强化物探技术工作 提高地勘成果质量

强化物探技术工作提高地勘成果质量简介：中水北方公司坐落于天津市区，是由成立于1954年的水利部甲级勘测设计科研单位——水利部天津水利水电勘测设计研究院（历史沿革见表1）改制组建的，以水利水电勘测、设计、科研为主，跨地区跨行业多种经营的科技型企业。首批取得国家计量认证合格证书，通过GB/T19001质量体系认证。经国家对外贸易经济合作部批准，具有独立开展对外经济技术合作业务的资格。自1992年以来，连续八年被评为中国勘察设计综合实力百强单位。科技档案管理达到国家一级标准。

关键字：物探技术地勘成果质量1

简介物探总队隶属于中水北方勘测设计研究有限责任公司（简称中水北方公司）勘察院。中水北方公司坐落于天津市区，是由成立于1954年的水利部甲级勘测设计科研单位——水利部天津水利水电勘测设计研究院（历史沿革见表1）改制组建的，以水利水电勘测、设计、科研为主，跨地区跨行业多种经营的科技型企业。首批取得国家计量认证合格证书，通过GB/T19001质量体系认证。经国家对外贸易经济合作部批准，具有独立开展对外经济技术合作业务的资格。自1992年以来，连续八年被评为中国勘察设计综合实力百强单位。科技档案管理达到国家一级标准。

表1

中水北方公司历史沿革概况时间名称地址人数1954.3.8水利部北京勘测设计院北京西长营10001958.3-1964.8水电部北京勘测设计院北京六铺炕62961964.8.15-1970.9水电部海河勘测设计院(由北京院分出)北京六铺炕6081970.10-1979.2水电部十三局勘测设计院(海河院下放成立)山东德州5441970.12-1979.2水电部十一局勘测设计院(北京院水科院下放组建)河南三门峡5001979.3.5水电部天津勘测设计院(十三局院与十一局院组建)天津龙潭路17041979.5-1982.3水利部天津勘测设计院天津龙潭路17041982.4-1991.10水利电力部天津勘测设计院天津洞庭路18851991.11.10-1992.9水利部能源部天津勘测设计院18541992.10.1-1996.9.9水利部能源部天津勘测设计研究院18081996.9.10-2003.1.6水利部天津水利水电勘测设计研究院123911592003.1.7-2004.2.19中水北方勘测设计研究有限责任公司11462004.2.20-至今1135公司实力雄厚，专业齐全，技术精湛，诚信服务。目前持有水利、电力、建筑、水运、公路、市政、农林等七个行业各类资质证书近20份。先后承担完成国内、外各类工程数百项，并与世界几十个国家和地区进行技术交流和考察，数次代表我国政府对援外工程组织竣工验收工作。般1廉9叫7吸8穷年政以帜来轰，之累功计予荣倒获患部务级团以扫上踏科残技梦奖黎励六9两6番项仍，纹其衡中农国肝家减级嫩奖蜡励搁3怜1狡项索，欠国沫家漆级大金层奖稻、偶一哀等部奖狭9慧项倦，忘多艰项谨成溜果谅达忆到腿国图际找先骡进矩和另国诊际粒领势先扑水洁平崖。贯目咏前降，纠中拦水专北糟方庆公枯司鞭所按具行有写的拦人吐力究资船源医为灿：叙在枝册垄职店工哈1陈1仆3欣5斤人白；土中牲国隶工帝程蹄院齿院页士蝴1赠人典；离中从国镜工络程晓设伯计墓大纲师别3诱人绘；血享归受愁政赴府墨特惠殊段津贫贴他专掀家朗4贝0丢人女；破国跃家木级宜中挨青萄年搏突像出现贡爷献播专证家在2腥人碌；底天悉津仇市且政呀府丰授由衔再专诱家狐2膜人装；税享榆受陪教鹅授翻、肚研械究怎员朴同秃等冈待证遇拿高锅级灯工份程弓师赢4非9笨人拆；阵高踢级昂专哑业历技承术崇人田员溉3弃7茧5睛人担；家注石册界咨灯询熄工旅程絮师找(未投肾资史)奖6训人剥；减国后家毅一善级裕注喝册吓结盼构熔师则1瓣4膀人蔽；宪国晨家访一缺级丝注鹅册廊建界筑榨师披5懒人焦；农造奖价皆工谅程酱师狭（临含嘱水枕利针）逼3巨4腥人载；捷水方利夹工臂程铺建杀设谎监滋理凯工描程廊师吨8烈2藏人扑；勺水霜电醋监籍理偷工治程哈师阴4造0鼻人踩；仿监教理惊工辟程贫师魄（搬建圈设喷部喝）钟1慎1冷人糖；恒水峰利霸工袖程冷设循备鸦制留造旁监代理件工杂程嘱师液5弃5界人鼓。汇物新探渣总冻队籍系还从畏事初工磨程稀物租探仍与梯工嘉程幸检愁测锁的盼专握业冈单甜位瞒。特除祝享缩用杨中糠水湖北妙方俊公袄司毯所贱有讨工售程反建猪设撇与灰地碌质乏勘滔察伴等弟级康证今书寨外冻，然还拢持卧有访工感程卖基驶桩腔动滴测绞单汤位页资让质阁证孙书吴等匆。轰拥付有脊先兴进网的观技同术袜装离备质、曲丰董富退的记工压程乖实册践昌经泉验淘，剖并传在逝生淋产缠实阳践豪和引科喉学胞技孟术凶研化究渴中谦，亦逐纳步侧形闭成奥了叨自渡己天的遭管争理毫体灰系复和旷技熄术笑特增色吴。判截裹至论2坐0趟0绝4枝年开8极月泉底容，初物者探狡总掏队罢在迫职妖职铲工附总渐数车2损2轮人裕，勒专削业浊技瞒术宋人陈员创占停9牧1院%疫，甚其怒中笔高生级钟工耗程矛师泻1佳1绪名酬，纤工调程革师洲6坚名惑，谈助造理慌工茧程资师禽3络名烟，释技核术非工嘉人少2认名池。笼同旺时为部摔分祝职俭工器拥昆有碗水木利糠水袜电吼工扣程果监举理凉工抄程约师葬证娇书含、盟项盾目临经份理索证砖书磁等擦。兴2立

