電磁波CT在水電工程巖溶探測中的應(yīng)用

楊嘉明，閆占豹，楊 帆，宋偉健

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春 130062）

1 概述

在水利水電工程建設(shè)方面，碳酸鹽巖一般屬于硬巖或中硬巖，承載力和抗剪強度較高，具有良好的物理力學(xué)特征，完全可以滿足民用建筑和各類水工建筑物的強度要求；同時碳酸鹽巖又是良好的天然建筑材料。但是云南、貴州、廣西等地區(qū)，由于常年降雨量大，氣候溫暖潮濕，營造了良好的巖溶發(fā)育外部條件，要開發(fā)利用巖溶區(qū)域豐富的水利水電資源，就必須解決由于巖溶發(fā)育所帶來的復(fù)雜的水文工程地質(zhì)問題，如果選址不當(dāng)，工程就會遭受巨大損失，甚至是毀滅性的。諸如：由于巖溶通道滲漏導(dǎo)致的基坑及地下硐室涌水，大壩、廠房基礎(chǔ)和邊坡穩(wěn)定，以及因巖溶發(fā)育引發(fā)的水庫地震及塌陷，這些都是水利水電建設(shè)的關(guān)鍵問題[1]。

2 工作原理

電磁波CT法是利用電磁波（工作頻率0.5～32 MHz）在兩個鉆孔中分別發(fā)射和接收，根據(jù)不同位置上接收的場強大小，使用計算機層析成像技術(shù)，反演兩孔間地下地質(zhì)體吸收系數(shù)分布的一種地下地球物理勘探方法。也稱井中電磁波透視法[2]。

電磁波在地下傳播過程中，由于地質(zhì)體吸收了一部分電磁波能量而使場強減小，減小程度與地質(zhì)體視吸收系數(shù) βs的大小成正比。由于不同物理性質(zhì)的地質(zhì)體βs值之間存在差異，可以采用水平同步及全孔定點扇形掃描觀測方式，可獲得不同位置上（深度上）的場強Er資料，并使用計算機層析成像方法反演兩孔間的地下地質(zhì)體的吸收系數(shù)分布圖。依據(jù)圖上 βs的大小和等值線的位置、形態(tài)、結(jié)合鉆孔資料推測地下巖溶及破碎帶的位置、規(guī)模及產(chǎn)狀。

3 影響電磁波吸收系數(shù)的因素

1）電阻率。電阻率是決定地下介質(zhì)吸收電磁波的主要影響因素，影響電阻率的因素很多，除與導(dǎo)電礦物成分、含量有關(guān)外，還與巖礦石的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造，孔隙度，含水度，以及含水的礦化度，還與溫度，壓力等密切相關(guān)。

2）介電常數(shù)。介電常數(shù)表示介質(zhì)極化強度的強弱，在高電阻的介質(zhì)中，才能比較明顯的顯示出介電常數(shù)對電磁場的振幅和相位的影響。大多數(shù)巖石的介電常數(shù)變化范圍基本維持在4～16之間，但水的介電常數(shù)卻很高，為81。因此，在含水飽和度不同的情況下，介質(zhì)的介電常數(shù)值變化會比較大。

3）磁導(dǎo)率。一般只有在磁性礦體上，磁導(dǎo)率才有明顯的變化[3]。

4 工程及地質(zhì)概況

某水利樞紐工程項目位于珠江水系西江流域，屬于紅水河梯級規(guī)劃中最末一個梯級。由于施工區(qū)純碳酸鹽巖包括灰?guī)r、燧石灰?guī)r及白云巖，呈大面積連續(xù)分布?；?guī)r分布面積最廣，廣泛分布于上庫段，巖溶最為發(fā)育，巖溶現(xiàn)象不但數(shù)量多，而且個體大，垂向深，自開工以來，開挖揭露的溶溝、溶槽、溶洞等巖溶形態(tài)十分發(fā)育。已發(fā)生巖溶塌陷10余處，最大塌坑直徑25 m，下引航道渠坡揭露土洞2處，可見施工區(qū)存在較大的巖溶塌陷危險性，危及施工安全。

5 工作布置及數(shù)據(jù)處理

在漏水通道可能通過帷幕灌漿線的重點部位布置8條電磁波CT剖面，共計43對電磁波CT剖面。電磁波CT在相鄰的兩個先導(dǎo)孔中進行，孔間距為8～20 m，剖面深度在40～60 m。

將現(xiàn)場采集到的場強數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機中，在經(jīng)過刪除壞值、井斜校正、平滑濾波后，使用隨機攜帶的“井下電磁波分析系統(tǒng)”反演。反演選用1 m×1 m有限單元，進行聯(lián)合迭代法（SIRT）反演計算，迭代次數(shù)經(jīng)試驗選定為50次疊加。最后利用Surfer成圖軟件，將反演數(shù)據(jù)生成電磁波視吸收系數(shù) βs等值線剖面圖，然后將同一部位相鄰剖面聯(lián)合反演拼接，形成8個部位的 βs等值線剖面圖。

