和剪切波波速按公式（3）和（4）計(jì)算。相關(guān)巖（土）體物理力學(xué)性參數(shù)按公式（5）～（7）計(jì)算。式中計(jì)算采用巖（土）體的質(zhì)量密度值ρ由地質(zhì)室提供，其中，沖積層（含泥卵、礫石夾中細(xì)砂）的質(zhì)量密度值ρ為2.16t/m3，基巖（中粗粒長(zhǎng)石、石英砂巖）質(zhì)量密度值ρ為2.66t/m3。測(cè)試結(jié)果分析如下：

（1）孔深4.0～19.0m為沖積層（含泥卵、礫石夾中細(xì)砂），測(cè)試孔段有鋼套管護(hù)壁，為水平穿透測(cè)試?？v波波速最小值為1.96km/s，最大值為3.05km/s，平均值為2.19km/s;剪切波波速最小值為0.5km/s，最大值為1.16km/s，平均值為0.78 km/s;動(dòng)彈性模量Ed最小值為1.58GPa，最大值為8.23GPa，平均值為3.88GPa;動(dòng)剪切模量Gd最小值為0.54GPa，最大值為2.91GPa，平均值為1.37GPa;動(dòng)泊松比μd最小值為0.39，最大值為0.47，平均值為0.43。總體來(lái)看，該測(cè)試段波速較低，曲線變化較平緩，剪切波波速隨著孔深增大波波速由約0.6km/s增大為約1.0km/s，說(shuō)明沖積層密實(shí)程度隨著孔深增大亦隨之略有增高。

（2）孔深19.0～30.0m為中粗粒長(zhǎng)石、石英砂巖。其中，孔深19.0～24.5m測(cè)試段無(wú)鋼套管護(hù)壁，為水平穿透測(cè)試;孔深24.5m～30.0m測(cè)試段無(wú)鋼套管護(hù)壁，為固定激發(fā)點(diǎn)于24.5m斜穿測(cè)試。由表中可以看出：該段縱波波速最小值為3.71km/s，最大為4.19km/s，平均值為4.01km/s;剪切波波速最小值為1.70km/s，最大值為2.09km/s，平均值為1.87 km/s;動(dòng)彈性模量Ed最小值為21.35GPa，最大值為30.75GPa，平均值為25.28GPa;動(dòng)剪切模量Gd最小值為7.69GPa，最大值為11.62GPa，平均值為9.31GPa;動(dòng)泊松比μd最小值為0.32，最大值為0.39，平均值為0.36。總體來(lái)看，波速曲線變化不大，該段波速較高，說(shuō)明巖石新鮮，完整性好。

4.1.2鉆孔電磁波測(cè)試成果分析

（1）ZK142～ZK144電磁波CT。電磁吸收系數(shù)色譜圖表明：鉆孔ZK142孔深約21.0m和ZK144孔深約19.8m連線以上區(qū)域，對(duì)電磁波吸收相對(duì)較強(qiáng)區(qū)域，為沖積層（含泥卵、礫石夾中細(xì)砂）反映。該區(qū)域內(nèi)介質(zhì)電磁波吸收系數(shù)相對(duì)變化較小，無(wú)明顯異常反映，說(shuō)明該層巖體較均勻。其中鉆孔ZK142孔深約10.5m～18.5m，電磁波視吸收β值≤0.7Neper/m區(qū)域，對(duì)電磁波的吸收相對(duì)略小。鉆孔ZK144孔深約19.8m至25.5m，介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收相對(duì)變?nèi)?，說(shuō)明巖體完整性變好。至鉆孔ZK144孔深約25.5m以下介質(zhì)對(duì)電磁吸收相對(duì)很小，說(shuō)明巖體完整性好。

（2）ZK140～ZK142電磁波CT。ZK140～ZK142剖面間距較大，以低頻段天線（發(fā)射上、下天線長(zhǎng)度已達(dá)6m，有效測(cè)試孔段變短）電磁波才能有效穿透測(cè)試。有效測(cè)試孔段變短，特別是對(duì)于鉆孔ZK140，最深測(cè)試點(diǎn)剛接觸到基巖段。因此，從吸收系數(shù)色譜圖上看，對(duì)沖積層與基巖界面反映不是很清楚;電磁波工作頻率降低，分辨率也相應(yīng)降低，對(duì)目的體反映精細(xì)程度也差一些?？傮w來(lái)看，鉆孔ZK140孔深約13.0m和ZK142孔深約21.0m以上剖面，對(duì)電磁波吸收相對(duì)較強(qiáng)區(qū)域，為沖積層（含泥卵、礫石夾中細(xì)砂）反映。該區(qū)域內(nèi)介質(zhì)電磁波吸收系數(shù)變化較小，無(wú)明顯異常反映，說(shuō)明該層巖體較均勻。以下區(qū)域電磁波的吸收相對(duì)略小，說(shuō)明巖體完整性較好。

