水利工程地质勘测

【摘要】水利工程地质勘测主要任务是查明与工程建设有关的地质条件并作出评价，预测可能出现的工程地质问题，提出所需的防治措施与建议，为规划设计和施工提供必要的地质资料。 本文分析总结了工程地质测绘、勘探、野外试验等水利水电工程地质勘测等方法的用途及其最新发展情况，以及全球定位系统（GPS） 、遥感（RS） 、地理信息系统（GIS）等3 S技术在水利水电工程地质勘测中的主要应用，旨在为水利水电工程地质勘测方法的合理选择提供可借鉴的经验。
【关键词】水利；工程；地质；勘测

1 工程地质测绘与编录

工程地质测绘与编录是地质勘察中最先进行的综合性基础工作，主要方法有：路线测绘法、地质点测法、实测剖面图法等。一般来说，对一个工程区，首先应研究并弄清楚区域地壳稳定性和地震活动状况，然后充分利用已有的区测成果进行专门的工程地质测绘并开展其它专项工程地质问题的研究等工作。全球定位系统（ GPS） 、遥感（RS） 、地理信息系统（ GIS）等3S技术的应用，体现了工程地质测绘与编录的发展情况。

2 工程地质勘探

工程地质勘探是在工程地质测绘的基础上，为进一步查明地表以下工程问题和取得深部地质资料而进行的，主要有山地勘探、钻探、物探等三种方法，以下分别加以说明。

2.1 山地勘探

山地勘探是指采用人工或机械进行剥土，或开挖探坑、探槽、探井或平硐等揭示地表浅层地质情况的勘探手段，可直接进行试验、取样和观察地质现象，使用的工具和技术要求相对简单，故在进行地表浅层地质勘察时运用较多。这亦是山地勘探的缺点，即它的勘探深度有限。

2.2 钻探

近年来，钻探方法、工艺及其施工水平的提高，加快了水利水电工程地质勘测水平的发展，其主要表现在以下几方面：
2.2.1 钻头、钻机等钻探设备的发展。例如：从20世纪80 年始，研制出各种转速快、扭矩大、性能稳定的新型钻机。另外，对较完整的硬岩进行钻探时

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，金刚石钻头基本取代了钢粒或硬质合金钻头，大大提高了钻进速度和岩心采取率。
2.2.2 砂卵石层、软弱夹层、破碎带等特殊层位的钻进取样技术的发展。砂卵石层卡钻、难以钻进，以及同软弱夹层等特殊层位中钻进一样，岩芯采取率低、取样困难等一直是水利水电工程钻探的技术难题。近年来， 植物胶和MY-1A植物胶冲洗液金刚石钻进砂卵石层取样新技术得到了广泛应用，较好地解决了砂卵石层中钻进和取样的难题。在软弱夹层、破碎带中钻进时，由于岩芯对磨，岩芯采取率一直很低并且很难取到原状土样。近年来发展起来的套钻技术，或采用专用的取芯钻具，及其它确保岩芯免受冲刷和挤压的保护系统等，较好地解决了这一技术难题。
2.2.3 其它一些钻进工艺的发展。例如，绳索取芯钻探新工艺实现了在不提钻的情况下采取岩芯的目的，其在水利水电工程中的应用实践证明，该工艺大大减少了取芯过程中来回提钻的工作量，较好地解决了在软弱层等特殊地层钻进过程中经常出现的难题，如塌孔、取芯质量低等问题。

2. 3 工程物探

地球物理勘探（Geophysical Prospecting）简称物探，它是应用观测仪器测量被勘探区的地球物理场，通过对测量场数据的处理和地质解释来推断和发现地下可能存在的局部地质体、地质构造的位置、埋深、大小及其属性的科学。工程物探方法主要有以位场理论为基础的重力场勘探、磁场勘探、直流电场勘探等，以及以波动理论为基础的地震波勘探、电滋波勘探等。
2.3.1 重、磁位场勘探。重、磁位场勘探是最古老的一种物探，相对于地震勘探而言，其精度和可靠度较差。目前，由于一些高精度的重力仪、磁力仪的研制和应用，使得重、磁位场勘探的精度有了很大程度的提高。同时，神经网络技术等在重、磁位场勘探中的应用，以及磁性矢量层析成像理论的研究和应用，使重、磁位场勘探在上个世纪获得了广泛的发展应用。微伽级重力仪的使用，使微重力测量被用来勘探洞室和边坡地质体的变动形态并监测其稳定性。磁法勘探主要用于区域和深部地质构造研究、矿产勘探、考古等领域，在工程地质勘测中应用较少。
2.3.2 地震勘探。在工程地质勘探中应用较多的为人工激发震源地震波勘探，其人工激发震源有多种。目前，地震勘探在水利水电工程领域发展较快。例如，利用弹性波纵波对三峡等大型水利水电工程的岩体质量做定性评价，取得了显著的工程和经济效益；由中铁西南科学研究院开发研制的负视速度法和水平地震剖面法、由瑞士Amberg测量技术公司开发的TSP长距离超前预报法、由美国NSA工程公司开发研制的真正反射层析成像（ TRT）超前预报技术等，较好地解决了利用反射波地震勘探进行隧道超前预报的难题。
近年来，地震CT已经发展成为一个方法系列，其成像方式发展到可利用直达波、反射波、折射波、面波等多种波组合，可利用钻孔、隧道、边坡、山体等多种观测条件进行二维、三维地质成像，促进了地质勘测由定性向定量化的方向发展。
2.3.3 电磁勘探。包括天然场源的电磁测探（MT法）和人工场源的连续的电磁波勘探（ EM
法）等多种方法。近年来，电磁勘探在水利水电工程中应用越来越广泛。例如，可控源音频大地电磁法、人工与天然两种场源、多场源、二维和三维电阻率成像等技术，在水利水电工程中用来推测深埋长隧洞围岩介质的结构特征、隐伏断层、破碎带及异常区等可能影响工程的各种因素，取得了显著的经济效益。地质雷达（频率范围1～100MHz）是目前分辩率最高的物探方法。地质雷达对断裂带，特别是含水带、破碎带地层有较高的识别能力。
2.3.4 电法勘探。主要包括电阻率法、充电法和自然电场法、激发极化法、电磁感应法。可分为稳定电流场理论、交变流法理论两个分支。在水利水电工程地质勘察中应用较多的是电阻率法。近年来发展起来的高密度电法勘探，属于电阻率法的范畴，但它引进了地震勘探的数据采集办法，可实现数据的快速、自动采集，其测量结果可实时处理并显示地电断面或剖面图，从传统的一维勘探发展到二维勘探。目前，在单源与单点测量的基础上，发展为多源、多点、多线测量，从而发展了三维观测技术。2.3.5 地球物理测井。20世纪90年代，由于数值模拟方法和计算机技术的发展，动态测井技术成为可能。另外，始于20世纪70年代中期的钻孔彩色电视适用范围由原来的91 mm钻孔发展到50 mm的钻孔，并可实现图像数字化实时采集压缩存储，成果可刻录成VCD光盘，还可进行后期图像处理及制作。

