观音岩水电站坝基浅部溶蚀岩体检测技术方法

陆超（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明，650051）



观音岩水电站坝基浅部溶蚀岩体检测技术方法

陆超
（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明，650051）

观音岩水电站坝址区钙质砂砾岩在地下水作用下，沿层理方向或陡倾角裂隙产生溶蚀，形成规模较大的囊状空腔或孔洞，需要查明溶蚀岩体的空间分布情况。但由于岩溶呈零星、孤立的条带状、囊状、陡倾分布，常规的物探检测方法难以达到目的。本工程通过试验找出适合溶蚀岩体检测的瞬变电磁法和探地雷达法，以及相应数据处理技术，最终取得预期成果。

溶蚀岩体；瞬变电磁法；探地雷达法

0　引言

观音岩水电站位于云南省丽江市华坪县与四川省攀枝花市交界的金沙江中游河段，拦河坝为左岸碾压混凝土重力坝和右岸心墙堆石坝相结合的组合坝型，最大坝高159 m，整个坝顶全长1 158 m。

由于地下水的作用，观音岩水电站坝址区的钙质砾岩、钙质含砾砂岩、钙质砂岩沿层理方向或陡倾角裂隙产生溶蚀现象。由于溶蚀和钙质流失现象比较突出，弱化了基础岩体的整体强度和渗透稳定条件，因此有必要查明岩体溶蚀区的空间分布情况，为工程设计和管理、施工参数优化提供基础数据，确保工程质量和安全。

1　溶蚀岩体特征

1.1溶蚀岩体的地质特征

坝址区钙质砂砾岩的溶蚀主要可分为砾岩溶蚀和砂岩钙质流失两种类型，其中砾岩钙质溶蚀表现尤为突出，易形成规模较大的囊状空腔或孔洞，而砂岩则表现为钙质流失、岩石质量变轻，溶蚀呈砂土状或砂糖状。

各个溶蚀发育点大都呈条带状、囊状，水平上分布较为零星、彼此独立、相互间连通较差，溶蚀发育均沿着岩层层面（NE向延伸，倾角大于45°）进行，并且受陡倾角横张节理或纵张节理影响控制。

1.3溶蚀岩体的地球物理特征

（1）弹性力学参数：溶蚀岩体的密度、波速明显小于正常岩体。

（2）电性参数：地下水位线之下的溶蚀岩体，其电阻率值要远小于非溶蚀岩体，吸收系数和介电常数大于非溶蚀岩体，地下水位线之上的情况则正好相反。另外，溶蚀岩体对电磁波的散射作用较正常岩体明显。

（3）地球物理工作条件：坝基开挖后基础岩面将形成规则台阶和边界，施工干扰和各类电磁干扰影响较大，一般的检测方法受地形影响大，另外地面检测方法中除空气耦合外，其他方法的耦合条件均不好。

2　溶蚀岩体检测方法选择

考虑到不可能在坝基面上大规模布置钻孔的现实，浅部溶蚀岩体检测方法拟采用地面检测方法，初步选定的地面检测方法有探地雷达法、小排列地震反射波法、小线框瞬变电磁法等，并针对拟用检测方法进行专门试验。结合现场地质情况，分析试验成果数据，主要成果是：（1）地下水位线以上和以下，探地雷达波形总体形态相似。采用400 MHz天线发现溶蚀岩体的异常明显、稳定，干扰小，但探测深度不超过5 m，100 MHz天线、50 MHz天线干扰大，见图1。（2）采用瞬变电磁法进行溶蚀探测，溶蚀岩体的异常明显、稳定，干扰小，探测深度范围为5～30 m。地下水位线以下区，溶蚀岩体表现为低阻体，地下水位线以上，溶蚀岩体表现为高阻体，见图2。（3）地震影像法的反射信号与溶蚀区不存在一对一的关系。因此，观音岩水电站坝基浅部岩体溶蚀区检测采用探地雷达法和瞬变电磁法进行普查。

图1　探地雷达检测试验成果图Fig.1 Test results of ground penetrating radar

图2　瞬变电磁法检测试验成果图Fig.2 Test results of transient electromagnetic method

3　现场检测及主要数据处理技术

3.1探地雷达现场检测主要参数及数据处理主要技术

（1）检测仪器为美国GSSI公司生产的SIR-20型雷达，天线为400 MHz屏蔽天线；

车辆称重时，希望仅通过调节空气弹簧高度调整阀便能调平，同时要考虑在轴箱弹簧处加设垫片。当仅调节高度调整阀时，ΔS为变量，所以式(4)和(5)所组成的方程组有解时，便说明只调节高度调整阀就能调平。

（2）现场探测采用剖面法，测试剖面间距4 m，测点间距0.2 m，叠加128次，每道采样点数1 024点，时窗100 ns。

（3）后处理主要是对信号进行增益、滤波、偏移和反褶积等处理，突出有效异常；

（4）检测成果分为溶蚀岩体和非溶蚀岩体两大类，其中溶蚀岩体细分为强溶蚀、中等溶蚀和轻微溶蚀共3个等级。

3.2瞬变电磁法现场检测主要参数

（1）仪器为CUGTEM-8瞬变电磁仪，剖面间距4 m，测点间距1 m或3 m。

（2）采样参数分为两部分：①高程981 m以上：重叠回线，发射电流100 A，发射线框为2 m×2 m，4匝，接收线框为2 m×2 m，32匝。采样间隔4 us，采样点数4 096点，60～120次叠加；②高程981m以下：重叠回线，发射电流100 A，发射线框为4 m×4 m，2匝，接收线框为4 m×4 m，16匝。采样间隔4 us，采样点数4 096点，60～120次叠加。

