河床冲积层物探研究

宰西 黄建国 徐世光 封礼凡

摘 要：河流河床地下空间地质条件对工程影响极大，必须对其下伏岩层条件及其含水性、岩层破碎特征等进行超前探察与判断。基于并行电法探察技术，构建河床地质条件计算模型。通过现场工程应用，综合探察取得了良好的应用效果，该水电站坝址区属于构造侵蚀高中山地形，地形高差悬殊，河谷深切，两岸冲沟水均向河谷排泄。坝址沿线分布有河漫滩，两岸河边有基岩出露，岸坡地形坡度30°～45°。研究结果表明，综合物探方法能够有效探察电站内河床地层的分层性、层厚、分布范围、河流的渗透范围等地质条件，为河床下伏工程施工技术措施制定提供依据。

关键词：河床;冲积层;物探;电站

中图分类号：S157.2           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）08-0144-03

1概况

该电站预可阶段推荐坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高约130m ，水库正常蓄水位660m，装机容量200MW，水库长约30km，总库容12.17×108m3，测试（验）内容：一是通过测试（验）河床（漫滩）冲积层纵波和横波（剪切波）波速，计算有关岩（土）体的物理力学性参数，为工程设计提供依据;二是通过河床（漫滩）电磁波CT测试（验）和跨孔波速测试，分析河床冲积层相对密实情况。

2地质与地球物理特性

2.1地形地质概况

该水电站坝址区属于构造侵蚀高中山地形，地形高差悬殊，河谷深切，两岸冲沟水均向河谷排泄。坝址区河流流向由西向东，河谷横断面总体呈对称的“V”字型，枯水期水位540m，河床宽度80m～150m。坝址沿线分布有河漫滩，两岸河边有基岩出露，岸坡地形坡度30°～45°。

坝址区域出露的基岩主要有：三叠系上统舍资组（T3sa）浅灰色、灰白色中—粗粒长石石英砂岩、泥质粉砂岩、粉沙质泥岩及干海子组（T3g）灰绿、灰黑色泥岩、页岩、粉砂质泥岩夹砂岩及煤线。岩层产状主要为N0 °～20 °W（E）、SW（NE）∠65 °～85 °。

3工作方法与技术

3.1方法原理简述

3.1.1跨孔波速测试

本次测试（验）区位于上坝址左岸河床（漫滩）上，共布置了3个钻孔，根据钻孔间距大小及结合物探测试设备穿透测试距离，经现场试验确定在ZK142～ZK144剖面进行跨孔波速测试;在ZK140～ZK142剖面和ZK142～ZK144剖面进行电磁波CT测试。

3.1.2钻孔电磁波CT

由麦克斯韦方程推导出电偶极子辐射场，再从电偶极子辐射场推出半波天线的辐射场为：

E=E0×eikrf（θ）/R                  （1）

其中：E为观测场强值，k为波数;R为发射点到观测点的距离，R=α+iβ（α，β为电磁波传播介质的相位常数及吸收系数）;E0为与发射条件及介质性质有关的量，当这些条件固定时E0是常数;f（θ）为天线的方向因子。

由于观测只为场强幅值，公式（1）简化为：

E=E0×eβR×f（θ）/R                    （2）

其中：f（θ）=cos（π/2cosθ）/sinθ

3.2资料解释

3.2.1跨孔波速测试资料解释

跨孔波速测试钻孔ZK142～ZK144剖面，间距为9.0m。孔深24.5m以上段为两孔水平穿透;孔深24.5m以下段，为敲击点固定在KZ142孔深24.5m处，而在KZ144孔深24.5m至30.0m按0.5m点距逐点接收测试。由于钻孔ZK142和ZK144孔深19.3m以上为冲积层，需有钢套管护壁，所以该孔段跨孔波速测试，是剪切锤振源紧贴于钢管内壁中敲击，而三分量检波器也是緊贴于钢管内壁接收。剪切锤振源与检波器均未能直接与孔壁紧贴而进行敲击与接收，会使得耦合效果差，造成波的能量传递损失，对测试效果会有一定影响。

