便携式声波钻机在水利工程地质勘察中应用效果研究

杨正春 徐连锋 伍宛生 王根华 李剑修

便携式声波钻机在水利工程地质勘察中应用效果研究

杨正春 徐连锋 伍宛生 王根华 李剑修

水利工程中淤质软土、松砂的地质勘察取样是工程地质勘察的重点和薄弱环节，一般应用螺旋钻机回转钻进，再使用薄壁取土器取样，存在钻探效率低和软弱夹层、薄层中取样困难，甚至难以取样等问题。

根据水利部科技推广计划，中水淮河规划设计研究有限公司引进加拿大制造的便携式声波钻机，该钻机采用声波钻进技术具有连续取样、钻进速度快等优点。国外已广泛应用于湖底沉积物勘察、海洋地质调查、土壤研究、砂金矿床开采等领域的矿物成分分析、地层编录等，为了探讨该设备取样效果，评估其取样过程对土样扰动影响，此次结合引江济淮工程勘察工作进行现场钻探、取样及室内试验，分析与常规钻机取样试验指标的差异程度，以便在水利工程地质勘察中推广应用。

一、试验场地钻探取样情况

引江济淮工程西淝河下段输水线路工程需疏浚河道，位于淮北冲积平原，属西肥河漫滩相沉积，河道长度12.65km。疏浚段河槽开挖段查明淤泥质土、砂性土的分布、物理力学指标是进行河底开挖、坡比设计的关键，也是工程勘察工作的重点，为此在工程关键部位采用便携式钻机钻探。为了对比不同钻机取样效果，此次采用与常规钻机同步钻探对比，共进行2组对比钻探孔，每组2孔，孔间距约5m，对比层位主要为②层淤泥质轻粉质壤土，该层土为第四系全新统冲积成因，灰色，软塑状态，厚度3.5m左右，一般分布在疏浚河道的岸坡下部，是影响岸坡稳定的关键位置。

钻探过程常规钻机采用锤击式连续取样，长度0.3m，然后进行清孔，到达预定深度后，再次取样，直到预定位置；使用便携式钻机，现场取样后，送到室内，结合记录及常规钻探取样位置截取土样，尽量采取同样深度土样，以排除取样地层不同和深度变化对试验成果的影响。

二、室内试验数据分析

此次仅对第②层淤泥质轻粉质壤土土样试验指标进行对比，物理指标主要包括含水率、干密度、孔隙比，力学指标主要包括压缩系数、压缩模量和粘聚力、内摩擦角（直剪）。试验结果表明，物理试验指标、压缩试验指标两种方法所取土样的试验指标相差较小，两种方法取样的试验指标数值基本重叠，说明取样方法对上述指标没有影响，或者说扰动程度一样，其中1组干密度试验指标室内试验成果对比见图1。

剪切试验指标影响略大，粘聚力、内摩擦角指标1组室内试验成果对比见图2、3。从图中试验数据可以看到，两种指标数据大部分重叠性较好，仅在埋深2.5m深度的试验数据差异较大。

图1　干密度对比图

图2　内摩擦角对比图

图3　粘聚力对比图

根据数理统计的相关公式，对两种所取土样的含水率、干密度和压缩系数、压缩模量、粘聚力、内摩擦角等物理力学指标进行统计，其中含水率和干密度总体分布状态和统计数据基本一致，压缩系数和压缩模量也基本一致，试验成果统计见表1。

表1　土样物理力学参数试验值总体分布状态对比分析表

经统计，试验数据中含水率、干密度等物理指标的变异系数小，压缩系数、压缩模量变异系数稍大，粘聚力、内摩擦角的变异系数较大。

为了检验试验参数的结果总体均值是否相等，试验数据的总体均值检验采用统计学中均值之差U检验法，设置信水平α=0.05，查标准正态分布函数表，得知Uα/2=1.96，即在保证率为95%，两种土样相关程度系数小于1.96，说明两种土样试验成果一致性很好。

统计结果表明，除内摩擦角外，其他各试验参数相关系数为0.057～1.468，均小于1.96，故常规钻机取样和便携式声波钻机取样的土样土工试验所得结果是基本相等的。含水率、干密度的相对偏差小于3%，试验结果符合性好，压缩系数、压缩模量相对偏差小于8%，试验结果符合性较好。

内摩擦角相对偏差较大，相关程度系数为4.059左右，根据图2中可见在2.5m深度的土样内摩擦角试验值明显偏高，达25.6°，而该土样的粘聚力为7.14kPa，明显偏低，但总体抗剪强度与其他土样相差有限，虽然内摩擦角参数本身有一定的离散性，若剔除不合理指标，二者的相似程度会提高，作为软土层常规钻机取样保证率低，便携式钻机可以作为补充取样手段，结合软土原位试验，力学试验指标经过修正后有一定的参考价值。

三、结论与建议

（1）便携式声波钻机取样与常规钻机取样进行土工试验对比，其含水率、干密度等物理试验指标结果符合性好，压缩系数、压缩模量试验结果符合性较好，可达到常规钻机取样试验效果。粘聚力、内摩擦角相对偏差略大，修正后仍有一定的参考价值。

（2）常规钻机在软土中取样保证率低，而便携式声波钻机可以快速钻探、连续取样，更可实现软弱夹层、薄层的完整取样，同时具有轻便、场地适应能力强、成本低特点，是水利工程勘察中值得推广的一种勘探设备

（注：本项研究得到水利部“948”项目经费资助，项目编号201313）

（作者单位：中水淮河规划设计研究有限公司230000）