地质超前预报在抽水蓄能电站工程中的应用.pdf
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1、水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2王奶生,赵党军,李院忠,等.地质超前预报在抽水蓄能电站工程中的应用J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):85-92.WANG Naisheng,ZHAO Dangjun,LI Yuanzhong,et al.Application of geological advance prediction in pumped storage power station engi-neeringJ.Water Resourc
2、es and Hydropower Engineering,2023,54(S2):85-92.地质超前预报在抽水蓄能电站工程中的应用王奶生,赵党军,李院忠,路宏南,李 健,付长明,孙凯辉(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司 北京 100024)收稿日期:2023-06-30作者简介:王奶生(1979),男,高级工程师,项目负责人,学士,主要从事工程物探工作。E-mail:wangns 摘 要:地质超前预报是在隧洞开挖过程中利用地质雷达具有高分辨率、无损、工作效率高、异常直观等特点,结合隧洞地质编录资料,分析判断掌子面前方一定距离内不良地质体的位置、性状和影响隧洞的长度,由此预测未开挖洞段
3、围岩类别与可能存在的工程地质问题,从而为工程开挖断面、工程施工方法、洞壁支护设计参数的合理选择以及工程施工方案的合理优化等奠定基础,进而降低施工过程中可能发生的风险。通过实例论述地质超前预报在抽水蓄能电站工程中的应用,说明采用工程地质分析法和地质雷达法相结合的地质超前预报技术能够及时预警,并通过提前采取有效的预防手段,避免地质灾害的发生,从而降低工程风险,保障施工安全。关键词:地质超前预报;地质雷达;抽水蓄能电站;不良地质体;断层;裂隙DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.016中图分类号:TV213.4文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0085
4、-08Application of geological advance prediction in pumped storage power station engineeringWANG Naisheng,ZHAO Dangjun,LI Yuanzhong,LU Hongnan,LI Jian,FU Changming,SUN Kaihui(Power China Beijing Engineering Coproration Limited,Beijing 100024,China)Abstract:Geological advance prediction is the use of
5、Ground penetrating radar(GPR)in the process of tunnel excavation,which has the characteristics of high resolution,non-destructive,high work efficiency,and abnormal visualization.Combined with tunnel geological logging data,it analyzes and judges the position,characteristics,and length of unfavorable
6、 geological bodies within a certain distance in front of the palm,thereby predicting the type of surrounding rock in the undeveloped section and potential engineering geological problems.Providing a reliable basis for the reasonable selection of excavation sections,con-struction method,support desig
7、n parameters,and optimization of construction plans to reduce the risks that occur during the con-struction process.This paper discusses the application of geological advance forecast in Pumped-storage hydroelectricity project through examples,and explains that the geological advance forecast techno
8、logy combining engineering geological analysis method and GPR method can give early warning in time,avoiding the occurrence of geological disasters,reduce risks,and ensure con-struction safety through effective measures taken in advance.Keywords:geological advance prediction;ground penetrating radar
9、(GPR);pumped-storage hydroelectricity;adverse geological bodies;fault;fracture58王奶生,等/地质超前预报在蓄能电站工程中的应用水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期0 引 言0 引 言 近年来随着“双碳”目标的提出,抽水蓄能电站建设进入高峰期,各个项目大面积开展,隧洞开挖存在涌水、突泥、坍塌等重大安全隐患,过去在隧洞施工开挖过程中经常出现伤亡事故,为了保证生命财产安全,减少经济损失,急切需要一种能够提供可靠的洞室前方掌子面地质条件及围岩情况的勘测技术方法,而地质超前预报则一跃成为指导抽水蓄能电
