郭生凯 孙文斌 李长江 徐世业

摘 要：随着地质勘探技术的飞速发展，在水利水电工程建设中的应用日益广泛，因此对该技术的要求亦逐步提高，这就需要技术人员更加精益求精，不断完善勘测技术，创新勘测模式，积极促进整体勘测水平的提高。本文开篇对地球物理勘探的概念进行阐述，并指出这种技术的主要运用方法，结合黄河沙坡头水利枢纽工程的情况探讨其坝基岩体灌浆效果，有着积极的现实意义。

关键词：地球物理勘探 水利水电 应用

在水利水电工程建设中，地质勘测作为基础性工作发挥着十分重要的作用。地球物理勘探作为其中一项重要技术近年来得到业内人士的广泛关注，本文就此给出一些自己的看法。

1 地球物理勘探概述

1.1 地球物理勘探的概念

地球物理勘探在工程建设中的应用十分普遍，通常被简称为物探，指的是通过使用观测仪器对被勘探地区的相关情况进行观测，依据系统全面的数据整理进行分析，用专业化的地质原理对包括位置、埋深、范围大小等具体信息给出科学的解释。地球物理勘探技术贯穿于水利水电工程建设的始终，诸如物探的低成本、轻便及快捷的优势可以加快工程开发的速度。而在现实实践中，根据地质和地形的具体特点，采取相应的物探手段和工具，辅以一定的钻探及坑槽探工作等，可以有效避免因勘探场地布置较大而造成不必要的时间和资金浪费，从而促进勘测工作质量与效率的极大提高。

1.2 地球物理勘探的主要方法

在地球物理勘探的实际应用中，采用较多的是基于位场理论的重力场勘探法、磁场勘探法和直流電场勘探法，以及基于波动理论的地震波勘探法、电滋波勘探法等方法。

1.2.1 重力场、磁场勘测法

这种方法相对于地震勘探法来讲较为古老，并且在精度与可靠度等方面都有一定差距。随着科学技术的不断进步，高精度的重力、磁力仪被研发应用大大提高了重力场、磁场勘探的精度的同时，神经网络技术、磁性矢量层析成像理论尤其是微伽级重力仪等的使用使得微重力测量在洞室勘探、边坡地质体变动形态的监测等方面的勘探工作更加方便可靠。

1.2.2 地震勘测法

在工程地质勘探的过程中利用人工激发震源产生的地震波来进行勘探就叫做地震勘测法。当前形势下，这种方法在水利水电工程建设中的应用日益广泛。较为大型的项目有三峡工程等在进行岩体质量评价时所采用的即是弹性波纵波，并取得了较好得工程效益和经济效益。此外，地震波CT技术在不断发展和应用过程中日益形成较为完整的方法，尤其是其成像方式诸如利用直达波、折射波、面波及反射波等多种波进行组合的同时还可以实现钻孔、隧道、边坡和山体等多种观测手段的结合来进行二维和三维的地质成像，以此促进地质勘测从定性逐步向定量发展。

1.2.3 电磁勘测法

这种方法主要包括利用天然磁场源的电磁测探（即MT 法）以及人工场磁场源的连续电磁波勘探（即EM 法）两种，与其他几种方法相比有着明显的优越性，因而得以在水利水电工程建设中备受青睐。具体而言，这种方法可以实现采用人工和天然的两种场源、多场源，二维与三维电阻率成像技术，并采用可控源的音频大地电磁法等技术在水利水电工程勘探中具有重要的作用，诸如对深埋长隧洞围岩介质的结构、其中的隐伏断层、破碎层和异常区等影响工程的消极因素的检测具有明显的工程和经济效益。

1.2.4 电法勘测法

这一方法实际上是一种对电阻率法、充电法、激发极化法、自然电场法和电磁感应法的统称。其中，电阻率法在水利水电工程建设中的应用较为普遍。近年来，高密度电法勘探得到迅速发展，并在数据采集及成像方式等方面表现出较为明显的优势，逐步实现数据的自动快速采集，及时处理测量结果等等，而实质上其仍旧属于电阻率法的范畴之内。

1.2.5 地球物理测井法

这种方法是随着数值模拟方法和计算机技术的发展而发展起来的，并逐步应用于水利水电工程建设中。而且，钻孔彩色电视的可适范围从之前的90mm钻孔逐步发展到50mm钻孔。不仅如此，地球物理测井法对图像的采集、压缩和存储均实现了数字化后的效果，使图像的后期制作及处理工作成为可能。

2 地球物理勘探在水利水电工程中的应用及效果

结合近年来地球物理勘探在水利水电工程中的应用所取得的地质效果，介绍以下黄河沙坡头水利枢纽工程的坝基岩体灌浆效果。

2.1 工程概况

黄河沙坡头水利枢纽位于黄河干流上，南依香山山脉北麓，北邻腾格里沙漠南缘，东北部为卫宁盆地。该枢纽是一项以灌溉、发电为主的综合利用工程，主要由主坝和副坝两部分组成。其中主坝坝基地层受多期构造运动影响，岩体中隐微裂隙发育，多呈鳞片状。总库容0.26亿m?，总装机容量11.6万 kW，灌溉面积8.95万h㎡。