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中水北方公司物探检测参数一览表方法类别地震类直流电法类电磁类检测类放射类综合测井测试参数纵波速度；横波速度；面波速度；动泊松比；动弹模量；波周期；波振幅；卓越周期；沙土液化参数；地震小区划参数；等。电阻率；电导率；极化率；一次电位；二次电位；电位差；半衰时；电流值；等。电磁波速度；电磁波走时；等。回弹值；抗压强度；砼强度；砼内部钢筋分布；沙浆强度；基桩（或砼）缺陷；基桩或地基承载力；地下管线定位及埋深；等。自然伽玛；氡气强度；α射线强度；以及对工程和生活环境影响的放射性强度。流量；流速；流向；井径；井温；井斜；波速；电测井；钻孔电视录像；等。3

近年完成的物探成果地球物理勘探专业是中水北方公司地质勘查的重要手段之一，通过对工程对象的全面测试可以取得较为完整的数据资料，再经综合分析和深入研究，可对工程建筑物的地质环境或工程质量做出科学评价，为工程规划、设计、施工和安全运行提供科学依据。近年来，配合中水北方公司地质勘查、水能规划、设计、施工等专业，先后完成了黄河万家寨水利枢纽、黄河大柳树水利枢纽、石漫滩水库、黄河沙坡头水利枢纽、马来西亚里瓦古水电站、黑河正义峡水利枢纽、北京永定河堤防、永定新河堤防、云南李仙江戈兰滩水电站等十几座大型水利水电工程的规划、可行性研究、初步设计、施工详图阶段的物探勘查和建基质量物探测试工作。与此同时，还完成了南水北调中线天津干渠、南水北调东线、新疆艾比湖生态保护、引滦入津州河暗埋段改线、万家寨引黄入晋工程等大型跨流域调水工程的地球物理勘探工作。在涉外项目中，完成了马来西亚里瓦古水电站、刚果英布鲁水电站、佛得角圣地亚哥岛泡衣崂水库、毛里塔尼亚阿塔尔水库、巴基斯坦高摩赞水电站等工程的地球物理勘探和工程监理工作。随着改革开放的不断深入，积极拓宽物探技术服务市场，逐渐开展岩土工程测试，已完成了数百个工民建项目的基础质量测试和建筑物结构质量评价等技术工作。通过科学实践，丰富了经验，锻炼了队伍，为适应社会主义市场经济的发展奠定了坚实基础。上述工程项目的勘查和测试中，由于物探工作的投入及其高质量的物探成果，使得地质勘查质量得到了很大提高和加强，如：①黄河大柳树水利枢纽工程综合物探报告荣获水利部1996年度科技进步三等奖；②石漫滩水库工程勘察获水利部2000年度优秀工程勘察铜质奖；③黄河万家寨水利枢纽工程勘察获水利部2004年度优秀工程勘察金质奖；④海河流域平原区堤防工程堤身土体质量及堤基工程地质研究获天津市2003年度优秀工程咨询一等奖（全国优秀工程咨询成果三等奖）。与此同时，获得院级和委级优秀勘查或优秀咨询项目多项。参加修订和编写水利部行业标准《水利水电工程物探规程》与《堤防隐患物理探测规程》等。4

