梁 潮 黃鶴尤

(廣西南寧水利電力設(shè)計院 南寧 530001)

巖溶地區(qū)的水利水電工程地質(zhì)勘察,與非巖溶地區(qū)的工程地質(zhì)勘察相比有三個特點(diǎn)。

一、它不僅要對各種基礎(chǔ)地質(zhì)條件進(jìn)行勘察,更重要的是圍繞巖溶發(fā)育和巖溶水文工程地質(zhì)條件進(jìn)行勘察。

二、為研究巖溶滲漏問題,勘察范圍較非巖溶地區(qū)要適當(dāng)擴(kuò)大,不能以地形分水嶺所包圍的范圍為限,一般均應(yīng)包括水庫兩岸的低鄰谷。

三、因?yàn)閹r溶發(fā)育在空間上的不均一性,尤其巖溶水文地質(zhì)條件更為復(fù)雜,很難用一般的勘察手段來查明,必須利用多種勘察手段和方法進(jìn)行綜合研究。

本文只對第三個特點(diǎn)進(jìn)行介紹。通常情況下,巖溶地區(qū)的勘察可利用鉆探、水文地質(zhì)試驗(yàn)和物探等方法進(jìn)行,對各種勘探成果進(jìn)行對比研究、相互借鑒,綜合分析判斷,這樣,勘察成果才能更可靠、更準(zhǔn)確。

1 水利水電工程中幾種勘察方法的作用

1.1 鉆探的作用

鉆探是采用鉆機(jī)設(shè)備從地表向地下鉆進(jìn)成孔,獲取地面以下淺部及深部地層、構(gòu)造及巖溶水文地質(zhì)資料的重要手段。

按鉆探的目的可分為:地質(zhì)鉆探,水文水井鉆探,工程勘察鉆探,石油鉆探等等。

對于電站、水庫、渠道等水利水電工程以及港口工程、高層建筑、鐵路、公路工程等,一般采用工程勘察鉆探:通過鉆孔取得巖芯、土樣進(jìn)行物理性質(zhì)分析從而判斷其地基基礎(chǔ)是否滿足工程建設(shè)的承載力和穩(wěn)定性要求。

鉆孔不但可以對各種巖性進(jìn)行分層,還可以探查巖溶發(fā)育的規(guī)模、高程、溶洞充填物性狀,同時還可進(jìn)行各種水文地質(zhì)試驗(yàn)、物探試驗(yàn)以及利用鉆孔進(jìn)行地下水長期觀測,達(dá)到一孔多用的目的。

1.2 水文地質(zhì)試驗(yàn)的作用

在水利水電工程中,對基巖進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)多采用鉆孔壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)。

壓水試驗(yàn)是用高壓方式把水壓入鉆孔,根據(jù)巖體吸水量了解巖體裂隙發(fā)育情況和透水性的一種原位試驗(yàn)。

抽水試驗(yàn)是從鉆孔或試井抽取一定水量,而在某距離上各觀測井測定各時間點(diǎn)地下水位的變化,依據(jù)觀測數(shù)據(jù)利用各種地下水流理論或其圖解法分析抽水試驗(yàn)的結(jié)果。

1.3 物探試驗(yàn)的作用

物探是地球物理勘探的簡稱,它是以各種巖石和礦石的密度、磁性、電性、彈性、放射性等物理性質(zhì)的差異為研究基礎(chǔ),用不同的物理方法和物探儀器,探測天然的或人工的地球物理場的變化,通過分析、研究所獲得的物探資料,推斷、解釋地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)分布情況。

目前主要的物探方法有:重力勘探、磁法勘探、電法勘探、地震勘探、放射性勘探等。

依據(jù)工作空間的不同,又可分為:地面物探、航空物探、海洋物探、井中物探等。

地球物理勘探所給出的是根據(jù)物理現(xiàn)象對地質(zhì)體或地質(zhì)構(gòu)造做出解釋推斷的結(jié)果,因此,它是一種間接的勘探方法,具有多解性,故一般應(yīng)盡可能通過多種物探方法或與鉆探結(jié)合,進(jìn)行對比研究,在綜合分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷。

2 實(shí)際工程中的應(yīng)用

2.1 南寧某電站的應(yīng)用

2.1.1 工程概況

該電站位于地下河出口處,為該電站所在河流水能開發(fā)規(guī)劃的第三級,是一座以發(fā)電、灌溉為主的小型水利水電工程。壩型為混凝土漿砌石壩、均質(zhì)土壩。

