锦屏二级水电站引水隧洞施工期地下水探测技术研究.pdf

水利水 电技术第 4 2卷2 0 1 i年第 3期 锦屏 二级水 电站引水 隧洞施工期地 下水 探 测 技术 研 究 苏利军 ，付成华 西华大学 能源与环境学院，四川 成都 6 1 0 0 3 9 摘要锦屏二级水电站引水隧洞施工地质条件复杂、埋深大、洞线长、洞径大，高压集中涌水的预 防与处理成为隧道超前地质预报 的重 中之重 ，应用地质 雷达 G P R 技 术进行地下水的超前探测预报 不仅可行有效 ，且具有扫描速度快、操作 简便、分辨率高、图像直观等优点。本文结合工程 实际，分 析 了G P R进行地下水探测的基本原理和方法，并总结 了局限性 ，可为 G P R进行地下水探 测的理论研 究和工程应用提供一定的参考。 关键词 锦屏二级水电站 ；引水隧洞；地下水；地质雷达；超前探测预报 中图分类号 T V 7 3 2 P 6 4 1 ． 7 2 7 1 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 0 0 8 6 0 2 0 1 1 0 3 0 0 1 6 ． 0 4 S t u d y o n g r o u n d wa t e r d e t e c t i o n t e c h n o l o g y f o r c o n s t r u c t i o n o f d i v e r s i o n t u n n e l o f J i n p i n g Hy d r o p o we r S t a ti o nⅡ S U L i j u n ． F U C h e n g h u a E n e r g y a n d E n v i r o n m e n t S c h o o l ， X i h u a U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 9 ， S i c h u a n ， C h i n a Ab s t r a c t Th e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f d i v e r s i o n t u n n e l f o r J i n p i n g Hy d r o p o we r S t a t i o n I 1 i s q u i t e c o mp l i c a t e d，s u c h as l a r g e e mbe dd e d d e p t h，l o n g t u n ne l l e n g t h，bi g t u n n e l di a me t e r，a n d t he n bo t h t he p r e v e n t i o n a n d t r e a t me n t o f t he h i g h p r e s s u r e a n d c on c e n t r a t e d wa t e r g us h i n g b e c o me s t h e mo s t i mp o r t a nt t hi n g；for wh i c h t he a p p l i c a t i o n o f g r o u n d p en e t r a t i ng r a d a r G P Rt o t h e g e o l o g i c a l a d v a n c e d p r e d i c t i o n o f g r o u n d w a t e r i s n o t o n l y f e a s i b l e a n d e f f e c t i v e ， b u t a l s o h a s t h e m e r i t s ， i ． e ． hi g h s c a n ni ng s p e e d，s i mpl e o p e r a t i o n，h i g h r e s o l ut i o n，v i s u a l i ma g e，e t e ．Ba s e d o n t h e r e l e v a n t e ng i ne e rin g p r a c t i c e，t h e b a s i c p ri n c i p l e a n d me t h o d o f g r o u n d w a t e r p r e d i c t i o n ma d e b y GP R a r e a n a l y z e d h e r e i n alo n g wi t h t h e s u mma r i z a t i o n o f i t s l i mi t a t i o n s ； wh i c h c a n pr o v i d e a c