地质雷达超前预报在毛尔盖水电站引水隧洞中的运用

赵 明，肖华波

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

地质雷达超前预报在毛尔盖水电站引水隧洞中的运用

赵 明，肖华波

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

毛尔盖水电站引水隧洞穿越区岩性总体为变质长石石英砂岩与千枚岩互层。引水隧洞开挖过程中，千枚岩自稳能力较低，开挖后应力调整过程中产生塑性变形量大；在层面与洞轴线交角小的条件下极易生产片帮；开挖过程中千枚岩遇水易软化，在地下水量较大情况下往往产生突发性塌方；断层带岩体完整性差，自稳能力弱，在施工过程中易产生塌方，因此开挖过程中利用地质雷达探测技术短距离预测掌子面前段不良地质条件，对引水隧洞开挖初期临时支护与后期二次衬砌具有重要作用。地质雷达探测技术短距离超前预报利用电磁波脉冲在不同介质中反射回波差异性建立不同岩性组合与断层带、地下水富集区的特征频谱图，对照在开挖过程中掌子面收集到的频谱图进行数据处理与解释进行短距离超前预报。在毛尔盖水电站引水隧洞穿越区，由于各类介质物理性质差异大，电磁波脉冲在不同介质中反射回波差异明显，运用在引水隧洞开挖过程中超前预报准确率较高。

地质雷达数据处理与解释；千枚岩；地下水；断层破碎带；预报准确度

1 概 述

毛尔盖水电站引水隧洞长约16.298 km，布置在黑水河左岸，为圆形有压隧洞，沿线隧洞垂直埋深一般为200～400 m，最大达1 057 m，沿线冲沟较发育，过沟段上覆基岩最小厚度约为50 m。

引水隧洞区岩层走向与引水隧洞洞轴线小角度相交，岩性主要为灰～深灰色薄～中层变质长石石英砂岩与绢云千枚岩或黑色炭质千枚岩夹层或互层。长石石英砂岩属硬质岩，强度高、自稳能力强；千枚岩类软质岩，裂隙短小、零乱，结构面以似层面或千枚理面为主，千枚岩遇水易软化且自稳能力较低。引水隧洞围岩条件和围岩的稳定性主要受控于地层岩性、岩石强度、岩体完整性、结构面组合、风化卸荷程度、上覆基岩厚度，以及岩层与隧洞轴线交角等条件。在诸多因素中，岩石强度和岩体完整性及地层产状对围岩稳定具控制性。

地质雷达利用电磁波脉冲在不同介质中反射，反应出不同岩性之间、完整岩体与相对破碎岩体之间、含水量不等的岩体之间存在较大的电性差异，这种差异为在开挖过程中采用地质雷达预测千枚岩集中带、含水带、断层破碎带等不良地质体和岩性突变段提供了有利的地球物理测试条件。毛尔盖水电站引水隧洞穿越区由于地层岩性的差异性较大，为了确保施工安全与高效性，在施工过程中引入地质雷达超前预报具有重要性。

2 地质雷达数据处理与解释

地质雷达图像反映的是地下介质的电性分布特征，在进行成果分析时，必须将其转化为相应的地质体的空间几何形态。在地质雷达测试和开挖后地质编录验证的基础上，建立起完整砂岩体、千枚岩集中带、砂岩夹千枚岩带、含水带、裂隙密集带等典型地质体同雷达图像特征之间的对应关系（见表1）。

表1 典型地质体与地质雷达图像、波形特征之间的关系

2.1 完整砂岩地质雷达测试成果分析

在微风化～新鲜、干燥或含水量少（潮湿～局部渗滴水）的砂岩洞段，岩体完整性好，介质相对均一，电性差异很小。在使用地质雷达探测时，雷达图像色彩（能量）分布均匀或局部存在强反射细亮条纹，电磁波能量衰减慢且有规律可循，形成低幅反射波组，波形均匀，无杂乱反射波组。在引水隧洞部分桩号段所采集的地质雷达图像数据具有上述波形特征。由于介质相对均一，电磁波在传播过程中能量变化规律性强，波形均匀，故对该类围岩探测及解释的精度高，准确率达95%。典型的砂岩体地质雷达探测剖面见图1。

