彈性波層析成像（CT）技術(shù)在高精度巖土工程勘察中的應用探討

■陳志軍 王賜鴻 高陽

(重慶地勘局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊 重慶 400700)

彈性波層析成像（CT）技術(shù)在高精度巖土工程勘察中的應用探討

■陳志軍 王賜鴻 高陽

(重慶地勘局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊 重慶 400700)

彈性波層析成像因其勘探精度高、可靠性高、圖像直觀、場地要求較小、抗干擾能力較強等特點被廣泛應用于巖土工程勘察。介紹彈性波層析成像的基本原理以及關鍵技術(shù)，并結(jié)合實際工程案列，對彈性波層析成像（CT）技術(shù)在高精度巖土工程勘察中的應用進行了探討。

彈性波層巖土工程勘察

1 引言

隨著國家現(xiàn)代化建設的需要，各類工程建設對巖土工程勘察的技術(shù)要求越來越高，物探作為一種重要勘探手段，作用也越來越大。新時期的巖土工程勘察具有精度要求高、場地狹小、干擾大等特點，也給物探方法提出了更高的要求。彈性波層析成像（CT）技術(shù)具有勘探精度高、可靠性好、圖像直觀、場地要求較小、抗干擾能力較強等特點，廣泛應用于：工程地質(zhì)勘探、混凝土構(gòu)件和堤壩防滲墻質(zhì)量檢測、地基處理或加固效果評價、鐵路和高速公路路基病害探測等方面的高精度探測。

本文對彈性波層析成像的基本原理以及關鍵技術(shù)進行了介紹，并結(jié)合實際工程案列，對彈性波層析成像（CT）技術(shù)在高精度巖土工程勘察中的應用進行了探討。

2 原理

計算機層析成像（Computerized Tomography，簡稱CT），是一種利用在物體周邊所獲取的某種物理量的一維投影數(shù)據(jù)，運用一定的數(shù)學方法，通過計算機處理，重建物體特定層面上的二維、三維的成像技術(shù)。

速度是目前彈性波層析成像最常用的參數(shù)，其利用彈性波在不同介質(zhì)中傳播速度的差異，確定一個沿路徑的積分的圖像函數(shù)d=∫f(,y)dl，即Radon變換。數(shù)據(jù)處理滿足方程ti=∫dl/C(x,y)+δti根據(jù)彈性波信號初至時間數(shù)據(jù)的變化，利用計算機,通過對剖面速度場圖像重建，來推斷地質(zhì)體的位置、形態(tài)和分布狀況，是當前最為有效、最為精確的測試方法之一。

3 方法技術(shù)

3.1 試驗工作（1）收發(fā)方式確定：根據(jù)激發(fā)方式、孔間距的不同，選擇通頻帶、靈敏度合適的檢波器。

（2）確定觀測系統(tǒng)實驗：成像區(qū)域的孔深和孔間距之比盡量大于1，最好達到2，陡傾角射線書越多，成像地質(zhì)效果越好[3]，孔深不一致時，可采用淺孔激發(fā)、深孔接受；震源間距和接收器間距應小于探測目標體尺寸，一般取探測目標體的1/3，可以依據(jù)現(xiàn)場試驗確定激發(fā)和接受器間距。

（3）采樣參數(shù)試驗：通過試驗選擇最佳的采樣間隔、采樣長度、前置放大倍數(shù)以及帶通濾波頻率等參數(shù)。（4）接收檢波器一致性實驗。3.2現(xiàn)場觀測技術(shù)

首先要準確測量激發(fā)點及檢波器的位置；其次與常規(guī)的地震勘探一樣，可以采取多次疊加等方式減少隨機干擾，增強有用信號；在井內(nèi)完成一次完整的觀測后，收發(fā)位置應互換實施第二次測量，這樣一方面可以檢驗數(shù)據(jù)的可靠性，同時能減少隨機誤差，提高探測精度。如探測深度范圍大于檢波器串長度，則需要移動檢波器串，此時應至少有一個檢波點的重復測量。

3.3 關于提高分辨率的討論

合理設計觀測系統(tǒng)可提高分辨率。裴正林[4]等認為井間彈性波層析成像在水平方向最小分辨率為3個像元、垂直方向最小分辨率為2個像元，依據(jù)此理論設計適當?shù)目组g距、炮間距和接收傳感器間距，形成均勻分布、密集交叉的觀測系統(tǒng)，以提高分辨率。

震源、接收檢波器特性對分辨率也有影響。依據(jù)彈性波理論頻率越高、波長越短、分辨率越高，可通過試驗，選擇震源努力產(chǎn)生主頻較高的彈性波，可以大大提高分辨率；當激發(fā)接受間距較大時（尤其是陡傾角較大的激發(fā)接受對），可選擇靈敏較高的接收檢波器來觀測到成有效數(shù)據(jù)較密集的射線網(wǎng)絡。