3 工程地质野外试验

工程地质野外试验有触探试验、灌浆试验等岩土物理力学性质试验和地基处理试验。水利水电工程地质野外试验水平的发展，主要体现在试验仪器和设备的发展。例如：目前进行的灌浆试验用来测试地层岩体的透水率，推断岩体的完整程度及节理、裂隙、断层和破碎带等的发育和分布状况等，其灌浆试验的止浆栓塞已发展了高压气塞，灌浆孔浆液注入量则采用自动灌浆记录仪，而且目前灌浆记录仪已由原来的“一对一”发展到“一对多”，即一台记录仪可自动记录多台灌浆泵注射浆液的流量。

4 3 S技术的应用

3S技术是指全球定位系统（ GPS） 、遥感（RS） 、地理信息系统（GIS）等三大技术系统的集成与总称。遥感技术是3S技术的基础，它提供主要的遥感信息源。GPS技术用于遥感信息的精确定位，GIS技术则为遥感信息的获取提供辅助信息和专家思维，并对所提取的各种信息进行管理和分析且具有制图功能。近年来，国内开始在一些特大型、大型水利水电工程地质勘察中采用3S技术。例如，许多大型水利水电工程采用了3S技术并取得了丰硕成果。

4. 1 全球定位系统（GPS）的主要应用

GPS在工程地质勘察领域内主要用来确定观测点位的三维坐标。相对于普通测量手段而言，它不要求观测站之间通视，具有定位精度高、观测时间短、操作简便、可全天候观测等优点，可将其采集和储存的观测数据导入计算机进行分析与处理。GPS越来越广泛地应用于水利水电工程地质勘察测量及定位控制，它在高程控制方面能较好地解决跨河、跨沟水准难以传递的问题，以及在勘察区控制点较少，或在山区、林区等通视条件较差、观测条件受限的区域进行工程地质勘察时，运用GPS可大大减少作业时间，提高测量精度。

4.2　遥感（RS）的主要应用及其发展

遥感技术主要应用于预可行性研究阶段或可行性研究阶段，与其他勘察手段配合，有利于大面积地质测绘，提高填图质量和选线、选址的质量，减少野外地质调查的盲目性，减少外业工作量，进而提高了勘察效率。遥感技术作为一种工程地质勘测手段，近年来在我国水利水电工程中应用越来越广泛，从总体来说其用途主要有：工程地质调查与制图，岩溶调查，对滑坡、崩塌、泥石流等物理地质现象的调查，输水隧洞、渠道等跨区域、长距离等线状大型工程地质调查，地形、地貌、地质、水文、气候等复杂特殊地区的工程地质调查，节省了费用，加快了工期。

4. 3 地理信息系统（GIS）的主要应用及其发展

GIS技术可自动制作平面图、柱状图、剖面图和等值线图等工程地质图件，还能处理图形、图像、空间

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数据及相应的属性数据的数据库管理、空间分析等问题，将GIS技术应用于工程地质信息管理和制图输出是近几年工程地质勘察行业的热点和发展趋势。目前，国内应用较多且比较成熟的专业软件是由中国地质大学开发研制的MAP-GIS，是一种专业的地理信息系统软件。
5 结语
综上所述可以看出，我国水利水电行业工程地质勘测方法正处于一个飞速发展的阶段。重新认识和审视目前我国水利水电工程的各种勘测手段及其应用水平，大力推进各种勘测方法的发展及其综合应用，从而使水利水电工程地质勘察工作由“定性分析”向“定量计算”方向发展。定性分析和定量计算的紧密结合，对加快我国水利水电工程业的发展具有重大意义。不可否认，一些传统的勘测手段仍然起着不可替代的作用；另一方面，运用有限元等数值模拟分析方法，发展与实际地质体性质更接近的非均质、各向异性、多相介质中的三维（3 D）层析成像等物探技术，以及3S技术在水利水电工程勘测中更广泛的应用，已成为当今的发展趋势。