利用地震波CT技術(shù)精細化探測隧洞間巖溶構(gòu)造

蔡連初，繆念有

（1.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州，310014；2.華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，310014）

0 引言

地震波CT探測技術(shù)的基本原理是利用地震波穿透地層，通過觀測地震波的走時或振幅，經(jīng)計算反演重建地質(zhì)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像,根據(jù)成像物理量的不同分為波速成像或衰減系數(shù)成像。波速成像是最常用的地震波CT方法。近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和工程地球物理觀測技術(shù)的進步，二維地震波CT技術(shù)和探測精度不斷提高，在工程中的應(yīng)用也日益廣泛。由于二維地震波CT是對目標(biāo)體的“切片”式探測，單一地震波CT剖面無法了解巖溶等三度地質(zhì)體的全貌，而三維地震波CT技術(shù)仍在理論研究階段，因此采用多個交叉地震波CT剖面對目標(biāo)體進行多方位的探測，然后利用專門的繪圖軟件將各剖面的地震波CT探測成果繪制成三維實體圖形。根據(jù)三維實體圖形中低波速圍巖的空間分布，分析判斷溶蝕構(gòu)造的形態(tài)，實現(xiàn)對隧洞間巖溶構(gòu)造的精細化探測，達到查明巖溶構(gòu)造全貌的目的。

1 溶蝕構(gòu)造探測條件分析

地震波在地層中的傳播速度與巖石的物理性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其環(huán)境條件有關(guān)，主要影響因素有：巖性、孔隙度、孔隙中的填充物、密度、埋藏深度以及地質(zhì)年代等。對于一給定的探測區(qū)域，如果巖性相同，密度、埋深、地質(zhì)年代等基本不變，則影響地震波速度變化的主要是孔隙度和孔隙中的填充物。

威利等人在1956年提出時間平均方程，用以描述地震波速度與巖石孔隙度的關(guān)系：

式中:V——地震波的速度；

Vm——巖石骨架的波速；

VL——孔隙中充填物的波速；

φ——巖石的孔隙度。

當(dāng)孔隙度為零時,地震波的速度等于巖石骨架的速度；當(dāng)孔隙度為100%時,地震波的速度等于孔隙中充填物的速度?？紫吨械某涮罱橘|(zhì)往往包含松散的固體、氣體、液體或混合流塑體，相對由致密造巖礦物組成的巖石骨架，各種填充介質(zhì)的地震波速度要低得多，必然導(dǎo)致含孔隙巖石波速的降低。由于溶蝕作用通常導(dǎo)致巖石內(nèi)部孔隙率增大，地震波速度變小，因此利用地震波CT技術(shù)可以探測溶蝕構(gòu)造。根據(jù)地震波CT圖像中低波速區(qū)的分布形態(tài)可以分析判斷圍巖中溶蝕構(gòu)造的空間分布狀況。

2 地震波CT探測成果

某水電站工程區(qū)巖性主要為三疊系中統(tǒng)大理巖，在近東西向應(yīng)力場控制下形成一系列近南北向展布的緊密復(fù)式褶皺和陡傾角的壓性或壓扭性走向斷裂，并伴有NEE-EW向張性或張扭性斷層構(gòu)造，近地表區(qū)溶蝕構(gòu)造較為發(fā)育，對引水隧洞的運行安全構(gòu)成隱患。利用多條平行的引水隧洞在高程1 567 m平面內(nèi)布置接收點和激發(fā)點，對引水洞區(qū)域進行了地震波CT探測，圖1為其中一段存在明顯低速區(qū)域的CT等值線圖。

圖1 1-2號引水隧洞間樁號K15+756～856段地震波CT波速等值線圖（單位：km/s）Fig.1 Contour lines of the CT wave velocity at the pile mark K15+756～856 between tunnel No.1 and No.2

從圖1中可以看出，1-2號引水隧洞間K15+756～856段連續(xù)分布波速小于3.8 km/s的低速區(qū)，其波速遠低于新鮮完整巖石的波速（6.4 km/s），低速區(qū)幾乎貫通兩條引水隧洞之間，推測為溶蝕發(fā)育區(qū)。

3 三維精細化處理

1號引水隧洞和2號引水隧洞洞徑為13 m，相鄰兩洞壁間距為48 m，可充分利用隧洞高度布置多個地震波CT剖面。為了對圖1中發(fā)現(xiàn)的低速區(qū)域進行進一步詳細探測，在樁號K15+775～821段沿隧洞高度方向10 m范圍內(nèi)布置3條激發(fā)測線和3條接收測線，測線間距為5 m，共獲得9個地震波CT探測剖面。為保證觀測系統(tǒng)足夠的射線密度和射線正交性，激發(fā)點距和接收點距均為1 m。

將各個二維剖面作平面內(nèi)最短射線路徑搜索計算波速，綜合實測的9個剖面，得到三維空間波速陣列，經(jīng)專用立體繪圖軟件處理繪制三維等值面圖，并進行實體填充，最終成果清晰、直觀地體現(xiàn)了探測區(qū)域內(nèi)波速分布情況，如圖2所示。

從圖2可以看出，在高程1 567～1 577 m范圍內(nèi)，低波速區(qū)呈NEE走向并向上方和下方延伸，為了更清晰地觀察低速區(qū)波速變化情況，將圖2沿樁號K15+795作垂直隧洞軸線剖切得到剖面圖，見圖3所示。圖3中的波速等值線也反映出低速區(qū)向豎直方向延伸的特征，由此推測該區(qū)域內(nèi)發(fā)育的溶蝕構(gòu)造傾角較陡，并沿鉛直方向延伸。后經(jīng)鉆孔驗證，洞間巖體內(nèi)發(fā)育NEE向溶蝕寬縫，傾角陡立，局部擴大為溶洞。

圖2 1-2號引水隧洞樁號K15+775～821段地震波CT三維波速等值面圖（單位：m/s）Fig.2 3-d contour surfaces of the CT wave velocity at the pile mark K15+775～821 between tunnel No.1 and No.2

圖3 1-2號引水隧洞樁號K15+795垂直洞軸線剖面圖Fig.3 Profile on the vertical section at the pile mark K15+795 between tunnel No.1 and No.2

4 結(jié)語

本次洞間巖溶探測采用多交叉剖面二維地震波CT探測方法，得到三維可視化成果，極大地提高了地震波CT探測成果的質(zhì)量和探測精度，是利用二維地震波CT技術(shù)對三度地質(zhì)體進行高精度三維勘探的有益探索。

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