10、站隧洞施工的不可或缺的一项技术手段。结合抽水蓄能电站工程的特点(各洞室弯道和坡度的变化大、预报精度高、测试时间短等因素),如今在工程地质的隧洞开挖过程中普遍采用工程地质分析法与地质雷达法结合互补的预报技术,该技术能够及时预报掌子面前方尚未开挖区域中存在的不良地质体及其含水情况,预测其成灾可能性,因此对保障隧洞施工安全具有十分重要的作用。1 预报内容及方法选择1 预报内容及方法选择1.1 预报内容 铁路、公路、电站隧洞地质超前预报预报内容差不多,但方法选择却有所差别,铁路和公路隧洞根据其特点更适合中、长距离预报,抽水蓄能电站隧洞根据其特点更适合短距离预报。隧洞施工中的地质超前预报内容一般主要涉及
11、以下几个方面:(1)不良地质构造以及灾害地质的预报,主要涉及突泥、突水、岩爆以及有害气体等相关灾害情况的预报,同时查明异常区域发育的范围、规模以及性质等,进而提出可靠的预防措施或建议;(2)水文地质预报,主要涉及对地质体中异常部位涌水量的大小以及变化规律情况的预报,同时评价其对水文以及环境地质的影响情况;(3)断层及其影响范围的预报,主要涉及工程施工中洞室断层的位置、发育宽度、发育产状、断层性质以及填充物的状态、是否为充水等情况的预报,同时需要判断其稳定性,进而提出相关施工方案;(4)围岩类别以及稳定性的相关预报,主要涉及对掌子面前方未开挖区域的围岩类别与预设的工程设计是否吻合的预报,同时判断
12、围岩稳定程度,并且随工程进行及时提供修改设计、调整相关支护方案、确定二次衬砌时间等的相关建议。1.2 方法选择 隧洞工程中的地质超前预报主要涉及方面为断层破碎带、裂隙结构面、岩溶等异常构造和地下水的相关预报。超前预报的重点在于有效预报距离及预报精度,而通常情况下,预报距离与预报精度成反比关系,即预报距离短精度则相应较高。地质超前预报的方法主要有工程地质分析法、地球物理探测法、超前钻探法和超前导坑预报法等,目前主要采用工程地质分析法与地球物理探测法相结合的方式。1.2.1 工程地质分析法该方法即采取地质分析手法来进行地质构造预报,主要是通过对隧洞工程区进行地质调查、描绘以及隧洞开挖段的地质编录等
13、地质手段来精准预测隧洞工程区掌子面前方不良地质体的位置、性质、规模以及水文地质条件。其中主要包括地表地质调查法、地质体投射法、地质编录预报法等方法。1.2.1.1 地表地质调查法通过复核原设计图中的地层、地质构造等不良地质体情况,来判断确定异常地质体的位置、产状、性状和规模。1.2.1.2 地质体投射技术依据地表地质体及周围洞室开挖揭露地质体的位置、产状及规模进行空间延伸,求得地质体发育穿行隧洞的位置、规模等,进而从宏观上把握整个隧洞工程地质状况,并确定预报的重点关注区段。1.2.1.3 掌子面地质素描该方法是根据掌子面开挖已知的地质条件以及相关变化趋势来推测前方地质情况的一种最基本的工程地质
14、分析法。隧道掌子面地质素描的内容包括:(1)掌子面的地层岩性描述;(2)地质构造的描述;(3)裂隙节理的发育及分布情况;(4)结构面的产状、性质等;(5)地下水的相关情况。1.2.2 地球物理探测法主要是通过围岩与不良地质体的物性差异性表现,查明不良地质体的发育位置、发育产状、性质以及发育规模等。隧洞地球物理预报包含较多的物探方法,其中主要有地震法(地震负视速度法、TSP隧道超前预报技术、TRT 层析扫描超前预报技术、TGP 隧道超前预报技术、陆地声纳法)、电磁波法(地质雷达法)、温度场法(红外探测法)、电法(BEAM 法)等,充分了解各种预报方法的应用范围及适用条件(见表 1),是开展隧洞地
15、质超前预报的基础与前提。目前隧洞地质超前预报地球物理探测方法主要采用地震法和电磁波法(地质雷达法),地震法主要针对中、长距离而地质雷达法主要针对短距离,两种方法各方面比较如表 2 所列。68王奶生,等/地质超前预报在抽水蓄能电站工程中的应用水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期表 1 常用隧洞地质超前预报地球物理探测方法的应用范围及适用条件序 号预报方法物性参数应用范围适用条件1地震负视速度法波阻抗、波速探测断层、破碎带、喀斯特等构造目标体与围岩的波阻抗存在明显差异,目标体具有一定的规模或延伸长度,现场无振动干扰,适合用于中长距离预报2TSP 隧道超前预报技术波阻抗、波速
16、探测断层、破碎带、喀斯特等构造,判断富水性目标体与围岩的波阻抗存在明显差异,目标体具有一定的规模或延伸长度,现场无振动干扰,适合用于中长距离预报3TRT 层 析 扫 描超前预报技术波阻抗、波速探测断层、破碎带、喀斯特等构造,判断富水性目标体与围岩的波阻抗存在明显差异,目标体具有一定的规模或延伸长度,现场无振动干扰,适合用于中长距离预报4TGP 隧道超前预报技术波阻抗、波速探测断层、破碎带、喀斯特等构造,判断富水性目标体与围岩的波阻抗存在明显差异,目标体具有一定的规模或延伸长度,现场无振动干扰,适合用于中长距离预报5陆地声纳法波阻抗、波速探测断层、破碎带、喀斯特等构造目标体与围岩的波阻抗存在明显
17、差异,现场无振动干扰,适合用于短距离预报6地质雷达法介电常数探测断层、破碎带、喀斯特、裂隙及地下水目标体与围岩的介电常数存在明显差异,适合用于短距离预报7红外探测法温度探测地下水地下水与围岩存在温度差异,适合用于短距离预报8BEAM 法电阻率和极化率探测地下水,判断地层富水性适合用于 TBM 掘进方式,围岩电阻率比较高,游散电流小表 2 地震和地质雷达探测方法对比方法比较地震探测地质雷达探测预报距离中、长距离,50250 m短距离,2025 m计时精度msns探测精度大于 1520 cm小于 10 cm预报频次每 50250 m 预报一次每 2025 m 预报一次,类围岩洞段每一爆破循环预报一
18、次预报时长至少 12 d0.51 h对围岩的影响造成破坏无损预报准确度一般高定向问题散射全方位 360天线前方 6070锥形体 地质雷达法超前预报的应用效果具有以下特点:(1)对规模大、延伸长的地质体探测效果较好;(2)对张性结构面探测效果较好;(3)对充泥、充水以及地质体中含有空腔的情况探测效果较好;(4)对探测与测线平行或以小角度相交的结构面效果较好;(5)对掌子面的探测中,与隧洞轴线呈大角度相交的结构面效果更好;对侧壁或底板探测中,与隧洞轴线以小角度相交的结构面效果更好;(6)对不规则形态的三维地质体,如溶洞、暗河等不良地质体的探测效果较好。综上所述,蓄能电站隧洞地质超前预报采用工程地质
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