图1 完整砂岩雷达图像

在图1中，在距掌子面0～35 ns范围内，两条水平强反射波同相轴为掌子面岩体受爆破影响产生的松动圈所致；35～300 ns范围内，均为低幅反射波组，波形均匀，同相轴连续性好，且在300 ns处反射波同相轴还清晰可辨，表明在该段岩体内电磁波能量衰减较慢，波组振幅变化较小，电磁波能量分布均匀，损失较少。由此推测，掌子面前方20 m围岩条件为岩体干燥，呈块状、次块状结构，仅局部发育有短小裂隙，岩石质地坚硬、强度高，围岩完整性较好，应为中厚层状砂岩。

2.2 千枚岩集中带地质雷达测试成果分析

千枚岩集中带是毛尔盖水电站引水隧洞中的主要不良地质条件，其具有遇水软化的特性，致使局部千枚岩集中洞段有产生塑性变形及片帮的可能，对施工安全影响较大，故查明其出露位置及产状，并对其进行连续追踪是地质雷达超前预报工作中的重要任务。引水隧洞绝大多数桩号段都或多或少存在千枚岩，其砂岩或表现为砂岩夹千枚岩，或表现为砂岩与千枚岩互层。在一些地段，千枚岩局部集中，这些千枚岩集中带与砂岩存在较大的电性差异，具备较为理想的地球物理测试条件。在千枚岩集中发育的岩体内，雷达图像色彩（能量）分布不均，电磁波能量衰减快且规律性差，由于千枚岩岩体破碎，对电磁波的散射明显，波幅表现为低幅。千枚岩集中带的典型地质雷达剖面见图2。

图2 千枚岩集中带雷达图像

在图2中，上部0～60 ns段为高幅反射波组，为掌子面岩体受爆破影响产生的松动圈所致；60～220 ns范围掌子面右侧电磁波能量锐减，衰减加快，波形杂乱且多为低频低幅波组；左侧出现高频波组，衰减较慢。由此推断60～220 ns范围右侧为千枚岩集中带，千枚岩对电磁波的散射导致反射电磁波弱，高频迅速衰减而呈低频波组；左侧为砂岩夹少量千枚岩，完整性较好；220～300 ns范围反射电磁波整体呈低频低幅波组，波形杂乱，同相轴连续性差，推断该段千枚岩分布范围已经扩大到全断面分布，所以该段地层岩性为千枚岩集中带。

2.3 砂岩夹千枚岩带地质雷达测试成果分析

毛尔盖水电站引水隧洞绝大多数桩号段地层岩性均为石英砂岩夹炭质、绢云母千枚岩，表现形式多种，如中厚层砂岩夹少量千枚岩，中层砂岩夹千枚岩，中～薄层（或薄～中层）砂岩夹薄层千枚岩。正是因为千枚岩以软弱夹层产出，导致岩体破碎，完整性差，致使隧洞易失稳产生塌方。为确保洞室围岩稳定和施工安全，需查明砂岩夹千枚岩桩号范围及特征。由于千枚岩与砂岩存在较大的电性差异，具备较理想的地球物理测试条件。在砂岩夹千枚岩地段，雷达图像色彩分布不均，电磁波能量衰减较快且规律性差。由于千枚岩破碎，对电磁波的散射明显，波幅表现为低幅；但由于砂岩的存在，砂岩对电磁波的衰减较慢，所以雷达图像中部分区域为高频高幅波组。在砂岩与千枚岩交界处，由于其电性差异较大，反射振幅很强，同相轴不连续。整体来看，砂岩夹千枚岩地段的基本特征是高频与低频波组共存，同相轴时断时续，其典型地质雷达探测剖面见图3。

在图3中，在距掌子面0～40 ns范围内的高频高幅反射波组为掌子面岩体受爆破影响产生的松动圈所致；40～300 ns范围内，能量分布不均匀，波形杂乱，既有高频波组，又有低频波组，同相轴时断时续。由此推测，掌子面前方20 m内地层岩性为中层石英砂岩夹炭质千枚岩，裂隙较发育，围岩完整性较差。

图3 砂岩夹千枚岩雷达图像

2.4 地下水地质雷达测试成果分析

在隧洞开挖过程中，由于渗流通道的形成，在富水段开挖很容易引起大量地下水涌入隧洞，给施工带来较大影响和损失。毛尔盖水电站引水隧洞有2个过沟段：双溜索过沟段和维古二村过沟段。在过沟段，沟内常年流水，覆盖层较厚，工程地质条件较差，地下水丰富，有可能产生塌方和涌水，施工难度大，因此查明地下水的富集带很关键。在常见介质中，水的相对介电常数最大，为81，它与基岩介质相比较，存在明显的电性差异；当雷达电磁波穿越基岩与富水带的界面时，将产生具有一定规律的多次强反射，并掩盖对富水带内及更深范围岩体的探测；当雷达电磁波穿越基岩与含水破碎带的界面时，也在界面产生强反射，并在含水破碎带内产生绕射、散射现象，导致波形紊乱，频率成分将由高频向低频剧变，其典型地质雷达探测剖面见图4。

