某引水隧洞综合物探分析论文.pdf

云南水力发 电 yunnan w ater p 0wer 第 2 9 卷 第 4期 宋 山水 电站 白马 山引水隧洞综合物探 苏智光， 钱东宏 ， 廖建军 ， 张辉 ， 邓军 ( 中国水电顾问集 团昆明勘察设计研究院 ， 云南 昆明6 5 0 0 5 1 ) 摘要 ： 介绍对红河宋 山水 电站 白马山引水 隧洞宏观地质情况应用综合物探 的勘察实 例 ， 说明合理地应用综合物探 ， 可全面地解 决地质勘察 问题 ， 满足工程需要 。 关键 词 ： 综合物探 ； 大地 电磁 ； 钻孔成像 ； 面波勘察 ； 声波测井 中图分类号 ：tv6 4 2 4 ； tu4 5 7 文献标识码 ：b 文章编号 ： 1 0 0 6 3 9 5 1 ( 2 0 1 3 ) o 4 0 0 6 6 -0 6 e oi ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 -3 9 5 1 2 0 1 3 o 4 一o 1 8 1 前 言 在解决某个地质问题时应用多种物探方法进行 勘察 的过程就称为综合物探。人们总是用单一的物 探方法 ， 期望将面临的地质调查 问题得到圆满 的解 决 ， 但在实际工作中， 某一物探方法既有其独特的优 越性 ， 也存在其局限性， 有时还往往达不到预期的目 的。如在一个工程测区， 硬性规定只使用某一种物 探方法 ， 如果这种方法满足某一物理特性( 如 电性， 磁性 ， 弹性， 密度等) ， 当然能使物探工作收到满意的 结果， 一旦不满足某一物理特性 ， 必然会使物探异常 得不到合理的解释与结论 ， 有时还会与实际情况产 生较大的差异 ， 原因就在于单一 的物探方法， 只是利 用岩土层中各种物理场的一种特性差异， 如电法勘 察是利用其电性差异 ， 地震和声波勘察是利用其弹 性波波速差异。克服和解决这种 困境局面， 切实可 行 的途径 ， 就是针对勘察对象投入多种不同的物探 方法 ， 进行综合物探 。根据岩土层 中的各种物性差 异， 依据不同的物性参数 ， 辨别 同一地质问题 ， 使不 同的方法之间相互映证 ， 取长补短 ， 综合地得出较为 合理的解释与结论 。 2 工程概况 宋山水电站 白马山引水隧洞位 于云南省红河州境 内。隧洞进 口始于杉木洞村 ， 出口位于坎家村 ， 隧洞 全长 5 9 6 7 5 m。 2 1 地 形地貌 白马山隧洞测区内主要分布地层为二迭系的碳 酸岩 ， 因而表现出较显著的卡斯特地貌特征。其东 、 西 、 南三面为河流左岸谷坡 以及穿洞槽 冲沟所交叉 切割， 地形起伏剧烈 ， 总体上具有上陡下缓的地貌特 征 ， 即上部主要为厚层灰岩构成的悬崖陡壁 ， 陡崖高 7 0 1 0 0 m， 坡度大于 7 o 。 ， 局部甚至为仰坡 ， 下部则 主要为崩坡积物所形成的中陡坡地。北面是辣椒湾 所在的溶蚀洼地， 地形起伏略缓。除陡崖处可见基 岩露头外 ， 山体的大部植被茂盛 ， 其中既有人工种植 的树林 ， 亦有野生的灌木丛 。在 山顶处的灰岩地层 露头上 ， 溶沟、 溶缝等表层岩溶现象极为发育 ， 而其 周边陡坡发现有数个大小不等的溶洞 ， 但洞深较浅 ， 多为溶蚀崩塌物质所充填 ， 已无地下水活动迹象。 2 2 地 层岩性 本测区 主要 出露 古生界 石炭 系 中统黄 龙组 ( c 。 h ) 灰岩、 二迭系下统栖霞组( p q ) 灰岩、 下统茅 口 组 ( p m) 灰岩。第 四系为崩 、 坡积 ( qc o - +d ) ， 冲、 洪积( qp 1 +a 1 ) ， 人工堆积 ( q m1 ) 。