按下式计算出弹性波波速：

νp =ι/tp     （3）

νs =ι/ts     （4）

式中：νp——纵波波速，m/s;νs——剪切波波速，m/s;

ι——激发点至接收点的间距，m;tp——接收换能器接收到的纵波传播时间，s;ts——接收换能器接收到的横波传播时间，s。

岩体动弹性模量按下式计算：

Ed=ρ×νs2（3νp2-4νs2）/（νp2-νs2）        （5）

岩体动剪切模量按下式计算：

Gd=ρ×νs2                         （6）

岩体动泊松比按下式计算：

μd=（νp2-2νs2）/（2（νp2-νs2））     （7）

式中：Ed——岩体动弹性模量，kPa;Gd——岩体动剪变模量，kPa;Ed——岩体动泊松比;νp——纵波波速，m/s;

νs——剪切波波速，m/s;ρ——测试岩体质量密度，t/m3。

4成果分析

4.1成果分析

4.1.1跨孔波速测试成果分析

跨孔波速测试钻孔ZK142～ZK144剖面，ZK142为激发孔，ZK144为接收孔，纵波和剪切波波速按公式（3）和（4）计算。相关岩（土）体物理力学性参数按公式（5）～（7）计算。式中计算采用岩（土）体的质量密度值ρ由地质室提供，其中，冲积层（含泥卵、砾石夹中细砂）的质量密度值ρ为2.16t/m3，基岩（中粗粒长石、石英砂岩）质量密度值ρ为2.66t/m3。测试结果分析如下：

（1）孔深4.0～19.0m为冲积层（含泥卵、砾石夹中细砂），测试孔段有钢套管护壁，为水平穿透测试。纵波波速最小值为1.96km/s，最大值为3.05km/s，平均值为2.19km/s;剪切波波速最小值为0.5km/s，最大值为1.16km/s，平均值为0.78 km/s;动弹性模量Ed最小值为1.58GPa，最大值为8.23GPa，平均值为3.88GPa;动剪切模量Gd最小值为0.54GPa，最大值为2.91GPa，平均值为1.37GPa;动泊松比μd最小值为0.39，最大值为0.47，平均值为0.43。总体来看，该测试段波速较低，曲线变化较平缓，剪切波波速随着孔深增大波波速由约0.6km/s增大为约1.0km/s，说明冲积层密实程度随着孔深增大亦随之略有增高。

（2）孔深19.0～30.0m为中粗粒长石、石英砂岩。其中，孔深19.0～24.5m测试段无钢套管护壁，为水平穿透测试;孔深24.5m～30.0m测试段无钢套管护壁，为固定激发点于24.5m斜穿测试。由表中可以看出：该段纵波波速最小值为3.71km/s，最大为4.19km/s，平均值为4.01km/s;剪切波波速最小值为1.70km/s，最大值为2.09km/s，平均值为1.87 km/s;动弹性模量Ed最小值为21.35GPa，最大值为30.75GPa，平均值为25.28GPa;动剪切模量Gd最小值为7.69GPa，最大值为11.62GPa，平均值为9.31GPa;动泊松比μd最小值为0.32，最大值为0.39，平均值为0.36。总体来看，波速曲线变化不大，该段波速较高，说明岩石新鲜，完整性好。

4.1.2钻孔电磁波测试成果分析

（1）ZK142～ZK144电磁波CT。电磁吸收系数色谱图表明：钻孔ZK142孔深约21.0m和ZK144孔深约19.8m连线以上区域，对电磁波吸收相对较强区域，为冲积层（含泥卵、砾石夹中细砂）反映。该区域内介质电磁波吸收系数相对变化较小，无明显异常反映，说明该层巖体较均匀。其中钻孔ZK142孔深约10.5m～18.5m，电磁波视吸收β值≤0.7Neper/m区域，对电磁波的吸收相对略小。钻孔ZK144孔深约19.8m至25.5m，介质对电磁波的吸收相对变弱，说明岩体完整性变好。至钻孔ZK144孔深约25.5m以下介质对电磁吸收相对很小，说明岩体完整性好。

