微动在广西田东县抽水蓄能电站大坝选址勘查中的应用研究_王玉威.pdf
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1、DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 101微动在广西田东县抽水蓄能电站大坝选址勘查中的应用研究王玉威,徐子桥(安徽省地球物理地球化学勘查技术院,安徽 合肥 230022)摘要作为抽水蓄能电站大坝选址的基础环节,地质勘查主要任务为查明厂址地质分层、探测断裂构造等不良地质体情况。研究区位于广西田东县林逢镇娅娘新屯冲沟内,地质条件为较复杂;目前处于预可查阶段,常规电法、电磁法等物探方法施工难度大且成本高昂。通过在研究区开展 DS1、DS2、DS3 微动剖面测量,采用高分辨频率波数谱法提取频散曲线并反演获得视横波速度(vr)结构,精细区分了基覆层、推断了 6 处节理裂隙密集
2、带和一条 NE向断层。研究结果表明:微动在研究区地层勘查及破碎、断层等不良地质体探测效果较好,另外其本身具有环保高效的强大优势,具有进一步推广应用的重要研究意义。关键词微动;高分辨频率波数谱法;大坝选址勘查;环保高效中图分类号TV743文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0293 03收稿日期2022 11 14作者简介王玉威(1985 ),男,河南杞县人,工程师,主要从事地球物理勘查及相关研究工作。0引言抽水蓄能电站对于国家水电事业发展、电网系统稳定、用户使用安全和注重整体效益与效率,具有高效的、不可或缺的重要作用1。水库大坝不仅是电站发电的重要基建设施,同时可以调蓄水量
3、,对于大坝候选厂址的地质勘查是十分必要的。而其中的主要内容包括地层岩性、风化状况、覆盖层厚度、基岩界面、隐伏构造的确定等2。以往电站大坝选址勘查中,物探方法主要选用常规电法、主动源地震波法、孔间 CT 等3,但在预查可研阶段,这些物探手段存在施工难度大、成本大,总体勘查效果不显著等问题。微动探测法是在背景噪声成像研究的基础上发展起来一种新型地球物理探测手段4,即是从天然场的复杂信号中提取出瑞雷面波的频散特性,最后通过反演频散曲线来获取地下视横波速度(vr)的方法5,具有绿色环保、施工简便、分层探测效果明显等优势,目前广泛应用于地热勘查、地质灾害调查、岩土工程勘察等领域。本文利用微动环保高效精准
4、的强大优势,将其应用于广西田东县抽水蓄能电站大坝选址勘查中,结合部分钻探验证情况对应用效果进行综合分析,验证了微动在研究区区分基覆层,推测破碎、断裂等不良地质体等方面的有效性,对相近地区勘查及研究具有参考价值。1研究区地质概况研究区位于田东县林逢镇娅娘新屯冲沟内,冲沟整体流向 NW40,冲沟较宽缓,冲沟底沟渠宽 1 3 m,切割深度 1 2 m,有常年水流,多为第四系冲积物覆盖,未见明显基岩出露,覆盖层厚度一般 2 5 m。坝址区库底地形较为平缓开阔,为第四系冲洪积物,多农田分布,未见明显基岩出露;坝址区左岸地形坡度一般为 20 30,多见基岩出露,为三叠系中统百 逢 组(T2b)薄 中 厚
5、层 泥 质 粉 砂 岩,岩 层 产 状NW60,NE50,为顺向坡,上部覆盖层厚一般为 1 4 m,局部陡坡地段可见表部覆盖层塌滑现象。坝址区右岸地形较为凌乱,地形坡度一般为 15 25,未见明显基岩出露,多为第四系冲积、残积层覆盖。库内四周地质情况较为复杂,多冲沟发育,两岸山体较为雄厚,地形坡度一般为 20 40,无低矮垭口,地形封闭条件较好,多见基岩出露,为三叠系中统百逢组(T2b)薄 中厚层泥质粉砂岩,库区右岸岩层产状为 W 015 25,主要为斜交顺向坡,部分岸坡上部覆盖层厚一般为 2 5 m,局部陡坡地段可见浅表覆盖层塌滑现象。2微动探测方法2 1频散提取微动探测提取频散曲线主要有空