其 中以二迭系下 统栖霞组地层分布最为广泛。 2 3 勘察目的 应用物探方法对隧洞部位宏观地质情况作出初 步预报 ， 为隧洞的开挖支护提供依据 ， 提出建议 。 2 4 物探布 置 依据勘察 目的， 在隧洞进 口与 出口部位分别布 置大地电磁法、 面波法和高密度电法进行勘察， 在靠 近隧洞 中部位置布置两个钻孑 l ， 分别进行全柱 面钻 孑 l 成像与声波测井 。 本次物探布置见图 l 。 2 5 物探 工作量 完成的工作量见表 1 。 * 收稿 日期 ： 2 0 1 3 一o 4 1 5 作者简介 ： 苏智 光( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 云南建水人 ， 高级工程师 ， 主要从事工程质量检测及 岩石力学试验工作 。 苏智光 ， 钱东宏 ， 廖建军 ， 张辉 ， 邓军宋山水电站 白马山引水隧洞综合物探 6 7 表 1 工作量统计 表 图 1 白马 山隧洞综合物探布置图 3 工作方法及原理 3 1 大地电磁 采用美国 g e o me t r i c s 公司的新技术产品 s t r a t a g e m e h4大地连续电导率剖面仪 ， 勘察深度可达 1 k m。该仪器勘察两个正交 的电场分量 ( e ， e y ) 和两 个磁场分量 ( h ， hy ) ， 利用上述测量采集 的参数可 求得两个不 同方 向上的视电阻率值和阻抗相位值 ， 由于一次勘察可得到四条曲线 ， 由这几个参数综合 进行计算 ， 提高了测量点电阻率值 的测量精度。 e h4通过发射和接收地面电磁波来达到电阻率 或电导率 的测深。连续的测深点阵组成地下二维电 阻率剖面 ， 甚至三维立体 电阻率成像。 地面 电磁波发送到地下 ， 电磁波在岩 土中的传 播遵循 ma x we l l 方程。如果假设大多数地下岩土为 无磁性 物质 ， 并且宏观上 均匀导 电， 不存在 电荷 积 累 ， 那么 ma x we l l 方程就可简化为： 2 h + k2 h 一0 ( 1 ) 2 e+ k2 e一 0 ( 2 ) ( 1 ) 和( 2 ) 称为亥姆霍兹方程 。 其 中 k 一 ( 3 ) 称作复波数或传播 系数 。这时可将 k 写成 一a + 。a称为相位系数 。 称为吸收 系数 。在 e h4 测量的电磁波频率范围内( 0 1 hz 1 0 0 k hz ) ， 通常 可以忽略位移 电流， 这时 k 进一步简化为 ： k一 = ( 4 ) 这里 一为虚数符号 ； 是 电磁波角频率 2 ， 单位是 r a d s 。 由亥姆霍兹 方程变化 的磁场感 生 出变化 的 电 场 ， 有磁 电关系 ： h 一 l p ( ( 5 ) 表面阻抗 z定义为地表电场和磁场水平分量 的 比值 。在均匀 大地 的情况下 ， 此 阻抗与入射场 的极 化无关 ， 和地电阻率以及 电磁场的频率有关 ： z一 f ( 6 ) 式中： 厂是频率 ， id 是 电阻率 ， 是磁导率。( 2 6 ) 式 可用于确定大地的电阻率 ： 1 i e l 。 ， ld 一 i 耳l 式中： p的单位是 i n， e的单位是 mv k m， h 的 单位是 n t。 对于水平分层大地 ， 此表达式不再适用， 但用它 计算得到的电阻率将随频率改变而变化 ， 因为大地 的穿透深度或趋肤深度与频率有关 。 