該剖面孔深約5.0m以上區(qū)域，鉆孔ZK142孔深約13.0m與ZK144孔深約22.0m連線以下區(qū)域，因測(cè)試盲區(qū)存在，射線很少，影響資料解釋精度。

（3）鉆孔電磁波測(cè)井。ZK140鉆孔測(cè)井曲線，測(cè)井成果見(jiàn)圖1：孔口至孔深約13.2m段，場(chǎng)強(qiáng)值較小，表明該段對(duì)電磁波的吸收很強(qiáng)，為含泥卵、礫石夾中細(xì)沙組成沖積層反映;孔深約13.2m以下場(chǎng)強(qiáng)值相對(duì)較高，表明巖層對(duì)電磁波的吸收較弱，為基巖（以長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等為主）反映。

ZK142鉆孔測(cè)井曲線，測(cè)井成果見(jiàn)圖1：該段對(duì)電磁波的吸收很強(qiáng)，為含泥卵、礫石夾中細(xì)沙組成沖積層反映;孔深約19.8m以下場(chǎng)強(qiáng)值相對(duì)較高，表明巖層對(duì)電磁波的吸收較弱，為基巖（以長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等為主）反映。

ZK144鉆孔測(cè)井曲線，測(cè)井成果見(jiàn)圖1：孔口至孔深約19.2m段，場(chǎng)強(qiáng)值較小，表明該段對(duì)電磁波的吸收很強(qiáng)，為含泥卵、礫石夾中細(xì)沙組成沖積層反映;孔深約19.2m以下場(chǎng)強(qiáng)值相對(duì)較高，但變化較大，表明巖層對(duì)電磁波的吸收相對(duì)較弱，局部吸收強(qiáng)，為基巖（以長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等為主）反映。其中，孔深24.4m～25.8m和孔深34.0m～34.8m兩段為相對(duì)較強(qiáng)吸收，說(shuō)明孔壁巖體較破碎或節(jié)理發(fā)育，巖體完整性相對(duì)較差。由含泥卵、礫石夾中細(xì)沙組成沖積層表現(xiàn)為對(duì)電磁波的強(qiáng)吸收巖體，但在該層內(nèi)其對(duì)電磁波的吸收相對(duì)較均勻。

4.2評(píng)價(jià)

影響本次測(cè)試效果及精度的原因主要有：

（1）沖積層測(cè)試段因有孔內(nèi)鋼套管影響，測(cè)試精度會(huì)降低。

（2）因鉆孔剖面間距限制，本次跨孔波速測(cè)試僅測(cè)試了一對(duì)剖面，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)量有限，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果代表性不強(qiáng)。

（3）受測(cè)試盲區(qū)影響，解釋剖面頂、底部成像精度會(huì)受到較大影響?？缈追y(cè)試巖體縱、橫波波速，其收發(fā)間距受測(cè)試剖面鉆孔垂直度影響、測(cè)試效果受剪切錘激發(fā)振源和檢波器與孔壁巖體耦合影響等會(huì)降低橫波測(cè)試精度。

5結(jié)論

（1）上壩址左岸河床（漫灘）沖積層剪切波波速最小值0.5km/s，最大值1.16km/s，平均波速0.78 km/s;動(dòng)彈性模量Ed最小值1.58GPa，最大值8.23GPa，平均值3.88GPa;動(dòng)剪切模量Gd最小值0.54GPa，最大值2.91GPa，平均值1.37GPa;動(dòng)泊松比μd最小值0.39，最大值0.47，平均值0.43。

（2）沖積層密實(shí)程度隨著深度增加亦隨之略有增大。

（3）沖積層密實(shí)度總體相對(duì)較均勻，未有明顯電磁波吸收異常反映，但隨著孔深增加，電磁波吸收略有降低。

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