新技术新方法引进与应用4.1

地质雷达技术地质雷达与探空雷达相似，利用高频电磁波(主频为数十数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线(T)向地下发射，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天线(R)接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。地质雷达作为近十余年来发展起来的地球物理高新技术方法，以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图象显示等优点，已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，并在工程实践中不断完善和提高。我公司引进地质雷达后，结合水利水电工程特点，先后在海河流域平原区进行了约400km长的堤防工程质量检测和数十项岩土工程勘察测试工作，取得了良好的应用效果和经济效益。如在永定河堤防质量探测中通过雷达探测并经反射层拾取和时间剖面的解释，取得以下结论：⑴根据雷达图像分析认为，对应剖面由浅至深为：①第一同相轴(<4ns)为雷达波初始信号；②第二同相轴和第三同相轴(<12ns，层厚约0.40m)呈现出宽粗、强振幅，且连续可追踪的水平层状，该同相轴推测为浆砌石在雷达图像上的反映。尤其是第三同相轴有时出现不连续段或缺失或杂乱无章时，即可推定此处浆砌石质量差或与堤身土体分离形成架空等现象；③新人工填土：反射层位不连续，起伏变化较大，有时杂乱无章，反映该层填土不均匀，层位不稳定，时有透镜体的形式展现，该层厚度大约为2～4m；④老人工填土：反射层位连续且稳定，层内介质变化不大，反映出该层填土较均匀，已形成相对密实的地层，该层厚度大约为1～3m；⑤自然地层：即堤基持力层，反射明显，层位稳定，未见层内介质突变或不均匀的现象，反映出自然地层沉积环境较好，密实度相对较大等，此层顶面埋深大约为４～５m。⑵通过雷达测试成果的地质解释共圈定出73处浆砌石存在不同程度的隐患或质量较差，这些隐患的类型一般为：①浆砌石厚度较薄；②浆砌石与下部土体分离形成架空；③浆砌石胶结不良或松散；④浆砌石出现裂缝等不良现象。4.2

面波探测技术面波勘探，也称弹性波频率测深，是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。人们根据激振震源的不同，又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的，只是产生面波的震源不同罢了。面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的纵波（P波）和横波（S波）不同，它是一种地滚波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫波是由SH波与P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波与P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r-1/2成正比，因此比体波（P、S波∝r-1）的衰减要慢得多。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约为一个高度为λR（R波长）的圆柱体向外扩散。在各向均匀半无限空间弹性介质表面上，当一个圆形基础上下运动时，由它产生的弹性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）计算出来，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是说，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作为勘探方法，其信噪比会大大提高。综合分析表明R波具有如下特点：①在地震波形记录中振幅和波组周期最大，频率最小，能量最强；②在不均匀介质中R波相速度（VR）具有频散特性，此点是面波勘探的理论基础；③由P波初至到R波初至之间的2/3处为S波组初至，且VR与VS具有很好的相关性，其相关式为：VR=VS·（0.87+1.12μ）/（1+μ）；

