关键物探技术在吉林省水利水电工程中的应用

关镶锋，卢长伟，殷 成

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

水利水电系统物探工作始于1955年，在水利水电工程中，物探技术不断进展，经历了从无到有，从小到大，从单一技术发展为综合三维物探技术等。吉林省目前已拥有一支具有水利水电工程勘察特点人才队伍和国际先进仪器设备。吉林水利物探人以市场为导向，立足东北三省，面向全国，本着“创新、求是、发展、升位”的理念，注重发挥水利物探自身技术优势，以优质高效服务，创新技术为驱动，足迹遍布吉林、辽宁、广西、云南、贵州及新疆等地。以水利水电为龙头，专业涵盖国土、公路、铁路、市政、工业与民用建筑、矿产、民航工程等各个领域。

近20年来，随着吉林水利水电大型工程(哈达山水利枢纽、老龙口水电站枢纽、丰满水电站枢纽和中部城市群引松供水工程等等)开展，高、长坝，超长隧洞，软岩基础和复杂基础地区的地质问题突出较多，对应的水利水电物探工作条件更差，难度更大，要求更高。通过大量的工程实践，水利物探队伍经受了锻炼，提高了解决复杂地区工程物探技术解译的能力和准确性，促进了水利水电物探技术的进一步开展和创新。

1 吉林省水利水电关键物探技术的发展

(1)电法勘探(直流传导类、交流感应类)。从最初的DDCA仪器，单纯的做电测深及联合剖面，发展到现行高密度电法仪器，超高密度分布式数字电法仪器，音频电磁EH- 4电导率仪[12- 13]等。从手动量板式解译，更新为计算机数字化的数值计算反演和正演解译。

(2)地震勘探(折射、反射、面波和场地剪切波等)。从零起点，到现在的48道综合工程探测仪，自动采集天然面波三维数字地震仪。从空白开始，经历刘云贞的CSP3，CSP5等傅立叶变换解译，到GeoRwa4.0、Winseis4.0及娇佳软件公司专业解释软件的反演、正演解译。

(3)探地雷达(宽角、环形及剖面等)。从零起点，到现在意大利的博泰克仪器，以及相关采集和处理软件K2FastWave、GresWin2。

(4)层析成像(声波、地震波及电磁波等CT)。从零起点，到现在王运生的跨孔CT。

(5)弹性波孔内测试(声波、地震波等)。装备完成了机械化到智能化转变，测试完成了二维到三维(三分量检波器)的转变。

(6)测井(声波、钻孔电视、井斜、地震波等)。从零起点，到现在武汉长盛的智能钻孔电视，三轨迹记录，摄像及录像。

(7)无损检测技术。吉林省水利水电勘测设计研究院经10多年的研究实践，开发了《垂直防渗体质量无损检测技术系统》，并获得相应的方法技术专利证书(专利号：ZL2004100107804)；利用双排列设计技术对防渗墙进行直接连续扫描，检测防渗体的成墙质量情况，是准三维检测模式，三维剖分使得防渗墙周围的岩土体影响及体积效应减至最小，现又进行了升级研发。

以上水利水电物探技术综合应用目前能很好的解决各种工程中覆盖层、隐伏构造破碎带探测、软弱夹层探测、滑坡体探测及地下水、岩溶区、采空区探测、岩体风化带、岩体结构的分类和评价、卸荷带探测、洞室松动圈探测、堆石坝面板裂缝探测和大坝堤防填筑质量检查等。

图1 3#主洞下游重点施工段剖面图

针对工程质量可完成岩体质量、灌浆效果、防渗墙、防渗线检测及地基(桩基)承载力测试、桩基完整性测试和混泥土质量、锚杆质量、钢筋与混泥土接触状态等检测等。

为工程地质和施工地质提供各种所需的岩土物理和力学参数、电性参数及质点震动参数、其他工程参数测试可靠数据。

2 工程应用

2.1 辽西北供水工程电法勘探技术

4～6隧洞3#主洞根据前期勘察报告及目前开挖揭露情况，初步判断3#主洞下游施工掌子面至桩号D188+100段围岩岩性为白云岩、白云质灰岩块石夹碎石土，推测为岩溶塌陷堆积体，大部分为泥质胶结，堆积密实，如图1所示。成洞条件极差，易产生塑性变形，如遇地下水极产生大规模坍塌。因此，该段是3#主洞重点施工段。根据前期勘察成果，本段未见地下水，故本段主要工程地质问题是围岩稳定问题。

吉林省水利水电勘测设计研究院物探应邀补充勘探，主要针对工程不良地质条件洞段进行物探重新探测，采用大地电磁法查明隧洞沿线地质构造带、不整合接触带、地下水富集带以及岩体风化状况。工程正处在东北地区冬季施工中，工期要求紧，为使隧洞施工提前采取相应的工程解决方法，为隧洞安全施工提供有利保障。通过创新措施，加长电极，穿过冰冻屏蔽层进行补勘工作。首次解决了冬季冻层屏蔽无法探测的难题。物探勘探解译和地质效果如图2、3所示，揭示成果见表1。

参考前期资料，本次补充物探初步推断桩号187+380～188+430段隧洞岩体大部分破碎，只有少量区段较完整，具体分析如下：

桩号187+550处呈低阻(ρs<4000Ω·m)异常反映，解译推断为hf87构造异常带，沿洞轴线影响范围约230m(桩号187+478～187+708)。

桩号187+808处呈低阻(ρs=100～4000Ω·m)异常反映，解译推断为f1构造异常带，沿洞轴线影响范围约40m(桩号187+790～187+830)。

桩号188+177处呈低阻(ρs<1500Ω·m)异常反映，解译推断为f2构造异常带，沿洞轴线影响范围约80m(桩号188+118～188+198)。

桩号187+950处呈低阻(ρs<1500Ω·m)异常反映，结合前期勘察资料成果推测，该处为白云质灰岩与砂砾岩岩性接触带，两种地层岩性为断层接触关系，因此，该部位呈低阻异常反映。桩号187+922～187+987范围内，电阻率小于1000Ω·m，推测分析该段为构造影响带，带内可能含水。

