CT技術(shù)在水利水電工程勘察中的應(yīng)用

熊 勇

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州貴陽 550002)

0 引言

水利樞紐和水電工程因其特殊性絕大部分均選址于地形陡峭、通行困難的深切河谷地段，這就給地質(zhì)勘察工作的開展帶來較大的難度。水利水電工程的主要勘察手段離不開鉆探、平硐、物探等綜合方法，由于地表地形條件較差，地面物探勘察方法的應(yīng)用受到較大的限制，同時因地形的影響使得地面物探勘察成果精度較低。如何充分利用地形及現(xiàn)有的鉆孔、平硐等地質(zhì)工程，采用CT技術(shù)、聲波測試、鉆孔攝影、地質(zhì)雷達等物探方法查明工程地質(zhì)情況是物探科技工作者必須研究的課題。本文通過工程實例，介紹利用平硐、鉆孔進行地震波CT、電磁波CT所取得的地質(zhì)效果，與同行交流，以提高復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下物探勘察方法的應(yīng)用水平。

1 CT技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法

1．1 CT 技術(shù)

CT技術(shù)是利用在物體外部觀測得到的物理場量，通過特殊的數(shù)字處理技術(shù)，重現(xiàn)物體內(nèi)部物性或狀態(tài)參數(shù)的分布圖像，從而解決有關(guān)的工程技術(shù)問題［1］。根據(jù)CT勘察所利用場源的不同，可分為彈性波(地震波、聲波)CT、電磁波CT等。地震波CT與電磁波CT工作原理、工作方法大致相似，區(qū)別在于場源及利用的物性參數(shù)不同，地震波CT利用的是地質(zhì)體的地震波速度差異，電磁波CT利用的是地質(zhì)體對電磁波能量的吸收衰減差異。現(xiàn)以地震透射波CT為例，對CT工作敘述如下:

如圖1所示，設(shè)有兩平硐PD1、PD2(或兩鉆孔)，在兩平硐(或鉆孔)之間進行地震波透射，以探明兩平硐之間巖體完整性及構(gòu)造分布情況。沿PD1布置激發(fā)點 F1、F2、…、Fn，沿 PD2 布置信號接收點 S1、S2、…、Sn，在兩平硐(或鉆孔)之間組成致密交叉的激發(fā)—接收網(wǎng)絡(luò)，然后根據(jù)射線的疏密程度和成像精度要求進行單元劃分，并建立觀測參數(shù)線性方程組，再選用適當(dāng)?shù)纳渚€追蹤和反演方法，經(jīng)過多次迭代并成像，便可獲得被測區(qū)域的地震波速分布圖像。

圖1 CT工作示意圖Fig.1 Working diagram of tomography

1．2 CT數(shù)據(jù)處理方法

對上述觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)反演過程如下:首先把兩平硐(或鉆孔)之間的斷面劃分成若干等面積的小方塊，實現(xiàn)透射空間離散化。設(shè)橫向分格數(shù)為K，縱向分格數(shù)為L，總的小方格數(shù)為m=L×K，小方格的大小依勘測精度要求及射線的疏密程度而定。對每個小格編號，分別為1、2、……、m。設(shè)Vj為第j個小方格的地震波傳播速度，對于每條地震波射線都可以寫出一條射線方程［2］:

式中:Ti為第i條射線的地震波到達時間;Aj為該射線在第j號方塊中的長度;m為射線條數(shù)。

如果分別在兩個平硐(或鉆孔)的不同位置激發(fā)、接收n次，便可以得到n個射線方程，寫成矩陣形式為:

求解上述矩陣方程便可得到地震波在各個小方格內(nèi)的地震波慢度值，分別取其倒數(shù)即得到速度，從而得到兩平硐(或鉆孔)之間的地質(zhì)體地震波速度分布，達到重建勘察斷面的速度地質(zhì)模型的目的。

