作者：吴锡贤

　　关键词　勘测技术　钻探工程　地球物理勘探　水文地质　岩石力学 声发射　综合利用　“八五”科技攻关专题
　　摘　要　勘测关键技术及其综合应用研究，系国家“八五”科技攻关208-02-05专题。该专题研究结合锦屏一、二级等工程，专业面广，应用性强，研究工作难度大，是当前水电工程地质勘探技术中的薄弱环节，是关系到前期工作进展和工程经济效益的重大课题。其研究内容包括：岩心定向技术、砂卵石层取心技术，地应力测试与分析新技术，岩体裂隙结构面的计算机处理系统、岩溶探测新技术、高分辨率工程地震勘探技术、3000系列测井仪的改造与钻孔原位密度测试技术、自振法抽水试验与钻孔地下水位长观监测系统。研究中紧密跟踪现代科学技术，在基础理论、技术方法、工程应用等方面均取得了重要进展，形成了一整套与依托工程紧密相连，专业配套的勘测新技术体系，取得了显著的经效益，在水利水电系统中具有广泛的推广应用前景。

　　在“七五”攻关的基础上，我们紧密结合锦屏一、二级等水电站勘测设计工作中涉及坝肩稳定坝基岩体物理力学特性，渗透状况以及地应力场等方面深入地开展了工程钻探、工程物探、水文地质以及岩石力学参数测试等项目的研究，形成了多项新产品、新工艺以及成套技术，取得了一系列有价值的研究成果。

1　岩心定向技术研究

　　本项研究从解决垂直、倾斜钻孔两用，可靠度高，以及使用现有的设备和工具的条件出发，开发新型岩心定向器具，其配套设施为：
　　（1）YDX-1型岩心定向器。利用20级水力涡轮动力钻眼器及安装在防磁钻杆内的定向测量仪，通过在孔底岩心的顶面钻出标记眼，并同步测量标记眼的方位而实现岩心定向。该器具适用于孔深小于等于200m，孔径大于等于90mm的Ⅳ级以上微裂隙岩层。
　　（2）YFC-1岩心复位测量仪。采出地面的定向岩心，在岩心复位实测装置上，可借助安置其上罗盘，直接读出岩层或结构面产状。该复位实测装置适用于岩心直径为58mm～64mm，岩心长度100mm～250mm的情况。
　　（3）求解岩体层面与结构面产状的计算软件。该软件主要用于倾斜钻孔间接定向时计算岩层结构面的产状，绘制产状赤平投影图，可在现场便携机上使用。
　　该岩心定向器工作时钻杆不转动，定向速度快，精度高，使用寿命长，具有直接定向和间接定向两种功能，既适用于垂直钻孔又适用于倾斜钻孔，是一种创新的机械式岩心定向器具。

2　砂卵石层取样技术研究

　　本项研究结合锦屏一、二级电站的河床砂卵石层的勘探工作的需要，开发了新的砂卵石层钻进与取心工艺。
　　（1）在锦屏二级电站猫猫滩闸基砂卵石层勘探的过程中，应用SD系列金刚石钻具，优化钻进工艺，使岩心采取率平均达到94％以上，并进一步提高柱状率。
　　（2）研制成功了ZD-130伸缩式双卡簧金刚石钻具。该钻具取心率高于90％，取出界限清晰的滑移结构面岩心。
　　（3）在国内首次将绳索取心钻探工艺移植于砂卵石覆盖层钻进。该项工艺使内管打捞成功率达到100％，取心率大于82％，达到了在2～3个提钻间隔内，揭穿30m深砂卵石层的目的。
　　（4）开发了空气潜孔锤大口径级配样取心技术，攻克了利用钻孔获取水下河床砂卵石覆盖层级配样的难题。该技术可取出钻孔全层次的颗粒级配样，采心率达100％。
　　该项研究优化了砂卵石层金刚石钻进与取心工艺，开发了空气潜孔锤大口径级配样取心新技术，使砂卵石取心技术形成系列，互相配套，跨上了一个台阶，提高了整体水平。