（2）ZK140～ZK142电磁波CT。ZK140～ZK142剖面间距较大，以低频段天线（发射上、下天线长度已达6m，有效测试孔段变短）电磁波才能有效穿透测试。有效测试孔段变短，特别是对于钻孔ZK140，最深测试点刚接触到基岩段。因此，从吸收系数色谱图上看，对冲积层与基岩界面反映不是很清楚;电磁波工作频率降低，分辨率也相应降低，对目的体反映精细程度也差一些。总体来看，钻孔ZK140孔深约13.0m和ZK142孔深约21.0m以上剖面，对电磁波吸收相对较强区域，为冲积层（含泥卵、砾石夹中细砂）反映。该区域内介质电磁波吸收系数变化较小，无明显异常反映，说明该层岩体较均匀。以下区域电磁波的吸收相对略小，说明岩体完整性较好。

该剖面孔深约5.0m以上区域，钻孔ZK142孔深约13.0m与ZK144孔深约22.0m连线以下区域，因测试盲区存在，射线很少，影响资料解释精度。

（3）钻孔电磁波测井。ZK140钻孔测井曲线，测井成果见图1：孔口至孔深约13.2m段，场强值较小，表明该段对电磁波的吸收很强，为含泥卵、砾石夹中细沙组成冲积层反映;孔深约13.2m以下场强值相对较高，表明岩层对电磁波的吸收较弱，为基岩（以长石石英砂岩、粉砂质泥岩等为主）反映。

ZK142钻孔测井曲线，测井成果见图1：该段对电磁波的吸收很强，为含泥卵、砾石夹中细沙组成冲积层反映;孔深约19.8m以下场强值相对较高，表明岩层对电磁波的吸收较弱，为基岩（以长石石英砂岩、粉砂质泥岩等为主）反映。

ZK144钻孔测井曲线，测井成果见图1：孔口至孔深约19.2m段，场强值较小，表明该段对电磁波的吸收很强，为含泥卵、砾石夹中细沙组成冲积层反映;孔深约19.2m以下场强值相对较高，但变化较大，表明岩层对电磁波的吸收相对较弱，局部吸收强，为基岩（以长石石英砂岩、粉砂质泥岩等为主）反映。其中，孔深24.4m～25.8m和孔深34.0m～34.8m两段为相对较强吸收，说明孔壁岩体较破碎或节理发育，岩体完整性相对较差。由含泥卵、砾石夹中细沙组成冲积层表现为对电磁波的强吸收岩体，但在该层内其对电磁波的吸收相对较均匀。

4.2评价

影响本次测试效果及精度的原因主要有：

（1）冲积层测试段因有孔内钢套管影响，测试精度会降低。

（2）因钻孔剖面间距限制，本次跨孔波速测试仅测试了一对剖面，统计分析数据量有限，统计分析结果代表性不强。

（3）受测试盲区影响，解释剖面顶、底部成像精度会受到较大影响。跨孔法测试岩体纵、横波波速，其收发间距受测试剖面钻孔垂直度影响、测试效果受剪切锤激发振源和检波器与孔壁岩体耦合影响等会降低横波测试精度。

5结论

（1）上坝址左岸河床（漫滩）冲积层剪切波波速最小值0.5km/s，最大值1.16km/s，平均波速0.78 km/s;动弹性模量Ed最小值1.58GPa，最大值8.23GPa，平均值3.88GPa;动剪切模量Gd最小值0.54GPa，最大值2.91GPa，平均值1.37GPa;动泊松比μd最小值0.39，最大值0.47，平均值0.43。

（2）冲积层密实程度随着深度增加亦随之略有增大。

（3）冲积层密实度总体相对较均匀，未有明显电磁波吸收异常反映，但随着孔深增加，电磁波吸收略有降低。

参考文献：

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