苏智光 ， 钱东宏 ， 廖 建军， 张辉 ， 邓军宋 山水 电站 白马山引水隧洞综合 物探 6 9 质点 的震动轨迹为逆 时针方 向转动的椭 圆； 而洛夫 波是 由 p波与 s h 波相互 干涉形成的， 其质点在垂 直于波传播方 向的水平面 内振动。 目前 ， 国内外所 开展的面波勘察技术一般是利用瑞雷波进行 的。 利用瑞雷波的频散现象和振 幅衰减规律把地表 两点测得的某一波长的瑞 雷波速度 v r( v r一 x t， 其中 a x为检波器间距 ， t两信道时差) ， 近似 视为瑞雷波在厚度为 1 2波长的地层中传播 的平均 速度 ， 改变激发频率可测得不 同深度 ( d= = = v r 2 f， 其中 d为勘察深度 ， ，为频率) 的瑞雷波的平均速度 和求得各地层的速度 ， 即利用不 同的频率 ， 可得到地 层在垂直方向上的变化情况 ， 利用同一频率 ， 可测得 地层沿水平方 向上的变化情况。 3 4 声 波测 井 通过测量超声波在岩体中传播的速度来反映岩 体物理特性 。现场测试点距 0 2 0 m。声波在井 内 流体 ( 耦合介质) 、 井壁岩层中的传播 ， 是 弹性波在弹 性介质中的传播过程。由声波仪记录的声波传播波 形、 传播速度 ， 从广义声学角度来看 ， 已携带 了大量 的岩体物理信息。原理上， 同一种岩性， 声波传播速 度高， 表明岩体的性状好 ， 反之较差。同一种岩性不 同的风化带 ， 强风化带岩体的声速要低于弱风化带 和新鲜基岩的声速 。 声波检井探头结构、 实物和工作原理见 图 5 、 图 6和 图 7 。 图 5 声 波测井探头结构 图 图 6 声 波 测 井探 头 买物 图 发射探头发出的超声波经过耦合剂 ( 水) 传播到 孔壁 ， 沿孔壁传播后在时刻 t 、 t 分别到达两个接收 点 ， 仪器主机记 录并存储 初至时刻 。s s 。 段 ( 实 为 b c段) 孔壁平均波速计算如下式 ： vp l ( t 2 -t 1 ) ( 1 0 ) 3 5 高密度电法 高密度电法 即高密度直流 电阻率法 ， 实际上属 于直流电阻率法， 基本原理与传统普通直流电阻率 法相同 ， 不 同的是 ， 它是一种组合式剖面装置。 高密度直流电阻率法是以地下介质 ( 岩层) 的导 电性差异为基础的一种物探方法 。地下各种介质在 施加人工 电场作用下， 由于介质 的电性差异导致地 下传导 的电流分布也存在差异 ， 用视 电阻来反应 出 这种电性差异性分布。在一定 的供电和测量电极排 列方式下 ， 通过对供电电极供 电， 测量 电极测量 出测 量电极之 间的电位差 ， 通过反演计算出地下岩土体 视电阻率 ， 然后通过对视电阻率 的分布规律进行分 析来寻找地质 目标体。 图 7声 波 测 并 原 理 图 由于高密度直流电阻率 法提供 的数据 量大， 信 息多， 并有勘察精度高 ， 速度快和探测深度较大等特 点 ， 因此在工程勘察应用很广泛。 由于场地地形起伏较大， 故数据采集 中采用抗 干扰能力最强的 a排列( 温纳装置 amnb ) ， 每次测 量共布置 5 8根 电极 ， 电极距 5 m， 有效探测深度约 4 0 m 。 0 排列测量方法工作 时， ammnnb为一 个电极间距 ， a、 m、 n、 b逐点 同时向右移动 ， 得到第 一 条剖面线 ； 接着 am、 mn、 nb增 大一 个 电极 间 距 ， a、 m、 n、 b逐点同时向右移动， 得到另一条剖面 线 ； 这样不断扫描测量 ， 得到一个倒梯形断面 。a排 列示意见图 8 。 4 成果及资料分析 4 1 大 地 电磁 在大地电磁法工作过程中， 除 了白马 山隧洞 出 口部位存在电力线干扰外 ， 无其它大的干扰源 ， 野外 数据采集质量好 。