3　地应力测试与分析新技术研究

　　为了加速水电工程勘测进度，降低成本利用钻孔定向取心技术获取岩样，进行了室内地应力测试的研究，形成了一套测试与分析研究方法。
　　（1）采用国产AE-400B及美国AET-5000B声发射仪对锦屏及溪洛渡等水电工程进行地应力的声发射凯塞效应测定的研究，提出一套较系统、完整的测试技术方法，从而为该测试方法的规范化和标准化奠定了基础。
　　（2）在同一试件上将岩石应力应变特征点法与声发射凯塞效应测地应力方法互相结合，进行室内地应力测试及综合分析，使所得结果更为可信。
　　（3）针对横观各向同性介质，推导出现场孔径变形法测量地应力的理论分析公式，编制了相应计算程序，从而提高了地应力分析成果的精度，可在工程上推广应用。
　　（4）在位移反分析中，提出了相对位移反分析的概念。用以反求较大范围岩石平均综合地应力量值。
　　（5）采用灰色系统理论进行地应力场的回归分析，建立了GM模型群，编制了地应力灰色回归与决策分析程序，从而克服了因施测地区的地形、地质结构的差异和技术条件限制而产生的误差给地应力测试带来的影响。此项成果已在思林、天生桥二级、洪家渡等工程的应用中，取得了较好的效果。

4　岩体裂隙结构面的计算机处理系统

　　本专题的研究主要是通过计算机对现场摄制的录像进行处理，提取裂隙图像信息，建立岩体裂隙网络，形成一个裂隙生成的自动化处理系统。
　　（1）利用摄录系统对工程现场的岩体裂隙进行编录，输入计算机的图像库，称谓摄像取样。
　　（2）将存入图像库的图像，经过数据变换及模态识别，采用先进的数字形态及可变精度的区域生成法，提取裂隙轮廓，分析其分布参数。
　　（3）在随机过程理论的基础上，引入分维几何算法，统计岩体裂隙的分布模型，以自适应方法调整裂隙网络的结构，运用网络透渗理论研究网络的生成及扩展，编制三维裂隙网络生成软件。
　　（4）利用损伤力学的宏细观分析，建立岩体剪切带破坏模型，以此进行岩体强度力学参数预测。
　　此项研究中的图像数据转化系当前计算技术的前沿课题。从而为岩石力学工程研究开辟了新的领域，工程实践证明：这一成果具有重要的实用价值，它可代替繁重的人工劳动，降低勘测成本，提高经济效益。

5　岩溶探测新技术研究

　　本专题主要结合锦屏一级普斯洛沟坝址地下岩溶的探测，开展电磁波层析成像技术的研究。
　　（1）在阻尼重建系列，快速收敛系列，相对衰减系列等图像重建方法方面，对电磁波层析成像技术进行了深入地研究，达到了图像重建的快速高精度、抗干扰、高分辨率的效果。
　　（2）密切结合现场实际，进行了实测数据分析，选择性数据处理，初始场强E。值处理，射线反馈技术、网重建、异物散射特征指导CT图像识别以及仪器接口硬件技术等方面的研究，解决了电磁波层析成像主要的关键技术问题，从而保证了高精度电磁波层析成像的实现。
　　（3）研制出一套包括观测数据实时分析，选择性处理，多种高精度图像重建算法，多种实用的层析图形、图像软件（如色谱图、色块图、立体图、灰度图、等值线图），并在屏幕上可直接对图像进行线条、文字符号的修饰和编辑功能，使层析图像具有较强的实用性。
　　本成果在大中型水利水电工程中，可用于探测地下溶洞，断层构造破碎带，尤其在岩溶探测上，具有良好的地质效果。