图4是K5＋590～K5＋570的地质雷达图像，在80～160 ns范围内，左侧波形呈高幅低频波组，波形杂乱，同相轴不连续，同时其后续波组能量很弱，说明能量已经衰减。由此推测，掌子面前方80～160 ns范围内左侧地下水发育，对电磁波反射强烈，并掩盖对富水带内及更深范围岩体的探测。

2.5 断层破碎带地质雷达测试成果分析

断层破碎带可以存在于任何岩性地段中，由于带内一般有不同成分、不均匀的充填物，加之含有一定的裂隙水，与周边围岩形成较明显的电性差异，所以采用地质雷达探测岩体中的裂隙、软弱夹层或断层破碎带具备一定的地球物理探测前提。雷达电磁波在破碎带中传播时，能量分布不均匀，波形会产生较强的界面反射波，界面一般可以连续追踪，因为破碎带对能量的衰减，破碎带的波形呈高幅低频波组。其典型地质雷达探测剖面见图5。

图4 富水带雷达图像

图5 断层破碎带雷达图像

图5是3号洞K6＋795～K6＋815的地质雷达图像，可以看出电磁波在0～20 m范围内同相轴基本连续，频率高，但反射较弱，电磁波衰减快，整体呈高频低幅波组，中部及外侧局部分布有低频高幅反射；另外，在3 m左右有一条基本垂直洞轴线的反射带，能量较强，14 m左右有一连续的低频条带，且11 m处有一窄条纹，能量均较强。由此推测，掌子面前方0～20 m内为中～厚层变质石英砂岩夹少量炭质千枚岩，局部石英团块、条带，为断层带及影响带，随机裂隙发育且裂隙水发育；值得注意的是3 m左右出现一条基本垂直洞轴线的断层，宽度约1.5～3.0 m，外侧较宽；14 m处可能出现另外一条断层，宽度约1 m；11 m处可能是贯通的节理裂隙，且被水充填。

3 预报准确度评价

在毛尔盖引水隧洞地质雷达超前预报中，多次成功的预报了不良地质条件，尽可能减少了塌方对人员和财产带来的损失（见表2）。

表2 毛尔盖水电站引水隧洞地质雷达超前预报成果与施工开挖对照

4 结 论

毛尔盖水电站引水隧洞穿越区岩性为变质长石石英砂岩与千枚岩，千枚岩自稳能力差、遇水易软化，断层以及破碎带，岩体完整性差，自稳能力弱为施工中的不良地质体，以上各类介质物理性质差异大，电磁波脉冲在不同介质中反射回波差异明显。完整砂岩特征波谱表现为：能量变化按一定规律缓慢衰减，同相轴连续性好，波形相似性均一，振幅强弱为低幅；千枚岩集中带特征波谱表现为：能量分布不均匀，能量变化衰减快、规律性差，同相轴不连续，波形相似性杂乱，振幅强弱为低幅；砂岩夹千枚岩带特征波谱表现为：能量分布不均匀，能量变化衰减快、规律性差，同相轴不连续，波形相似性杂乱，波幅变化大；含水带特征波谱表现为：能量分布不均匀，能量变化按一定规律快速衰减、波形相似基本均一，振幅强弱为高、宽幅；裂隙密集带特征波谱表现为：能量分布不均匀，能量变化衰减较快、规律性差，同相轴时断时续，波形相似性杂乱，振幅强弱为高幅。在施工中对照特征频谱进行数据处理与解释后结合预报与开挖揭示的地质条件进行比较，地质雷达超前短距预报在毛尔盖水电站引水隧洞开挖过程中准确率较高。

［1]李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京：地质出版社，1994.

［2]曾昭发.探地雷达方法原理及应用［M］.北京：科学出版社，2006.

U452.11

B

1003-9805（2015）04-0109-04

2015-06-29

赵明（1970-），男，四川都江堰人，高级工程师，从事水电工程地质勘探工作。