6、间自相关法(SPAC)、频率 波数法(F K),后分别对 SPAC、F K 方法进行改进,提出扩展的空间自相关法(ESPAC)、高分辨率频率 波数谱法。研究认为:SPAC 方法相较于 F K 方法分辨率高,但是对阵列要求高,施工环境要求高,适用于场地平整无干扰的环境;F K 方法分辨率与台阵仪器数呈正相关,且对阵列要求低,对各种施工环境适应性较强。2 2高分辨率频率 波数谱法根据前人对频率 波数法(F K)的深入研究和改进,提出了一种高分辨率的频率波数法。可在保持其高分辨率特色的基础上拓展了勘探深度范围,搭配不同的观测微动系统,既可以进行深部构造勘探,也可以实现浅部精细构造的探测。假定有 M
7、道拾震器,以长度 L 将每道数据分为 N 段,记第 i 和 j 道拾震器中第 n 块数据的频域信号为 Fin(f)和 Fjn(f),得到 N 个频域信号,求得到第 i、j 拾震器对应的自功率谱 Sii(f)、Sjj(f)和互功率谱 Sij(f)。使用高分辨率频率 波数谱法处理时,用Sii(f)Sjj(f)对互功率谱 Sij(f)进行规格化,进而得到高分辨率频率 波数谱:P(f,k)=mi=1mj=1B*i(f,k)Bj(f,k)Sij(f)expi(kx(xi3922023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay,2023Vol.45NO.3 xj)+ky(yi
8、yj)(1)式(1)中:(xi,yi)、(xj,yj)分别为第 i、j 个拾震器的坐标,(kx,ky)为波数 x、y 方向的分量。Bi(f,k)=mi=1Qij(f,k)mi=1mj=1Qij(f,k)(2)式(2)中:Qij(f,k)为矩阵 expi(kx(xi xj)+ky(yiyj)Sij(f)的逆矩阵。找到每一个频率 f 在二维波数 kx ky平面上的高分辨率频率波数谱的极大值点位置,求得对应的波数 k,进而求得对应频率的相速度 vr(f),从而得到瑞雷波频散曲线。在瑞雷波频散曲线的基础上进行反演,即可得到最终的微动视横波速度深度剖面。通过经验公式:Vx,i=(tiv4r,i ti 1
9、v4r,i 1)/(ti ti 1)1/4(3)式(3)中:ti为周期,直接计算视横波速度 vx,i,再通过半波长原理将 vx,i与 ti 的对应关系转换成 vx,i 随深度 H 的变化曲线(vx,i H 曲线),最终获得视横波速度剖面图,微动剖面探测获得的视横波速度是一种近似的剪切波速度,但可以用来表征真实横波速度的变化趋势。2 3参数选取选取已知地下岩性的点对测量参数进行校准,通过不同台阵半径、不同采样时间、不同采样频率的试验工作,确定测量所需的工作参数。2 3 1台阵形状在两个不同的试验点采用十字型和直线型台阵布设方式进行测量(图 1),a 点在山上,b 点在平地。通过对比可见,两种阵型
10、测得的信号频散曲线基本一致(图 2),为保证工作效率,可采用直线型台阵开展测量工作。图 1台阵布置示意图图 2两处试验点不同阵型频散曲线对比图2 3 2测量时间采集 20 min 与 30 min 得到的频散曲线形态基本一致(图3),故本次测量工作采集时间可设为 20 min。2 3 3采样频率根据奈奎斯特采样定理,当采样频率大于信号中最高频率的 2 倍时,采样之后的数字信号能完整的保留原始信号的信息。根据一致性试验结果可知,能够满足计算的最大频率为 50 Hz,而一般情况下,我们常用作为工作的采样频率,故本次工作采样频率定为 250 Hz。根据试验对比结果及研究区实际地质情况,设计本次工作测
11、量参数:采用直线型布阵方式,工作半径 5 m 10 m 20m,采样频率 250 Hz,测量时间 20 min。图 3不同测量时间频散曲图 4微动测量结果与钻孔线对比图ZK9 对比图3应用效果分析3 1已知钻孔对比根据以上参数,在已知钻孔 ZK9 位置进行测量对比,速度结构与已知钻孔分层基本吻合(图 4)。结合钻孔资料可知,覆盖层的深度范围 0 4 m,速度范围在 100 300 m/s;强风化层的深度范围 4 15 m,速度范围在 300 900 m/s。3 2探测效果分析根据勘查设计要求在水库下游大坝选址地段进行点位布设,测线分布见图 5。图 5测线布置示意图图 6DS1 线(a)、DS2
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