6　浅层折射勘探技术研究

　　地震折射勘探技术在水利水电系统中较早应用，是一种传统的地震勘探方法，一般在场地开阔、地形平坦的地区，可以取得较好的效果。本次研究结合锦屏、桐子林等工程进一步探索浅层折射在特定环境作业的新方法和分层效果，开发相应的分析处理软件。
　　（1）通过研究各类典型地质结构折射波正反演解析，较好地解决了由物理现象向物质状态转化的问题，根据理论模型和边界条件的正演，依据确定的时距曲线的异常特征，选择适当的方法进行反演，从而恢复地质结构形态，上述过程均通过程序在微机上实现。
　　（2）采用相遇与追逐的多重纲测系统，可对不同的折射界面分别进行追踪，达到折射分层的目的，通过分层t。法或延迟时间法等解释，可使折射法分层精度达到90％左右。
　　（3）解决了变速层射线追踪的关键技术问题，研究了表层或中间层折射波随深度变化的规律，提出了变速层潜射波射线追踪正反演解析方法。
　　（4）在数据处理方面，形成了一套完整的SSS-R浅层折射数据处理系统，实现了自动拾取初至，绘制并复合时距曲线，使数据处理、解释成图一体化，提高了内业工作效率和成果精度。

7　浅层反射地震勘探技术研究

　　浅层反射是重要的工程物探方法之一。为进一步提高分辨率和勘探精度，本专题在P波反射的基础上，结合锦屏等工作进行SH波反射法的研究。
　　（1）对水平多层介质和倾斜界面的人工记录合成侧重于SH波进行了研究，为区分干扰波识别有效波、最佳窗口选择、观测系统设计以及资料解释提供了依据，为提高分辨率创造了条件。
　　（2）综合应用P波、SH波反射方法进行相互验证，提高了反射解析研究和各类地震波的勘探精度，同时还可以提供弹性模量、剪切模量及泊松比等动力学参数，扩大了浅层反射的应用范围。
　　（3）对提高SH波反射勘探的信噪比，分辨率，进行了系统的试验研究，研制的震源装置，提高了激发能量和勘探深度，应用效果良好。在数据采集和预处理方面也探索出一套压制干扰波、提高信噪比的有效方法。
　　（4）在数据处理方面，对“七五”期间开发的两套浅层反射数据处理软件进行了优化和完善，并将瞬时振幅、相位、频率等参数应用到浅反解释，形成了SSP、SSS-L浅层反射数据处理系统。
　　本项研究经在锦屏、大藤峡等工程实际应用，证明地质效果良好，误差一般在10％以内。

8　地震透射层析成像技术研究

　　本项研究主要结合锦屏一级及桐子林电站，将射线追踪由直线向弯线过渡，形成一套高精度成像方法和数据处理系统。
　　（1）通过水平地层、断层破碎带地质异常体及复合地质构造等典型数学地质模型的正反演解析，对观测系统、单元划分、射线追踪、反演算法进行了研究，为野外生产和室内数据处理，提供了正确的方向和途径。
　　（2）通过平洞穿透、地震跨孔、坝基检测及灌浆检查的实际应用，对成象过程的诸多因素进行了系统全面的研究。
　　（3）采用弯曲射线追踪来描述地震波的传导路径，并采用最小走时法来完成这一过程，实现了从激发点到接收点由直线向弯线的过渡。
　　（4）在数据处理方面，建立了一套SSS-C地震透射数据处理系统，从数据采集，测试点坐标输入，拾取和校核地震走时，形成数据文件，进行射线追踪和层析反演，直至进行平滑处理，形成了地震层析成像的等直线图和色谱图。
　　本项研究，从典型的数学地质模型解析入手，通过大量的研究和实践，总结出提高地震层析成像的精度和分辨率和方法和措施，实现弯线追踪的成像技术，具有较高的理论水平。