2007年3月,汛期來臨時,在建中的該電站右土壩段出現(xiàn)塌陷,壩后出現(xiàn)管涌,壩頂沉陷,為解除險情,于左壩端破壩泄洪。鑒于該電站屬應(yīng)急搶險工程、有加固要求的現(xiàn)狀且處于巖溶地區(qū),主管部門要求對水電站壩址進(jìn)行勘探,查清壩軸線的基巖巖溶發(fā)育情況,為設(shè)計變更及施工提供依據(jù)。

2.1.2 地質(zhì)條件

電站壩址區(qū)地形屬峰林谷地地貌,壩址前為地下河出口,水面高程98.6m,壩下游河道發(fā)育于谷地之上,電站庫區(qū)處于地下暗河出口處和部分上游暗河段。

壩址地層由石炭系上統(tǒng)厚層狀生物碎屑灰?guī)r(C3)(第③層)和第四系殘坡積層可塑～硬塑狀粘土 (第②層)覆蓋層組成,大壩壩體由漿砌石(Qs,第①-1層)及人工填土 (Qs,第①-2層)組成。壩址區(qū)發(fā)育有兩條斷層,其一是壩前 (暗河出口)北西～南東向平移斷層 (F1);推測另有一北東向斷層 (F2),走向沿暗河順灰?guī)r層面延伸(即巖層走向),性質(zhì)不明。

兩條斷層于壩址西南方庫岸公路處相交,相交處附近垂直節(jié)理發(fā)育,相應(yīng)地下暗河出口處有泉水出露,略成線狀分布。壩基巖體的整體性較好。壩區(qū)地下水以巖溶溶洞水為主,巖溶裂隙水次之。

2.1.3 鉆探和壓水試驗(yàn)

該電站壩軸線布置8個鉆孔、迎水坡及背水坡各布置1個鉆孔。對鉆進(jìn)過程及鉆孔進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)壩址巖溶發(fā)育情況為裂隙發(fā)育。另外,鉆探過程中對基巖進(jìn)行了壓水試驗(yàn),各鉆孔的壓水試驗(yàn)統(tǒng)計見表1。

表1 鉆孔基巖壓水試驗(yàn)匯總表

從表1中的透水率q值可以看出,壩基下伏石炭系上統(tǒng)厚層狀(C3)生物碎屑灰?guī)r(第③層),除zk3、zk7、zk8號鉆孔處部分巖體的透水率為0.36～6.89Lu外,整個壩線上其余地段的巖體透水率均為10.24～695.47Lu,滲透性等級為中等～強(qiáng)透水(＞10Lu)。

2.1.4 物探

但是,鉆孔畢竟只是在一個“點(diǎn)”上,10個鉆孔充其量也只是10個“點(diǎn)”,如何確定在壩軸線上其余地段灰?guī)r巖溶發(fā)育的情況呢?勘察單位在鉆探成孔后,委托某巖溶研究所對這10個鉆孔進(jìn)行了孔間電磁波透視隱伏巖溶調(diào)查。

工程區(qū)電磁波CT實(shí)測資料的統(tǒng)計結(jié)果表明,兩孔間距小于30m時(本工程壩軸線上鉆孔間距大多小于或接近30m),灰?guī)r中的裂隙帶對電磁波吸收較強(qiáng)烈,一般場強(qiáng)幅值在-80～-127db/m之間變化。由測試結(jié)果可知,裂隙與灰?guī)r(圍巖)對電磁波的吸收能力存在差異,因故,對本工程區(qū)為了區(qū)分裂隙、灰?guī)r而開展的孔間電磁波透視及CT掃描探測具備地球物理勘探的前提條件。

(1)觀測系統(tǒng)

孔間電磁波透視及CT掃描探測采用一孔定點(diǎn)發(fā)射,另一孔移動接收測量;或一孔定點(diǎn)接收,而另一孔移動發(fā)射的方式;發(fā)射和接收點(diǎn)距均為1m。為提取參數(shù),分析各孔發(fā)射耦合情況,進(jìn)行了局部的發(fā)射孔與接收孔互換測量和水平同步測量、斜同步(高差同步)測量。其中,斜同步測量的發(fā)射點(diǎn)高于接收點(diǎn)或接收點(diǎn)高于發(fā)射點(diǎn)?；Q測量是在接收孔內(nèi)定點(diǎn)發(fā)射,發(fā)射孔全孔段接收,發(fā)射點(diǎn)距3～2m。水平同步觀測方式的發(fā)射(接收)點(diǎn)距均為1.0m。

(2)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)不同巖溶地區(qū)試驗(yàn)孔的發(fā)射頻率在5～25 MHz之間的試驗(yàn)孔的觀測資料可知,發(fā)射頻率在5～25 MHz范圍內(nèi),接收機(jī)可接收到高品質(zhì)的有效觀測值。