剖面总测试长度为 6 8 0 m， 测点 数为 3 7个 ， 其 中桩号 3 8 5 5 5 0 m段为陡崖 ， 无法进 鍪 云南水力发电 2 0 1 3年第 4期 行测试。 - _ l _ l _ _ _ _ - - a m n b 图 8 高密度电法 a排列示意图 该段整体为中厚层灰岩 ， 桩号 1 0 0 3 0 0 it i 之间 段在高程 8 5 0 m 以下存在一个较大 的低阻区域， 电 阻率小于 1 0 0 0 m， 推测为含水 的溶蚀裂 隙发育 区或破碎带； 隧洞出口附近即桩号 5 5 0 6 0 0 i t i 段低 阻异常是页岩 。 在隧洞通过 的部 位 ， 无 大 的地质 构造及 异常。 详细情况见图 9 、 图 1 0 所示。 1 量 醛 缸 匡 嫩 瓤 距 离 m 图 9 白马山隧洞大地 电磁勘察电阻率等值线剖面圈 1 0 0 0 蟊 9 0 0 呕 鉴8 0 0 7 o 0 罨 a 蒋 器 距离， m 图 i 0白马 山隧洞大地电磁勘察解释成果剖面图 4 2 钻孔成像 1 )mki 孔 mki钻孔测试段为 0 o 4 5 4 m， 测试进尺 4 5 4 m。岩性为灰岩。在 0 3 m有夹泥 和溶蚀现象， 6 1 4 m段孔壁 比较破碎 ， 1 4 m 以下比 较完整。基本没有掉块现象 ， 裂隙宽度 0 5 3 mm， 以未充填为主 。 2 )mk2孔 mk2钻孑 l 测试段 为 0 0 1 5 3 5 m， 测试进尺 1 5 3 5 m。岩性为灰岩 。裂隙以陡倾角 裂隙和水平裂隙为主， 基本未 张开。4 0 m 以下孔壁 完整， 裂隙很少 。全孔无掉块现象 。局部有小 的溶 孔。隧洞经过段孔壁完整。 4 3 面 波 本次面波主要任务是勘察 白马山人 口及 出口处 覆盖层厚度 ， 测出覆盖层及基岩的瑞雷波波速。 白马山人口测点为 1 8个， 剖面长度 1 8 0 m； 白马 山出口测点为 l 5 个 ， 剖面长度 1 5 0 m。 白马山入 口纵 剖面覆盖层在桩 号 一1 4 0 3 m 段厚度在 5 7 m之 间， 其 中在桩号 一6 0 2 0 m段 厚度为 7 m左右 ， 山坡上基本无覆盖层。覆盖层为 黏土， 面波速度为 1 4 0 m s 2 8 0 m s 。基岩为灰岩 ， 面波速度为 3 0 0 m s l 5 3 0 m s 。 白马山隧洞 出口纵剖面在桩号 7 2 0 7 6 0 m 段 基本无覆盖层 ； 桩号 7 6 0 7 9 0 r n段覆盖层厚度 约 1 2 m； 桩号 7 9 0 8 8 0 m段覆盖层厚度约 2 5 m， 面波速度为 1 3 0 m s 2 9 0 m s 。基岩为灰岩， 面波 速度为 4 1 0 m s t1 6 7 0 m s 。 4 4 声波测试 mk1 测试段为 2 7 2 4 6 0 m， 测试量为 1 8 8 mo mk1 号孔在 2 7 2 3 6 8 m段波速集中在4 0 0 0 m s 6 2 0 0 m s ， 表明岩体完整 、 坚硬 。有个别点速 度在 2 7 0 0 m s 3 7 0 0 m s ， 为裂隙或小破碎造成。 在 3 6 8 4 6 0 m段， 波速较低 ， 主要在 2 0 0 0 m s 3 1 0 0 m s ， 局部波速 4 0 0 0 m s -5 5 0 0 m s ， 经分析 表明为岩层中碳质含量高造成 。 mk2因无法注水 ， 未进行声波测试。 4 5 高密度电法 完成 4个剖面， 共 1 0 7 0 i n 。