6 實測成果分析

6.1 異常判別標(biāo)準(zhǔn)

地下有巖溶發(fā)育及基巖局部破碎，電磁波穿過時能量被大量吸收，在 βs等值線圖上表現(xiàn)為高吸收率。在CT剖面的上部和底部，由于射線較稀疏，易出現(xiàn)假異常，通過地質(zhì)資料予以識別、剔除。依據(jù)有效異常的 βs值大小和 βs等值線的形態(tài)、產(chǎn)狀，結(jié)合測區(qū)地質(zhì)資料，將電磁波CT剖面劃分異常場區(qū)（溶溝或溶槽發(fā)育區(qū)、溶洞發(fā)育區(qū)、基巖破碎區(qū)），正常場區(qū)（基巖較完整區(qū)），以下為判定標(biāo)準(zhǔn)：

1）溶溝或溶槽發(fā)育區(qū)、溶洞發(fā)育區(qū)、基巖破碎區(qū)（洋紅色、紅色、黃色、綠色區(qū)：0.5＞ βs＞0.15）。

2）基巖較完整區(qū)（淺藍色、藍色區(qū)：0.15＞ βs）。

6.2 成果分析

由于剖面過多，以下文章中選取及DCT4-DCT4′和DCT6-DCT6′為例進行解釋說明。

1）DCT4-DCT4′。剖面共發(fā)現(xiàn)6處高吸收率異常。其中Y4-1、Y4-2、Y4-3處異常電磁波吸收系數(shù)為0.5＞βs＞0.3，推測為溶洞、溶溝或溶槽發(fā)育區(qū)。Y4-4、Y4-5、Y4-6電磁波吸收系數(shù)為 0.3＞ βs＞0.15，推測為基巖破碎區(qū)。綜述高程30～5 m范圍內(nèi)局部巖溶較發(fā)育、基巖破碎。異常分布及性質(zhì)判別詳見表1。

表1 DCT4-DCT4'電磁波CT剖面異常一覽表

2）DCT6-DCT6′。剖面共發(fā)現(xiàn)13處高吸收率異常。其中Y6-1～Y6-7、Y6-10、Y6-12處異常電磁波吸收系數(shù)為0.5＞βs＞0.3，推測為溶洞、溶溝或溶槽發(fā)育區(qū)。Y6-8、Y6-9、Y6-11、Y6-13處異常電磁波吸收系數(shù)為0.3＞βs＞0.15，推測為基巖破碎區(qū)。綜述高程30～5 m范圍內(nèi)局部溶溝、溶槽、溶洞較發(fā)育。高程5～-23 m整體巖體較完整，局部發(fā)育溶洞或基巖破碎。異常分布及性質(zhì)判別詳見表2。

表2 DCT6-DCT6'電磁波CT剖面異常一覽表

7 結(jié)論與認識

1）DCT4-DCT4′剖面在高程30～5 m范圍內(nèi)局部巖溶較發(fā)育、基巖破碎。

2）DCT6-DCT6′剖面在30～5 m范圍內(nèi)局部巖溶發(fā)育。在高程5～-23 m整體巖體較完整，局部發(fā)育溶洞或基巖破碎。

3）探測成果有效解決了工程所關(guān)注的問題，為后期有針對性的灌漿治理方案提供寶貴依據(jù)。

4）電磁波CT可應(yīng)用于巖溶管道或溶蝕異常區(qū)的精確探測，其探測巖溶異常體精度較高，但需鉆孔配合使用，且孔間最佳探測距離為30 m，庫區(qū)探測主要應(yīng)用于構(gòu)造缺口及可能產(chǎn)生巖溶塌陷的關(guān)鍵部位。

5）防滲帷幕探測，先導(dǎo)孔巖溶洞隙或巖溶巖體中防滲帷幕質(zhì)量，可采用孔間電磁波CT探測。

6）在施工期揭示壩基及防滲帷幕線上的巖溶洞穴的分布位置、規(guī)模、形態(tài)等，為防滲處理提供“準(zhǔn)確”的資料，應(yīng)以能精確探測的聲波或電磁波CT為主[4]。

［1］封云亞，沈春勇.喀斯特地區(qū)水利水電工程勘測與處理新技術(shù)［J］.水利水電技術(shù)，2005（09）：13-15.

［2］岳崇旺，王祝文，徐加益.電磁波層析技術(shù)在工程地質(zhì)中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2008（02）：216-219.

［3］張受舳，師學(xué)明.電磁波層析成像技術(shù)進展［J］.工程地球物理學(xué)報，2009（06）：418-425.

［4］范志雄，袁景花，尹學(xué)林，肖海云.利用電磁波層析成像技術(shù)優(yōu)化水電工程防滲帷幕處理技術(shù)方案［J］.電力標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2005（03）：21-24.