2 工程實例

貴州某水電站工程右壩肩地形、地貌及鉆孔、平硐分布情況如圖2。從外表看，右壩肩巖體完整性較好，然而根據(jù)勘探鉆孔、平硐揭露的情況，右壩肩730～770 m高程，巖體內(nèi)溶蝕風(fēng)化嚴(yán)重，沿平硐方向見10多米長的泥化夾層，平硐施工后垮塌嚴(yán)重，對壩肩的穩(wěn)定性危害較大，直接關(guān)系到該壩址的建壩條件。要進一步查明巖體內(nèi)泥化夾層及破碎帶沿垂向和縱向的分布情況，從地形條件看采用地面物探方法較難，充分利用現(xiàn)有的勘探平硐及鉆孔采用CT技術(shù)進行勘察是較好的選擇。為此筆者利用平硐PDⅡ-4、PDⅡ-5、PDⅡ-6、PDⅠ-3進行地震波CT技術(shù)，構(gòu)建右壩肩巖體的二維地震波速度地質(zhì)模型;利用鉆孔ZKⅡ-9、ZKⅢ-9、ZKⅢ-7、ZKⅢ-10進行電磁波CT技術(shù)，構(gòu)建右壩肩巖體的二維電磁波吸收系數(shù)地質(zhì)模型(鉆孔、平硐分布情況見圖2)。通過對巖體地震波速度、電磁波吸收系數(shù)的分析，結(jié)合現(xiàn)場巖體地震波速度的物性測定情況，綜合平硐、鉆探資料，確定劃分破碎帶或泥化夾層的速度上限，從而查明兩壩肩巖體內(nèi)破碎帶或泥化夾層的發(fā)育分布情況。

圖2 右壩肩地形地貌及鉆孔、平硐分布情況圖Fig.2 The diagram of right abutment of topography and drilling，adit distribution

圖3 為右壩肩PDⅡ-4～PDⅡ-6、PDⅡ-4～PDⅠ-4地震波CT技術(shù)成果圖，從圖中可以看出，平硐PDⅡ-4～PDⅡ-6、PDⅡ-4～PDⅠ-4構(gòu)成的透射斷面上，大部分斷面位置地震波速度V≤4 000 m/s，根據(jù)巖體波束測試結(jié)果，結(jié)合鉆探與平硐勘察的成果分析，將地震波速度V≤3 000 m/s的異常帶劃分為泥化夾層，將地震波速度3 000 m/s≤V≤4 000 m/s的異常帶劃分為相對破碎巖體，資料解釋成果與鉆探及平硐勘探情況吻合較好。

圖4為右壩肩ZKⅢ-7～ZKⅢ-9、ZKⅢ-7～ZKⅢ-10電磁波CT技術(shù)成果圖，從圖中可以看出，鉆孔ZKⅢ-7～ZKⅢ-9、ZKⅢ-7～ZKⅢ-10構(gòu)成的透射斷面上，大部分斷面位置電磁波吸收系數(shù)＞0．6，斷面局部位置電磁波吸收系數(shù)在0．8～1之間，結(jié)合鉆探與平硐勘察的成果分析，將電磁波吸收系數(shù)在0．6～0．8之間的位置劃分為破碎帶，電磁波吸收系數(shù)在0．8～1之間的位置劃分為泥化夾層，資料解釋成果與鉆探情況吻合較好。

圖3 右壩肩平硐地震波CT成果圖Fig.3 Adit right abutment sectional view of the results of the seismic wave CT

圖4 右壩肩鉆孔電磁波CT成果圖Fig.4 Right abutment sectional view of the results of drilling electromagnetic CT

3 結(jié)論

通過工程實踐證明，地震波CT和電磁波CT技術(shù)用于探測巖溶、斷層破碎帶、泥化夾層等不良地質(zhì)體時在一定地質(zhì)條件下可取得較好的效果。對于水利、水電這類惡劣地形條件下較難開展地面物探勘察工作的地段，充分利用現(xiàn)有的勘探鉆孔、平硐等地質(zhì)工程及地形條件，進行鉆孔與鉆孔、平硐與平硐、平硐與地表、地表與地表之間的CT勘察，對于節(jié)約勘察成本、提高勘探成果精度取得事半功倍效果，對解決復(fù)雜條件下的地質(zhì)問題較為適用，勘察成果精度較高。

［1］ 石林珂，孫懿斐．聲波技術(shù)［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003(1):122．

［2］ 王振東．淺層地震勘探應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:地質(zhì)出版社，1988:215－216．