e r t a i n r e f e r e n c e for t h e t h e o r e t i c a l s t ud y a n d e ng i n e e ring a p p l i c a t i o n c o n c e r ne d ． Ke y w o r d s J i n p i n g H y d r o p o w e r S t a t i o n I I ；d i v e r s i o n t u n n e l ；g r o u n d w a t e r ；g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r G P R ； g e o l o g i c a l a d v a n c e d p r e d i c t i o n 1 引 言 锦屏二级水电站引水 系统 由 4条 洞线平行的引 水隧洞 、1条排 水洞 、2条辅 助交 通 洞组成 。隧洞 群横穿锦屏山，引水隧洞洞线平均长度为 l 6 ． 6 7 k m， 最大开挖洞径达 1 3 I l l ，洞群沿线上覆岩体一般埋深 1 5 0 0～ 2 0 0 0 m，最大埋深约为 2 5 2 5 i n ，且多数洞段 为可溶岩。前期长探洞已出现瞬时涌水量达 4 ． 9 1 n l ／ s 的出水点。从 已贯通的交通洞出水点来看 ，随着隧 道加深 ，遇到突然涌水的风险就相应加大 ，预测 涌 水量最大将 达到 7～ 8 I T I ／ s ，水压力高达 8 MP a 。这 1 6 无疑使地下水的超前探测成为隧道施工安全的重要 保 证 。 G P R 地质雷达 是 目前分辨率最高 的工 程地球 物理方法 ，常在工程质量检测 、场地勘察 中广泛应 用⋯ 。由于隧道 大都处 于各种 复杂 的水文地质 、工 程地质环境中，为了摸清和预知隧道前方的地质变化 情况 ，减少和预防隧道开挖掘进过程中突涌水带来工 程事故的发生 ，近年来经过广大物探工作者的积极探 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 0 5 作者简介 苏利军 1 9 8 4 一 ，男，助理工程师 ，硕士研究生 。 Wa te rRe s o u rc e s a n dHy d r o p o we r En g in e e r i n g V o L 4 2 No ． 3 索，使地质雷达在隧道超前预报 中发 挥出 了重要作 用 ，成为隧道超前预报的一种重要方法 ，尤其在探测 地下水方面更是积累了许多经验 ，国外还少见此种用 法 一 。 2 探测原理 锦屏二级水电站引水隧洞 区穿越三叠系中 、上统 的大理岩 、灰岩、结 晶灰岩及砂岩 、板岩。中、下统 地层为变质程度不同的巨厚 ～厚层状碳酸盐岩地层 以 及绿片岩和变质火 山岩地层 ，上统为一套 碎屑岩地 层。三叠系地层构成 了引水隧洞的主要围岩 ，主要为 锦屏山西侧 T 1 、盐塘组 T 2 y 、杂 谷脑组 T 2 z 、 白山组 T 2 b 、三叠系上统 T 3 。这些复杂的地质变 化和岩溶地下水潜在地构成 了复杂的地层系统 ，这些 地层系统的结构层却可 以根据其 电磁特性 如介 电常 数 的不同来 区分 ，若 电磁波在 电磁特性不 同的相邻 的结构层 中传播时 ，就会在其界 面间发生透射 和反 射。水是 自然界中常见 的物质中介电常数最大 、电磁 波速最低的介质 ，与岩土介质和空气的差异很大。因 此，应用电磁波在地层 中的传播特性 ，判断地下水的 存在是科学可行的。 电磁波在两种不 同均匀介质分界 面上 的传播规 律 ，主要遵循平面波反射定律和折射定律 。 ，如图 1所示 ，人射波在界面所引起反射和折射 ， 、 和 0 分别为人射角、反射角和折射角。占 、 、 分别为 衰减系数 、相对介 电常数和波阻抗 。折射率方程式 ． r一 。 折射率与两边介质性质有关 ， n_ 一 ／ o 另 率匀网 ’ r J 贞 旺J贞／ F | 天 ， l nut 2 l 1 当 1时 ， ￡ ， l 2 ；n1时 ， f ， 1 。其次 ，电磁波在两种介质界面处将会发生能量再 分配。根据能量守恒定律 ，界面两边 的总能量保持不 变 ，因此入射部分能量与透射部分能量之差就是反射 波能量。入射波 、反射波与折射波在界面处电场与磁 场变化关系示意图如 图 1 所示 E 、E 、E 分别为人 射波 、反射波与折射波的电场强度 ，它们的磁场强度 F F F 相应为 ，H i ， ， 。根据电磁理论 ， l 1 2 电磁波在跨越介质交界面时 ，紧靠界面两侧的电场强 度和磁场强度的切 向分量分别相等，则有反射系数及 反射信号 的大小主要取决于探测界面两侧介 电常数的 差 异大小 。 从上述理论可以看 出，当地层结构 中岩性发生 变化或出现含水层 时 ，入射波将在该 交接面处发生 反射和透射 ，其反射和透射波 的大小 与界 面两侧 介 水利水电技术第4 2卷2 0 l 1 年第 3期 苏利军， 等∥锦屏二级水电站引水隧洞施工期地下水探测技术研究 ＼夕 Ei ． 