3.3瞬变电磁法数据处理主要技术

（1）对现场采集到的原始数据进行预处理，主要是删除异常数据信号、电磁背景值归一化两步工作。异常的信号主要由施工工地各种干扰引起，包括电焊机工作、随机和工频3种干扰及正反相信号往同个方向偏移或不对称现象。另外因检测场地存在较高电磁背景值等原因，瞬变电磁信号有时会出现“负”的电位值或较高剩余电位值，因此对此类测点信号做背景归一化处理。

（2）对不同剖面和测点的视电阻率值和视深度值做归一化。

①采用小线圈、多匝回线测试，计算出的视电阻率沿深度方向逐渐变小，因此需要对深度方向上的视电阻值进行归一化处理。深度方向归一化方法是将相同装置的全部剖面测点在不同深度点的视电阻率平均值归一化成相同的值。

②由于不同剖面（或同一剖面不同测试时段）的起算时间存在变化，不同的剖面计算得出的视电阻率也会因此而变化，需要对不同剖面间的视电阻率值做归一化处理，才能进行有效对比。不同剖面间视电阻率归一化方法是将不同剖面的视电阻率平均值归一化成相同的值。

③瞬变电磁法的深度计算是在视电阻率的基础上计算得出，视电阻做归一化后应对视深度做归一化处理。归一化方法是将第2道计算得出的深度归一化成相同的值，最后对深度统一除或乘某一系数，使异常深度与已有的钻孔等地质资料对应。

4　检测成果

经现场对比试验、综合分析，瞬变电磁法视电阻率、探地雷达反射波与溶蚀程度的对应关系见表1。0～5 m范围的最终检测成果以探地雷达检测成果为主，5～30 m范围以瞬变电磁法成果为主。

瞬变电磁视电阻率数据通过相应软件建立视电阻率分布模型，绘制各剖面、断面和切面的视电阻率等值线图，见图3～5。

表1　溶蚀程度与各参数的对应关系Table 1 Relationship between the degree of corrosion and each parameter

图3　建基面下10 m处视电阻率分布图Fig.3 Distribution of apparent resistivity10 m below foundation surface

图4　A-A’剖面视电阻率分布图Fig.4 Distribution of apparent resistivity of section A-A'

图5　B-B’剖面视电阻率分布图Fig.5 Distribution of apparent resistivity of section B-B'

（1）平面上，溶蚀发育整体呈条带状，与岩层走向（见图3中的B-B'和C-C'）一致，不同溶蚀区的溶蚀强度和面积差别较大（见图3）。

（2）同一溶蚀条带内不同溶蚀区相对孤立（见图5），连通性总体较差，不同溶蚀条带间的溶蚀区基本不相通（见图4）。

（3）高程1 030～970 m段，岩体的溶蚀发育面积变化不大，高程970～950 m段，岩体的溶蚀发育面积有逐渐变小的趋势（见图3、图4）。

5　结语

（1）采用瞬变电磁和探地雷达综合法，可有效解决观音岩水电站基岩的溶蚀岩体空间分布问题。

（2）试验中，曾采用4种不同的瞬变电磁仪进行对比试验，发现小线框、多匝线圈计算出的视电阻率沿深度方向逐渐变小，这种现象明显不符合实际情况，需要进行修正，文中的方法只是依据工程经验做出简单修正。

（3）瞬变电磁数据处理中，起算时间点对视电阻率和深度有明显影响，不利于各区域、各时段的各检测剖面成果进行横向对比，部分限制其在工程领域的应用。文中的方法只是依据工程经验做出简单修正后对成果进行横向对比。

（4）在场地电磁干扰大的情况下，对单次瞬变信号进行分析并去除干扰信号的办法，在工程实践中是很好的解决方案。

作者邮箱：570266449@qq.com

Title:Detection technique of corrosion rock in upper part of foundation of Guanyinyan dam//by

LU Chao//PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited

With the effect of groundwater，calcareous sandy conglomerate in area of Guanyinyan hydropower station was corroded along the direction of bedding or steep fracture，forming larger cystic cavity or hole.It was essential to find out the spatial distribution of corrosion rock.As sporadic and isolated distribution of corrosion rock，conventional geophysical detection method was difficult to achieve the purpose.By contrast test，a suitable detection technique combined with transient electromagnetic method，ground penetrating radar method and corresponding data processing method was used for Guanyinyan hydropower station，which achieved expected results.

corrosion rock；transient electromagnetic method；ground penetrating radar

TV698.1

B

1671-1092（2016）03-0029-04

2016-01-28

陆 超（1972-），男，广西百色人，教授级高级工程师，主要从事工程检测工作。