2.2 地球物理勘探技术的应用及效果

枢纽针对以上情况采取声波测井和地震波CT技术来改善。

2.2.1 声波测井法的应用效果

声波测井是以岩土体的弹性特征为基础，通过测定岩土体的声波传播速度及其它声学特点如声波传播幅度、频率及衰减等的不同，达到研究地层特性的目的。实测工作在钻孔内进行，且由下而上逐点测试，测试点间距0.2 m。声波测井流程为Ⅰ序（选择G2、G4孔）、Ⅱ序（选择G6、G8孔）、Ⅲ序（G9、G10孔）灌浆孔的灌前测试和灌后及J1检查孔测试。

综合分析灌浆孔及检查孔声波检测成果可知，每序孔灌后波速与灌前波速相比均有提高。平均提高率为11.5%～25.7%，最大提高率达52%。J1检查孔测试结果与其较近的G9、G10孔相比，整体波速提高也较明显。

2.2.3 地震波CT技术的应用效果

地震波CT技术是以岩土体的弹性特征为基础，通过测定孔间岩土体的地震波传播速度，进行地震波CT成像分析，达到对孔间岩土体的研究和评价之目的。

坝址右坝肩岩体灌浆区地震波CT测试是在W1和W2钻孔中进行的。每次序CT剖面测试时，首先在W1孔0.0～24.0 m激发，在W2孔0.0～20.0 m段接收，然后互换在W2孔0.0～24.0 m激发，在W1孔0.0～20.0 m段接收。激发震源为雷管，激发间距为1.0 m，接收道间距2.0 m。 W1～W2钻孔间岩体地震波CT测试流程为Ⅰ序孔灌前、Ⅱ序孔灌后（龄期15 d）、Ⅲ序孔灌后（龄期18 d）波速对穿测试。在外业实测的地震波CT原始记录上，读取每一炮点的每一接收道的直达波初至时间。应用“WYS97工程CT软件”进行处理，从而获得W1～W2间每一成像单元的波速值，然后利用SURFER等值线处理软件，绘制出Ⅰ序孔灌前、Ⅱ序、Ⅲ序孔灌后W1～W2间波速等值线图。处理时，采用直射线联合迭代法，岩体空间成像网格单元划分为0.5 m×0.5 m，迭代次数一般为15～20次，计算残差小于3.0。

结合W1～W2钻孔间岩体地质情况，分析Ⅰ序孔灌前W1～W2钻孔间岩体波速等值线分布规律可知，岩体的波速及其等值线形状主要由岩性和岩层倾向控制。孔深小于3.0 m，岩性主要是泥岩和页岩，其岩体平均波速值较低，其值为1 560 m/s；孔深大于3.0 m，岩性主要为砂岩夹页岩、泥质粉砂岩等，其岩体平均波速值均相对较高，其值为2 230～2 820 m/s。波速大于2 600 m/s的封闭等值线形状主要是由W1孔向W2孔倾斜分布，与岩性及岩层倾向基本一致。Ⅱ序孔灌后W1～W2钻孔间岩体波速等值线与Ⅰ序孔灌前的分布规律基本一致，但波速等值线有“上抬”趋势，且波速大于2 600 m/s的封闭等值线的倾斜度变缓。孔深小于3.0 m，岩体平均波速值为1 640 m/s；孔深大于3.0 m，岩体平均波速值为2 420～2 880 m/s。相对Ⅰ序孔灌前整体波速平均提高率为3.6%。Ⅲ序孔灌后W1～W2钻孔间岩体波速值变化不大，相对Ⅰ序孔灌前整体波速平均提高率为4.0%，相对Ⅱ序孔灌后整体波速其平均提高率为0.4%。但W1～W2钻孔间岩体波速等值线的分布规律，与Ⅰ序孔灌前和Ⅱ序孔灌后相比发生了改变，波速等值线的形状由Ⅰ序孔灌前的倾斜分布变为近水平状分布，说明Ⅲ序孔灌后岩体的整体强度得到改善。

结 语

地球物理勘测技术的发展使其在水利水电工程建设中发挥着日益举足轻重的作用，这就要求技术人员及时完善相关知识和技能，降低地质勘查的危险系数，促进地质勘测质量的提高。诚然，地质勘查所涉及的区域大多结构复杂，因此，相关部门应充分考察相应的地质情况，总结系统完善的特点，从而能够及时采取有针对性的方法，不断提高地质勘测数据准确性和完整性，为水利水电工程建设和运营提供良好的信息支撑。

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