因此,發(fā)射點(diǎn)采用偶極天線,接收點(diǎn)采用相應(yīng)頻段的鞭狀天線。最大發(fā)射功率為10W。

(3)完成工作量

物探野外作業(yè)按《水利水電工程物探規(guī)程》(SL326-2005進(jìn)行,共完成電磁波CT成像9個孔對5866個射線對(物理點(diǎn))。

(4)數(shù)據(jù)處理及解釋

處理流程為:數(shù)據(jù)傳輸→切割頻率(選取對異常反映最好的頻率)→網(wǎng)格劃分→CT計算(ART或SIRT)→輸出結(jié)果,分別采用1.0m×1.0m和2.0m×2.0m的正方形網(wǎng)格及代數(shù)重建法(ART)和聯(lián)合代數(shù)重建法(SIRT)。經(jīng)對計算的四種結(jié)果比較認(rèn)為:按1.0m×1.0m邊長的正方形網(wǎng)格劃分吸收系數(shù)計算單元,并進(jìn)行代數(shù)重建(ART)迭代反演計算,求出的各網(wǎng)格單元的吸收系數(shù)值更為細(xì)致可靠,因此將其作為本次數(shù)據(jù)處理的基本模式。

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果,電磁波CT層析成像(如圖1所示)上的高吸收系數(shù)(吸收系數(shù)值大于0.197～0.274db/m)區(qū)呈紅色、黃色、白色封閉圈,定為溶洞或裂隙帶或溶洞充填泥。低吸收系數(shù)(吸收系數(shù)值小于0.186～0.131db/m)呈藍(lán)色、淺藍(lán)、綠色,定為完整灰?guī)r。

根據(jù)電磁波CT成像圖及鉆孔資料,可將地質(zhì)剖面上的巖土體劃分為兩個類別:完整灰?guī)r;溶洞裂隙帶。在9個透視剖面中揭露裂隙、溶洞共37處,其中巖面附近有7處,鉆孔間有30處。揭露并給出了溶洞裂隙發(fā)育的大小、高程、邊界位置、分布和延伸形態(tài),同時也驗(yàn)證了壩頂沉陷部位的zk5～zk6～zk7與zk9～zk6～zk10兩組相交透視剖面上裂隙的空間分布形態(tài)及裂隙與其巖面的接觸關(guān)系,查明了完整灰?guī)r、溶洞及裂隙的發(fā)育位置、基巖面的起伏情況,提供的CT計算結(jié)果直觀、針對性強(qiáng),為下一步大壩防滲處理提供了依據(jù)。

當(dāng)庫水位上升、靜水壓力加大時,巖溶水易沿裂隙發(fā)生滲漏。此次土壩段壩頂出現(xiàn)沉陷,就是因?yàn)閦k5～zk6～zk7與zk9～zk6～zk10剖面相交部位恰好有1個裂隙帶發(fā)育在基巖面附近,由于水流攜帶、淘空底部土體從而導(dǎo)致土壩壩底被擊穿,從而引起壩頂沉陷。施工時,應(yīng)對上述裂隙進(jìn)行灌漿加固,防止壩體被淘空產(chǎn)生塌陷,危及壩體安全。

本次孔間透視,利用先進(jìn)的數(shù)字成像技術(shù),揭露的巖面附近和深部裂隙的規(guī)模、邊界清晰,可對揭露的裂隙進(jìn)行逐個灌漿堵漏,保證壩體安全性,提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 zk4～zk5號孔間CT層析成像圖

3 結(jié)語

壩址所處位置為巖溶發(fā)育區(qū),地下暗河、潛流變化無常,基巖的巖溶通道連通性較好。在電站水位抬高后,易造成上游水流在高水壓的條件下帶走壩址區(qū)基巖表層巖溶裂隙里的充填物、對壩基上的松散人工堆積物進(jìn)行淘蝕,從而威脅大壩的安全。此次勘探,鉆探、水文地質(zhì)試驗(yàn)和物探結(jié)果相互補(bǔ)充、驗(yàn)證,較好地反映了壩軸線下伏基巖的巖溶發(fā)育情況,為對壩基表面的巖溶溝槽進(jìn)行清理、用混凝土代替巖溶溝槽中的松散充填物,或進(jìn)行一定深度的帷幕灌漿;對土壩段人工填土(①-2層)進(jìn)行高壓噴射灌漿,使其形成防滲墻,或?qū)⑼翂味胃慕闈{砌石壩等建議的提出提供了可靠的依據(jù)。

1 鄒成杰,張汝清,光耀華等.水利水電巖溶工程地質(zhì)[M].北京:水利電力出版社,1994.