在 白马山入 口、 白 马山出口各布置一条纵剖面 、 一条横剖面( 横剖面为 辅助作用) 。 1 )人口 纵剖面显示 白马山隧洞入 口的经过区 域视真电阻率大部分在 2 0 0 elm2 0 0 0 q r n之 间 ， 为灰岩 。山坡上覆盖层不超过 5 0 c m， 多夹有块 石。桩号一1 6 0 0 m段覆盖层为黏土夹少量块石 ， 视真电阻率大部分在 2 0 1 “ i m6 0 el m之间， 厚度 5 1 0 m 之 间 。 2 )出口 纵剖面显示 白马山隧洞 出口处地表视 真电阻率较高 ， 在 3 0 0 q m1 0 0 0 q i n之间， 说 明覆盖层很薄或基本 没有 。桩号 8 1 0 8 8 0 r n段覆 盖层在 3 m5 m之间。桩号 8 1 0 8 6 5 m下约 1 0 17 1 有一低阻异常， 推测为溶蚀裂隙发育区， 但距离隧洞 出口较远 ， 故无需关注。 横剖面显示 隧洞 出 口附近为高阻区， 为地表基 本无覆盖层。出口下方 2 o it i 左右有低阻异常区， 为 页岩。 苏智光 ， 钱东宏 ， 廖 建军 ， 张辉 ， 邓军宋 山水电站 白马山引水 隧洞综合物探 7 1 5 结 论 本次面波和高密度电法勘察表明在白马山隧洞 的进 、 出口处的覆盖层厚度很小。人 口平均厚度约 3 m， 出口则基本无覆盖层 。 声波测试 ， mk1号孔成果表 明在孔深 3 7 6 m 以上 ， 岩体 完整、 坚硬 ， 大部 分波速在 4 1 0 0 m s 6 2 0 0 m s 之 间； 孔深 3 7 6 r n以下波速大部分在 2 0 0 0 m s 3 3 0 0 m s 之间， 是岩层中碳质含量增高 造成 。 钻孑 l 成像勘察表明 mk1孔壁在 3 m 以上有溶 蚀和泥质充填 ， 3 1 3 r n裂 隙较发育 ， 宽度 小未充 填 ， 以陡倾角为主 ， 1 3 m 以下孔壁较完整 ， 小方解石 脉较多。mk 2 孔壁总体完整， 无掉块现象。裂隙以 ( 上接第 3 7页) 从表 3 及 图 1 1 可知 1号导流洞出 口段 v类 围 岩板岩 区在 i层 、 层开挖过程位移相对较小 ， 基本 在 1 0 mm以内， 层开挖 时位移发生 了突变 ， 最大 达到 3 4 9 6 mm， 于是将变形情况报告上级 ， 得到各 级部门的重视， 停止开挖 ， 增加 了锚筋桩 、 预应力锚 杆 、 锚索施工 ， 使变形趋于平稳 ； 从表 3及图 1 2可知 2号导流洞 出口段 v类 围岩板岩段在 i层 、 层开 挖过程位移相对较小 ， 基本在 1 0 mm 以内， 层开 挖时位移发生了突变 ， 最大达到 7 2 7 1 mm， 于是停 止 了开挖 ， 设计在现场增加了 2 8 8 根预应力锚杆， 施 工结束后变形趋于平稳 ； 综合上述 l号 、 2号导流洞 出口段 v类 围岩板岩段各层开挖对围岩变形影 响 明显 ， 围岩变形规律性 明显， 出现突变后及时跟进及 进行了补强和补救措施 ， 补强实施完成后位移变化 趋于平稳 ， 未发生安全事故 ， 支护效果 明显 。 综合上述不 利因素给岩体轴 向位移带来 的影 响， 结合位移分布曲线的斜率变化及岩体变形特点， 整体上看 ， 1 号导流洞 出口段主位移影响区在 1 0 m 以内( 见图 1 3 ) ； 2号导流洞出 口段 主位移影响区在 8 m 以内( 见图 1 4 ) 。 4 结 论 通过在 1号、 2 号导流洞 出口段 v类 围岩板岩 区安装埋设的 6 套锚杆应力计， 6 套多