2’ 2’ 图 1界面反射 图 电常数的差异有关 。当地质条件较好 ，入射 波能量 在岩体 中发生透射损失 ，反射 回的能 量应 呈规律分 布 。当地层 中出现裂隙水 、断层 富水带 、溶洞等情 况时 ，在此处 出现不 同介 电常数变化 面 ，表现在原 有信号中将叠加强度不 同的反射信 号 ，或在不应 出 现反射波处有反射信号 ，根据反射波位 置 、反射波 的规律性 和反射信号 的强弱 ，就可 以预测地下水 的 存在位置 和含水量。电磁波在部分常见介质 中的传 播参数如表 1所列 。 表 1 电磁波在部分 常见 介质 中的传播 参数 相对介电 电导率 n 波速 衰减系数 s 介质 常数 ／ m s m ／ m - n s 一 ／ d B． m一 水 8 l 0 ． 5 0 ． 0 3 3 0 ． 1 空气 1 ． O 0 O ． 3 0 粘土 5～ 4 0 2～1 o o 0 O ． 0 6 l～3 0 0 灰岩 7～ 8 1 O一 9 2 ． 51 0 2 0 ． 1～ 0 ． 1 1 0 ． 4～1 页岩 5～1 5 l ～l 0 o O ． O 9 l～1 o 0 石灰 岩 4～ 8 0 ． 5～2 O ． 1 2 0 ． 4 1 玄武 岩 8 1 0 2 0 ． 1 5 O ． 0 l l 混凝 土 6 ． 4 0 ． 1 2 3 探测方法与工程实例 3 ． 1 地 质雷达 G P R 地质雷达 结构图如图2所示 ，发射机通过 天线发射高频电磁波 1 0～1 0 0 0 MH z ，电磁波在不 同的介质结构层中传播 ，因这些结构层介 电常数的不 同，电磁波能量发生反射和透射 。透射的电磁波能量 穿透界面进入下层介质 ，继续发生发射和透射 ，接收 机所接收的反射信号将逐渐递减 。接收机记录电磁波 从发射到接收信号 的时间 t ，当各地层介质 的波速已 知时 如表 l所列 ，便可求得相应地层 的位置 和埋 深。基于此 ，可在隧洞掌子面或靠近掌子面侧壁均匀 布置测点，进行快速连续的检测 ，由信号处理器将接 收器接收到的信号进行数字处理 ，根据反射电磁波信 号的强度和波形特点 ，绘制雷达图像。探测者通过终 1 7 苏利军， 等∥锦屏二级水电站引水隧洞施工期地下水探测技术研究 端设备的分析软件对反射信号 的相关特征 如强弱 、 时频特征 、振幅特征 、相位特征等 进行分析 ，判断 地 下水 的位置 。 图 2 地质雷达 系统图 3 ． 2 实例分 析 图 3 、图 4分 别为雷达 探测成果 图。图 3分析 发现 自掌子面探测 深度 0～7 m段 电磁 反射波 能 量衰减较慢 ，波形 均匀且规律性 较强 ，形成低 波幅 反射波组 ，判断该段探测介质相 对均匀 ，岩石较完 整。7～1 5 m 区域 电磁 波波形呈现规律 衰减 ，振 幅 迅速增大 ，波形基本 均匀 ，预测在该段存在较 大含 水层 。后在 工 程开 挖 此 区域 时发 生 涌 水 ，测 定 流 量 为 1 ． 2 5 m ／ s E ＼ 隧 图 3雷达探测图像 1 图 4 探测深度 0～ 8 ． 5 n l 段呈现低幅反射波组 ， 波形均匀规律性较强，无杂乱反射 ，同时电磁波能量 衰减慢规律性强，判断该段岩石较完整 ，存在地下水 的可能性不大。8 ． 5～1 2 m区域电磁波能量衰减无规 1 8 量 ＼ 图 4雷达探测图像 2 律 ，呈现多组平行波形杂乱 的反 射波、波 幅变化增 大 ，预测在前方 8 ． 5～1 2 l ／ l 洞段为含有一定量裂隙水 的裂隙发育。经工程开挖发现该洞段节理发育明显 ， 整段洞室成雨淋状或挂帘状滴水。 4结语 针 对锦 屏 二 级水 电站 引水 隧 洞 特 殊 的施 工 环 境 和地质条件 ，采用 电磁波在不 同反射面 的传播特性 和能量原理来判断地下水 的存 在 ，取得 了很好 的探 测效果 ，受到了工程参与方 的好评 。这说 明 G P R技 术进行地下水探测不仅可行有效 ，而且 为隧洞施工 中高压涌水 的预防 ，保 障施工人员与设备安全取得 了巨大 的经济 效益 。但 在探 测过 程 中也有 其 局 限 性 。 比如 1 探测的距离长短常常影响到分辨率的高低 ； 2 十分复杂的地质条件 ，使多次反射波和未过 滤掉的杂波干扰严重 ，成果解译及有效波的识别十分 困难 ； 3 锦屏 二级水 电站 区域可供参 考 的信息 量不 足，不同的探测人员对 同一资料成果的解释往往存在 多解性 。 上述 3个问题也是现行 G P R在隧道超前地下水 探测中不能被完全依赖 的根本原 因，自然也制约 了 G P R技术发展。可见 ，要尽可能准确地进行地下水探 下转 第 3 4页 水利水电技术第4 2卷2 0 1 1 年第3期 宋建庆∥泽城西安混凝土面板坝三维非线性应力变形研究 拉应力 ，顺坡 向拉应力最大值为 4 ． 2 MP a 。