地质雷达超前预报在上通坝电站引水隧洞中的应用

李正良

（四川华电木里河水电开发有限公司 成都市 610061）

1 工程概况

上通坝电站位于四川省凉山州木里县唐央乡，闸首位于甘孜州理塘县，取水枢纽距木里县城约240 km，距西昌市约490 km。上通坝电站为木里河干流水电梯级规划中第一级电站，为闸坝引水式开发，闸高27.7m，闸顶调和3 145.70m，正常蓄水位3 144.0m，死水位3 135.0m，具有日调节性能。引水隧洞长21 746.3m，压力管道长910.1m（主管），正常尾水位2 850.0m，额定引用流量107.7m3/s。电站装机3台，单机容量80MW，总装机容量240MW。

右岸引水洞通过地带山势高大雄厚，洞室垂直埋深（50～500）m，局部 700m，侧向水平埋深除进口傍河段、个别傍山段为（200～280）m外，其余段为（400～1 800）m。沿线从上游至下游与木里河垂直的冲沟较发育，其中切割较深的冲沟有宗特擦侯沟、当唐沟、芒多沟和仁多沟，沟内均常年有流水地下水位较高，施工中存在涌水问题。引水隧洞沿线穿越迪波 1#断裂（F01）、迪波 2#断裂（F02）、里垛 2#断裂（F04）、芒多断裂（F05）、康村断裂（F07）、希萨寺断裂（F08）六条断裂，穿越独霍根背斜（②）、希萨寺东向斜（⑤）两条褶皱。存在岩溶水汇水区，岩溶水活动较强烈，岩溶水可能较丰富，施工中可能存在岩溶塌陷和突发性涌水、突泥问题，引水隧洞沿线出露岩性主要有花岗岩、板岩、石英砂岩及灰岩等，部分灰岩洞段岩石中硬，岩体较完整，属Ⅲ类围岩，最大垂直埋深达980m，在部分灰岩等硬质岩洞段存在发生岩爆的可能。

2 超前地质预报的目的与内容

上通坝电站引水隧洞长21.75 km，是工期控制工程。引水隧洞地质条件复杂，冲沟发育，埋深达（50～500）m,局部 700m，根据木里河流域下游电站及木里其他类似工程施工经验，此类地质条件下溶洞、涌水突泥、有毒气体等地质灾害多发。为了加强工程控制，减少地质灾害的危害，引入地质雷达进行超前预报。

根据合同超前地质预报内容：

（1）围岩级别变化及其稳定性。

（2）隧道开挖掌子面前方岩溶发育位置、规模。

（3）掌子面前方围岩含水状态及其变化。

（4）软弱夹层、断层、密集节理带的发育情况。

（5）采空区、瓦斯地带等。

3 地质雷达探测的依据及方法

3.1 地质雷达原理

地质雷达探测是电磁波反射法超前地质预报的常用方法，是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射脉冲波走时进行超前地质预报的一种物探方法，主要用于岩溶探测，亦可用于断层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体的探测。

本次探测主要采用地质雷达法，结合地质素描法，相关地质水文背景资料进行分析。

地质雷达法基本原理是：雷达发射天线向地下连续发射脉冲式高频电磁波，当遇到有电性差异的界面或目标体（介电常数和电导率不同）时即发生反射和透射。接收天线接收反射波并经电缆传递给主机，在主机显示屏上形成实时的时间剖面。根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，确定界面或目标体的深度；同时根据反射波的形态、强弱及其变化等特征来判定目标体的性质。图1为地质雷达探测原理示意图。

图1 地质雷达探测原理示意图

综合分析法，基于地质雷达探测数据结果，结合该区段范围内岩层产状，裂隙及节理发育情况，及其他区域构造、水文地质特征资料综合分析，以确定掌子面前方围岩类别，围岩中岩溶、裂隙、破碎带、煤层（瓦斯）及地下水等灾害地质体发育赋存特征。

3.2 现场探测

探测工作采用了美国GSSI公司生产的SIR2000型地质雷达，配置100MHz雷达天线，根据现场台阶法开挖限制，本次探测在掌子面上台阶1.5m高度处布设横向测线，自左向右进行探测（左右方向是以面向掌子面方向为准）。掌子面测线布置示意如图2。

探测时将SIR2000型地质雷达配置的100MHz天线，以2 km/h速度匀速移动天线，采用人工触发方式，测线首尾打标记，进行连续测量。测量完毕后确定测线长度。图2为掌子面地质雷达探测测线布置横断面图。