图2 4～6隧洞3#主洞桩号187+380～188+430段EH- 4物探解译图

图3 4～6隧洞3#主洞桩号187+380～188+430段物性-地质图

桩号实际揭露围岩类别补勘推测围岩类别初设推测围岩类别起始终止fflbWVfflbWVfflbV187+488187+8183308322127203187+818187+8543623436187+854187+89642182442187+896187+9162016420187+916187+97357134457187+973188+0386523422045188+038188+045777188+045188+0692424213188+069188+0892020119188+089188+20011129821029188+200188+43023028202230合计111313518121409412332188422所占比例/%0.120.330.550.130.430.440.350.200.45

桩号188+402～188+430段、188+118～188+198段，电阻率小于1500Ω·m，明显偏低，推测分析为岩体破碎，破碎带内含水。

2.2 吉林省中部引松供水工程地震勘探技术

复核引水洞轴线遥感解译构造，根据测区地形、地球物理条件及任务情况，采用地震反射波法勘探。根据遥感解译的构造F28规模及现场条件布置地震勘探线F28ZFI。主要投入使用的仪器设备有：SE2404型地震仪，所使用的仪器，使用前均做了校验工作，各项技术指标均达到技术规范要求，性能稳定。采用6次覆盖连续CDP迭加剖面法。采集道数12道；道距2m，采样率1024点；采样间距0.5ms；48Hz垂直检波器；震源采用锤击震源结合小药包爆炸震源。其中F28ZFI勘测线地震发射解译图如图4所示。

F28ZFI处勘探线CDP剖面桩号120～160m处，反射波同相轴错动、紊乱能量不均，解释推断为F28断层构造，与遥感解译的F28断层相符。断层影响宽度均10～30m，走向为NE；倾向为SE，倾角为35°～45°。与引水洞轴线桩号55+687m处相交。

经吉林省中部城市引松供水工程设计划分TBM3标段(桩号48+900～71+855)，长22955m，施工开挖结果揭示，同前期勘察推断结论基本一致。

2.3 松花江干流防渗墙工程无损检测技术

防渗墙是我国水利水电工程建设中普遍采纳的一种基础防渗处置方式，其质量好坏直接关系到工程与人民大众生命财产安全。因为防渗墙体属于地下隐蔽工程，施工完成后防渗墙体均被后续工程掩盖或仅上部出露，所以难以采用常规工程检验办法来直接对其进行质量检测和评定，具有高风险和不可见性。

钻孔或开挖检测办法，一是会对工程构成难以恢复的破坏；二是检查人财物消耗高，效率也极低。所以，采用无损检测技术的办法来检验防渗墙体的工程质量，来评估工程整体质量己成为业界的刚性需求。

通过对地下防渗墙发生渗漏时水中微弱离子的运动进行高灵敏度量测，从而探测防渗墙体结构存在的渗漏情况。即便是轻微的渗漏，也会由于水离子的运动，产生整个地层电场的变化，对于此变化，通过无损检测系统高精度量测，可以把握电场异常的位置，从而探到渗漏点。

针对防渗体连续性、完整性及深度检测要求，建立如图5、6所示地电模型：

图5 防渗体双排列测试模型

图6 静电场分析模型

系统设计双排列，当点电源放置在垂直分界面左侧地层的A1(I)点时，A到分界面的距离为d，其中假设A点下方的电阻率为ρ1，点电源A1下方的电阻率为ρ2，求解ρ2的地层中某一点M2的电位U2，利用镜像法，求解电位在空间的分布。可得知：

U2=(Iρ2/2π)(1-K12)/r2

式中，1-K12=2ρ1/(ρ1+ρ2)

可见当ρ2→∝时，1-K12→0，U2→0

当测量电极MN分别处在防渗体两侧时，△U=U1-U2取最大值。按照公式ρ=K*△U/I，推出△U取最大时，视电阻率取值最大。

因为防渗体在地层中的延伸是有限的，因而U2的值不会为0，然而由于防渗体的存在使MN横跨在界面两侧时，△U相对变大，这就是在防渗体位置出现相对周边岩土体不同的电阻性反映(一般为高阻)。

设计文件要求检测本工程截渗墙深度是否满足设计要求，是否连续。工程检测验证效果如图7所示。

该段检测结论：

桩号0+400～0+434段墙体埋深9.0m；且连续防渗，期间个别施工组存在角度偏差，较完整。

桩号0+436处空桩，且存在渗漏场，该处不连续。

桩号0+448～0+458段埋深2～8m处存在断桩，且存在渗漏场，连续性差，没有满足设计要求。

3 结语

关键物探技术随着计算机技术的日新月异，开展和应用将日益广泛。通过努力创新，关键物探技术在吉林省水利水电工程，取得了较大的综合效益，并成为其中不可缺少的重要部分，尤其在比较复杂的地质条件地区，起到了巨大的指导作用，发挥了重要的作用。同时不同的物探技术方法，在不同的方面有自己的优势和局限性。

图7 吉林省松花江农安县小尹家段检测结果与开挖验证图

无损检测技术能较好的解决防渗体质量存在的问题且对环境和基础设施无损害。依据检测数据求解检测目标体的问题，就是地球物理场的检测反演问题，其存在多解问题。应多考虑反演的复杂边界条件，结合正演，来收敛反演的多解，或增加相应的物理检测手段互相印证，来进行综合分析评估。