式中：μ为泊松比；此关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用；④R波在多道接受中具有很好的直线性，即一致的波震同相轴；⑤质点运动轨迹为逆转椭圆，且在垂直平面内运动；⑥R波是沿地表传播的，且其能量主要集中在距地表一个波长（λR）尺度范围内。依据上述特性，通过测定不同频率的面波速度VR，即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数，达到岩土工程勘察之目的。我们经过几年的实践和初步研究，面波探测技术已成功地应用于水利水电工程以及有关领域的岩土工程勘察中，大致可分为以下方面：①查明工程区地下介质速度结构并进行地层划分；②对岩土体的物理力学参数进行原位测试；③工业与民用建筑的地基基础勘察；④地下管道及埋藏物的探测；⑤地下空洞、岩溶、古墓及废弃矿井的埋深、范围等探测；⑥软土地基加固处理效果评价及饱和砂土层的液化判别；⑦公路、机场跑道质量的无损检测；⑧江河、水库大坝（堤）中软弱夹层的探测和加固效果评价等；⑨场地土类别划分及滑坡调查等；⑩断层及其它构造带的测定与追踪等。4.3

层析成像技术层析成像技术通过现场测试取得岩土体某一物性参数的大量信息，经反演处理和计算，可以得到被测区域内岩土体该物性特征参数的分布规律。该技术具有较高的分辨率，更有助于全面细致地对岩土体进行质量评价，圈定地质异常体等，目前实际应用的层析成像技术主要有：①地震波层析技术；②声波层析技术；③电磁波吸收系数层析技术；④电磁波波速层析技术。层析成像技术在工程勘察中有着广泛的应用前景。如我公司在黄河大柳树水利枢纽坝址应用地震波层析技术通过6对探洞的波速成像分析，所得初步结论为：⑴该坝址所处区域地质构造背景，规定了坝址区结构面发育规律和结构面特征，从而规定了该坝址区高中低波速值范围。⑵从波速分布不稳定性可看出，该坝址区寒武系厚层、中厚层、薄层变质长石石英砂岩、千枚状板岩在剖面上或平面上延伸不是很长的。⑶各层析分析剖面中岩体波速降低的主要因素是：断层、板岩、层间流动蠕变滑动面及破碎带、拉张裂隙等。又如在正义峡水利枢纽坝址灌浆试验中，采用地震层析技术评价灌浆质量。由测试孔间地震波速等值线分布图，结合孔间岩体地质情况，可得以下基本成果：⑴灌浆前岩体地震波速度自上而下有逐渐增大的趋势，且波速等值线多呈“团块”状分布，反映出岩体结构特征；测试孔间岩体平均波速为3340m/s，而第一灌浆段(孔深8～12m)岩体波速大都小于3000m/s，平均波速为2930m/s，说明该段岩体破碎，完整性较差。⑵Ⅰ序灌浆后岩体波速低于3000m/s等值线范围与灌浆前相比缩小，而波速大于3600m/s等值线的范围增大(向上延伸)；测试孔间岩体平均波速为3410m/s，较灌前提高2.1%；其中第一灌浆段(孔深8～12m)岩体波速平均值为3070m/s，较灌浆前提高4.8%。⑶Ⅱ序灌浆后与Ⅰ序灌浆后的岩体波速分布规律基本相似，但波速低于3000m/s等值线范围与灌浆前相比明显缩小，而波速大于3600m/s等值线的范围向上延伸显著；测试孔间岩体平均波速为3510m/s，较灌浆前提高5.1%。⑷Ⅲ序灌浆后与灌浆前、Ⅰ序灌浆后、Ⅱ序灌浆后的岩体波速分布规律发生明显变化，波速等值线“团块”状基本消失，波速3600m/s等值线的范围向上延伸至孔口附近；测试孔间岩体平均波速为3680m/s，较灌前提高10.2%。其中第一灌浆段(孔深8～12m)岩体波速平均值为3460m/s，较灌浆前提高18.1%。⑸经分析灌浆前、后不同灌浆序次的地震CT波速统计结果可知：经Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序灌浆后，各灌浆段平均波速较灌浆前均有提高，且随着灌浆序次的增加，岩体完整程度逐渐增强，尤以Ⅲ序灌浆后的效果最为显著。4.4