9　3000系列测井仪的改造与钻孔原位密度测试技术研究

　　OYO-3000系列测井仪是水电地质勘探工作常用的测井设备，由于该仪器的密度探头结构上的缺陷和标定方法不当，使钻孔原位地层的密度值这一重要参数无法获得正确的测试结果，本项研究是在“七五”期间建成密度模块群，具备标定条件的基础上重新研制密度探头，使其具有获取精确的原位密度值的性能，并实现数据采集自动化。
　　（1）研制的密度探头全部采用国产元件，探头重量轻，防水结构合理，灵敏度和稳定性高，方向性极微，基本源距设计为35cm。其主要技术指标：各向偏差β0≤3；稳定度β0≤5；灵敏度≥96dB；防水性≥3MPa；误差＜1.01％（在标准密度模块群中）；适用孔径?56mm～?130mm；环境条件在－40　℃～＋60　℃；重量6kg。
　　（2）研制的数据采集系统能兼容该仪器各种测量方式的数据采集，具备LED显示，内外存储，并可被高级测井标准化软件包调用，该系统自成单元，组装在原主机内部，与原主机整体密封，并共享电源。
　　新研制的密度探头可分别代替原机的自然伽玛探头和密度探头，克服了原探头稳定性和抗方向性干扰能力差等问题，密度测量精度显著提高，且具轻便、价廉的优点。改制增设的数据采集系统，合理地利用原主机电源抽箱空间，使采集系统与原主机一体化，轻巧实用，操作方便，使整机功能明显提高。
　　通过实践提出的一整套密度测井技术，为密度测井的精确定量提供了可靠的保证。

10　自振法抽水试验方法研究

　　自振法抽水试验方法是利用自由振荡法测定岩土体的渗透系数。本课题是以“七五”研制成功的ZS-1000综合水文地质参数仪为基本手段，结合锦屏二级及桐子林工程，在数学解析、配套设施、试验方法以及资料整理方面进行了系统研究。
　　（1）从振荡机理转化为渗透机理的基本原理出发，根据含水层中水体振荡时的阻尼特性和含水层的渗透特性，两者间具有等效性，推导和建立了振荡方程。对参数的计算，以及如何减少和消除测试误差进行了分析研究，提出了解决办法和措施。
　　（2）仍据科学的边界条件，建立了模拟试验槽。该试验槽可直观显示水体在外力激发下和自由振荡过程，从而证实了数学推导与物理变化过程的一致性。其结果不仅适用于均质体也适用于非均质体。通过模拟槽实测的渗透系数与在槽内进行的自振法测得的数据相对比，相对误差为7.8％，小于抽水试验规范要求的10％。
　　（3）结合锦屏二级和桐子林等工程，以及专门的试验钻孔进行了自振法与常规抽水试验的对比与应用试验，证明两者数据基本一致，相关系数r＝0.923。
　　本试验方法系建立在科学理论的基础上，数学解析过程严密，测得渗透系数与常规抽水试验及模拟试验测得的渗透系统相对比，数值比较吻合，其相对误差小于规范要求的10％。该方法所用设备轻巧，方法简便，试验延续时间大为缩短，且可由仪器自动完成，因而具有广阔的推广应用前景。

11　钻孔地下水位长期监测系统研究

　　针对大部分水电工程地处偏僻山区，难以派遣专业人员进行长期观测的具体情况，开展了自动化观测仪器研制及编制长观资料计算机处理软件。
　　（1）钻孔地下水位自动观测仪。该仪器采用机械式传动结构，实现钻孔地下水自动观测、记录及数据储存，并设有通讯接口，使用者可根据需要随时提取水位观测数据。
　　（2）观测数据处理系统。由载体传送出的数据，经过软件处理自动传入数据库，由此可查询各种地下水位数据，打印报表，绘制水位过程线及水位等值线图。
　　本项研究推出的钻孔地下水位自动观测仪技术先进，结构合理，成本低廉，自动化程度高，载体采用大容量存储器，一块可存20个钻孔的全年数据，具有体积小、携带方便、容量能够无限扩充的灵活性，和广泛的推广应用价值。长观孔采集的数据是一种连续的，有一定规律的二维数据，故有利于发挥计算机处理的优越性，从而避免了人员采样时处理繁琐，容易出错的弊端。

12　结　语

　　本专题主要研究成果已应用于锦屏一、二级、桐子林等水电工程的勘测设计工作中，保证了勘测成果的“天然、原位”“高分辨率”和“高精度”的要求，为论证坝区岩体稳定，坝基地质构造以及岩体物理力学特性、水文地质条件，以至指导坝址选择提供了可靠的依据。从而推进了勘测技术的科技进步，加快了水电前期工作的进程，促进了水电建设事业的更快发展，取得了良好的社会效益和经济效益。