面板 的水 平 向应力在河床坝段为压应力 ，两岸陡坡部位出现部 分拉应力。 3 面板的挠度最大为 1 3 ． 9 C lT I 。面板竖 缝在河谷中间部 位表现为压缩 ，在两岸坝段表现为 张开。面板周边缝 的沉 陷变形不 大 ，张开变形也不 大 。连 接 板 和 趾 板 问 的 缝 张 开 很 小 ，量 值 小 于 1 I T I m，沉降差也小于 1 m m。连接板和连接板 的缝 、 连接板和防渗墙 的缝都处于压缩状态 ，沉降差小 于 l mm。 4 竣工 期 ，由于坝体 土压力 的作用 ，防渗 墙发生 向上游的水平位 移 ，位移 最大约 为 1 ． 3 蓄水期 ，由于水压力的作用 ，防渗墙发生 向下游 的 变形 ，位移最大约为 2 ． 1 c n l 。竣工期 ，防渗墙的压 应力最大约为 6 ． 1 MP a ，蓄水期 ，防渗墙压应力 最 大值约 1 3 ． 5 MP a 。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] 徐泽平 ．混凝 土面板堆石坝技术 文集[ M] ．郑州 黄河水利 出 版社 ，2 0 0 3 ． 徐泽平 ．混凝 土面板堆石坝应力 变形特性研究 [ M] ．郑州 黄 河水利 版社 ，2 0 0 5 ． Du n c a n J M ，B y r n e P，W o n g K S，e t a 1 ． S t r e n g t h，s t r e s s - s t r a i n a n d b u l k mo d u l u s p a r a me t e r s f o r f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f s t r e s s a n d m o v e m e n t i n s o i l ma s s e s [ R] ．R e p o r t N o ．U C B ／ G T ／ 8 0 - 0 1 ， U n i v e r - s i t y o f C a l i f o rn i a，Be r k e l e y，1 9 8 0． 责任 编辑陈小敏 上 接 第 1 5页 公式 4 5 。 一 ／ 2计算与实测结果存在较大的差异 ， 其主要原 因是 在无 围压条件下粘性土的粘聚力 C 值 较大，表现出一定的抗拉性 ，对于地下洞室开挖过程 中，土体颗粒 之问的“ 应力传 递” 效应使得其 地表沉 降槽形态显得 “ 浅而宽” ，上覆土体 的抗拉强 度或粘 聚强度对地表沉降量及其影 响宽度有着必然的影响， 而采用本文的计算公式能够反应这一工程实际现象。 参考文献 [ 2] [ 3 ] [ 4] At t e we l l P B，Ye a t e s J ， S e l h y A R． S o i l mo v e me n t s i n d u c e d b y t u n n e l i n g a n d t h e e f f e c t s o n p ip e l i n e s a n d s t r u c t u r e s [ M] ． B l a c k i e a n d s o n，L o n d o n，1 9 8 6 ． P E CK P B． De e p e x c a v a t i o n s a n d t u n n e l i n g i n s o ft g r o un d S t a t e o f t h e A r t R e p o rt[ C]／ ／P r o e 7 t h l n t．C o n f ．o n S o i l Me c h a n i c s a n d F o u n d a t i o n E n g i n e e r i n g ． Me x i c o Ci t y，1 9 6 9 ． 2 2 5 2 9 0 ． 刘建航 ，侯学渊 ．盾构法 隧道 [ M] ．北京 中国铁道 出版社 ， 1 9 9 1 ． 阳军生 ，刘 琛 ．城市 隧道施 工引起的地 表移动及变形 [ M] ． 北京 中国铁道 出版社 ，2 0 0 2 ． [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0] [ 1 2 ] 朱忠隆，张庆贺 ，易宏伟 ．软土 隧道纵 向地表沉降的随机预测 方法[ J ] ．岩土力学 ，2 0 0 1 ，2 2 1 5 6 5 9 ． 韩煊 ．隧道施T引起的地层位移及建筑物变形预测 的实用方法 研究[ D ] ．西安 西安理T大学 ，2 0 0 6 ． 时亚昕，陶德敬 ，王 明年 ．大断面浅埋暗挖隧道施工引起的地 表移动及变形 预测 [ J ] ．岩土力学 ，2 0 0 8 ，2 9 2 4 6 5 - 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