高密度电阻率法该法测点密度极高，而且可以获得多种常规装置的视电阻率分布，做出多种组合排列的拟断面图并使电阻率层析技术成为可能，其原理仍为电阻率法的范畴。在工程勘察和堤防隐患探测中显示出极大的生命力而广泛应用。如我公司在漳卫新河堤防隐患探测中，应用高密度电法进行测试，实测数据经处理后可获得视电阻率断面灰度图(或等值线图)，通过对比分析，掌握堤身、堤基介质的视电阻率变化特征及不同电阻率介质层(体)的分布形态，进而判识堤身内部是否有洞穴或其它不良结构现象(体)的存在。当堤身土体质量均匀无空洞、裂缝、土体不均一等异常隐患存在时，视电阻率等值线有规律的均匀分布，近水平层状；当堤身或堤基内有上述类型隐患存在时，则视电阻率等值线将发生变化，表现为成层性差、梯度变化大，出现高阻或低阻闭合圈等异常形态。经分析后认为该测区视电阻率断面图可分为以下类型：⑴视电阻率等值线上高下低，层次分明，且水平层状分布，说明堤顶表层粉细砂较干燥密实，视电阻率值一般为200～400Ω·m，而堤身下部粉细砂或堤基粉细砂较潮湿，视电阻率值一般为30～80Ω·m，中部视电阻率变化梯度较均一。此为正常堤身土体的视电阻率断面反映，如左堤13+313～13+009、32+368～32+600、44+640～44+994等，右堤26+840～27+268等桩号段。该断面特征是此次高密度电法测试剖面的主要类型。⑵视电阻率等值线上低下高，层次尚分明，基本呈水平层状分布，但表层视电阻率值一般为100～200Ω·m，此为堤顶较干燥粉细砂的反映，随电极隔离系数的增大视电阻率逐渐升高，至剖面下部视电阻率最高，其值一般为300～500Ω·m，推测堤身下部或堤基介质由较粗颗粒的砂或砂卵砾石组成，如左堤8+800～9+409等桩号段。中部视电阻率变化梯度尚均一。该断面也可认为是正常堤体的视电阻率反映。⑶视电阻率等值线上下低中间高，层次基本分明，表层视电阻率值一般为200～350Ω·m，此为堤顶较干燥粉细砂的反映，随电极隔离系数的增大视电阻率先升高后变低，剖面中部视电阻率最高，其范围值400～600Ω·m，推测为堤身粉细砂较干燥密实或筑堤介质中含有石料等，剖面下部由于接触到堤基潮湿粉细砂而视电阻率变低，如左堤21+184～21+300等桩号段。⑷视电阻率等值线层次较差，出现局部高阻闭合圈，其视电阻率值高达600～1000Ω·m，推测此处堤身介质含有大块抛石等高阻不均匀体或洞穴异常，而周围介质多为粉细砂组成，视电阻率值一般为100～300Ω·m，随电极隔离系数的增大而受到堤基介质影响时视电阻率开始变低，如左堤39+328～39+682等桩号段。⑸獾洞在视电阻率断面图中表现为相对高阻，其值受周围堤身介质电阻率的影响，有时难以识别(如第④种类型)，有时较易判别，如左堤52+750～52+800桩号段，堤身土体的电阻率均一且相对较低，其值为30～80Ω·m，而獾洞的视电阻率则较高，其值为160～210Ω·m，它在灰度图中表现非常明显。5

发展与展望⑴跟踪科技前沿，推动技术进步。科学技术是第一生产力，地球物理勘查市场的激烈竞争，强烈反映着科技水平的竞争。地球物理勘查的技术性很强，离开了基础科学和新兴技术的有机应用就谈不上发展，所以必须依靠科技进步和新兴技术方法的开发或引进，使其直接服务于生产，为工程勘察提供重要的探测信息，创造出较好的经济效益和社会效益。以推动工程地球物理勘探工作的发展。⑵适时进行知识更新，提高技术素质。随着世界一体化科学技术的发展，我们正面临着市场经济和科技市场的各种挑战，要在技术经济改革开放的新形势下求生存，求发展，最大限度地解放和发展生产力并提高生产水平，关键在于要强化各类技术人员的知识更新，提高新兴理论知识水平和技术水平，加强对各类技术人员专业素质的训练与考核，拓宽生产技术研究的深度与广度，充分发挥人的能动性及技术优势，以适应形势发展的要求，以便有足够的能力与技术标准去承揽和完成国家招标项目的前期工作，发挥优势，走出国门承揽国外工程建设项目。⑶加强新老物探技术配合和综合应用。坚持和发展综合物探是水利水电系统五十年来实践经验的总结，只有运用综合物探方