图2 掌子面地质雷达探测测线布置横断面图（面对掌子面）

数据处理是在RADAN专用软件下进行，该软件为SIR－20型地质雷达随机配备的数据后处理软件，为视窗平台，包括全套滤波，反褶积、希尔伯特变换、数据编辑、偏移、地形校正、比例调节、三维成像显示、分层解释、速度分析。

3.3 雷达数据分析与解释

数据处理后，根据反射波的强弱、波形等特征，在图像上拾取相应的厚度底界面。地质雷达探测时，仪器记录的是界面反射波的双程走时t，求得雷达电磁波在围岩中传播的速度V，即可计算出探测界面的深度d。

一般探测利用钻孔实测厚度或通过标定已知特征深度反算介电常数εr，再计算电磁波该介质中传播的速度V，如下式：

式中 εr——相对介电常数；

V——电磁波速(m/ns)；

T——双程旅行时间(ns)；

D——标定目标体厚度或距离(m)。

介电常数的确认，基于实际地质素描与地质背景资料确定的围岩类别。常见的各种介质平均介电常数如表1。

表1 相对介电常数表

雷达反射波反射系数的大小取决于相应介质的相对介电常数的差异。差异越大反射系数越大，探测效果越好。界面反射信号的强弱是判读岩溶、裂隙等岩层结构特征变化的依据，反射波相位与直达波相位的关系是判读含水界面的依据；在雷达图像上，完整性较好的围岩表现为反射波同相轴整体连续性较好，范围内振幅变化整体一致性较好；围岩破碎时，则反射波剖面表现出同相轴的较多断续起伏和分叉特征。

3.4 探测结果及分析（图3）

图3 木里河水电站C4-3标5号隧洞11+637～11+607地质雷达反射剖面图

当前掌子面里程11+637，Ⅳ级围岩，岩体完整性很差，有节理裂隙发育，弱风化，掌子面潮湿。利用地质雷达对当前掌子面前方30m地质情况进行了探测，综合处理分析得到以下结果（表2）。

表2 探测结果

综合起来，本次探测范围11+637～11+607段内，围岩破碎，节理裂隙发育。其中11+625～11+607，破碎严重，节理裂隙较发育，易塌方。据推测此次探测范围为Ⅳ级围岩，建议施工时加强支护措施，预防可能的岩体掉块、坍塌等风险。

4 指导设计及施工

北京锐达昌途工程技术有限公司根据现场探测成果形成《探测报告》报相应标段，经监理、分公司转至设计单位，设计单位根据成果对现场进行实勘后作出预判。

开挖后的地质素描情况与探测结果基本吻合。

5 建 议

超前预报对开挖断面前30m洞径范围的地质情况进行了比较准确的预报，施工单位根据预报对施工参数做相应的调整，避免了塌方、涌水突泥、溶洞、有毒气体等地质灾害的突发性，做到有备无患，减轻了对发生灾害的心理负担，保证工程建设安全可控的进行。因此为了解决复杂地质条件下隧洞开挖、地质灾害防治工作，引入地质雷达进行超前预报很有必要。

超前预报实施中还有几个方面需要加强或优化：

（1）预报合同由分公司直接与预报监测单位签定，减少中间环节，同时增加对预报成果准确性的合同约束力。现预报合同由各标段与预报监测单位签定，根据合同规定：“每次预报完成后，应在2天内时内将初步结果提交给甲方。正式报告可在随后3～4天内提交甲方。当期预报工作中对超前地质预报中发现的重大变化应在24小时时内报甲方。”到达设计单位需5～6天，基本失去开挖支护的指导意义，合同中对成果的准确性并无约定。

（2）引入更先进的地质雷达，以监测隧洞外5m范围内的空腔、溶洞、有毒气体、涌水突泥等地质灾害。现预报范围为开挖洞径前30m，存在局限性，实际中比如“引水隧洞上游引1+366～1+359段围岩岩性为厚层块状灰岩，其中在引1+362m处发育一小型溶洞，洞宽约（2.5～3）m，与引水隧洞轴线呈大角度相交。”“桩号 12+275～12+307.5段围岩岩性为板岩，间夹数条泥化夹层，局部岩体错动明显，岩石强度较低，岩石遇水软化严重，该段地下水较活跃，洞室自稳条件极差差，属Ⅴ类围岩。其中桩号12+279～12+281段施工过程中左侧边顶拱出现大量涌水，初期涌水量实际达90m3/h以上，持续3天后逐步消退”，预报报告并未提及溶洞、洞侧涌水，对施工造成一定影响。

（3）弱化围岩地质方面的预报，减少对施工的影响。加强设代技术力量，加强现场沟通，加强围岩四方鉴定频次。根据现在设代每次对掌子面前10m的地质情况进行预判并根据掘进情况随时查勘的工作强度，可满足地质方面的要求。