分辨率與射線追蹤方法也有關系，在地震層析成像反演過程中，最小走時路徑追蹤方法是采用數(shù)學物理方法進行彎曲射線追蹤來實現(xiàn)。理論證明該方法更有助于精細地劃分和圈閉異常體，提高分辨率。利用現(xiàn)有鉆孔的地質(zhì)資料、單孔波速測井、CT原始資料做聯(lián)合反演也可提高分辨率。

4 應用實例

圖1 地震波CT波速成像圖

圖2 重慶某水庫大壩ZK5-ZK6地震波CT波速成像圖

4.1 老建筑物基礎探測重慶市區(qū)某高壓鐵塔周邊由于建設需要進行了開挖，致使該高壓鐵塔成為孤島，高壓鐵塔基礎出現(xiàn)了險情，對周邊大面積供電產(chǎn)生了影響，需要進行應急搶險，由于高壓鐵塔施工年代久遠，缺少鐵塔基礎資料，要查清該基礎形態(tài)，常規(guī)的鉆探等無法達到目的。根據(jù)現(xiàn)場踏勘和物性分析，我們設計了地震層析成像（CT）探測。通過對野外現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的整理、反演，得到孔間地震層析成像

（CT）圖像（如圖1）。

4.2 重慶某水庫大壩病害探測

重慶某水庫大壩為重力土石壩，已使用很多年，壩身多處漏水，該水庫蓄水能力較弱，且出現(xiàn)了坍塌的安全隱患，屬病險水庫，需要進行病險整治，該水壩下覆基巖為泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r；壩身主要成分為塊碎石土、粘土夾碎石。整治工程勘察需要查清水庫大壩病患分布區(qū)、大壩坐落的基巖面形態(tài)以及完整情況，由于處于詳查階段，需求的勘探精度要求比較高，且僅通過鉆探以及常規(guī)地面物探方法難以達到勘探要求，通過野外踏勘和物性分析，我們設計了地震層析成像（CT）方法。

圖2為該大壩ZK5-ZK6剖面地震波CT速度成像圖。從地震波CT波速成像圖分析，該剖面巖土界面清晰；土體波速在600～1800m/s之間，巖體波速在1800～3500m/s之間。距ZK5號孔6.5～21m間深3.5～5.8m左右以及26～28m間深4.5～7.7m左右波速較低，推斷解釋該區(qū)域為大壩病害區(qū)域；該剖面基巖較完整，基巖埋深在8.6～14.2m之間。

可以看出本次地震波CT成像勘探工作查明所測段病患分布區(qū)、基巖面形態(tài)以及完整情況等。但由于此次地震波CT成像勘探孔較淺，受觀測系統(tǒng)的限制，造成剖面邊界波速值有些畸變，在一定程度上影響了探測精度，也從反面證明觀察系統(tǒng)對分辨率和探測精度的影響。

5 小結(jié)

與傳統(tǒng)方法相比，彈性波層析成像（CT）成果具有圖像直觀可靠、信息量豐富、分辨率高、適用性強等優(yōu)點，在各種高精度的巖土工程勘查、建筑物無損檢測以及大壩安全檢測等方面都有良好的應用效果。但也存在工期較長，費用較高等缺陷，這就需要我們合理布置工作量。另外現(xiàn)有井中震源功率不夠大，影響探測范圍，如何改善發(fā)射功率是今后的發(fā)展方向，解決好該難題，該技術(shù)將會有更好的應用。

[1]中國水利電力物探科技信息網(wǎng).工程物探手冊 [M].中國水利水電出版社.2011.3; 355-395.

[2]魏儒義,周錦松,景娟娟,王新全,高曉惠,王樂.計算層析成像光譜技術(shù)研究進展 [J].光譜學與光譜分析,2010,10:2866-2873.

[3]郭建強.地質(zhì)災害勘查地球物理技術(shù)手冊.[M].地質(zhì)出版社.2003.11;181-184.

[4]裴正林,余欽范,狄?guī)妥?井間地震層析成像分辨率研究.[J].物探與化探.2002.6;218-219.

照片1糯米坑ZK1-1礦石

照片2糯米坑ZK0-1礦石

脈石礦物主要為粘土類礦物，其次有石英、綠泥石、絹云母等。

2.2.2 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

結(jié)構(gòu)：以粒狀、放射狀、微晶粒狀及隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)為主。

構(gòu)造：以土狀構(gòu)造為主，其次為塊狀、膠狀、皮殼狀、鮞狀、角礫狀、條帶狀、蜂窩狀及松散狀等構(gòu)造。

2.2.3 有用組分含量

因前人對Mn、Fe、Au評價較深，本次工作只對Ag、Pb、Zn作了取樣分析測試，所以本次工作沒有對Mn、Fe、Au作詳細評價。

礦體中Pb含量為0.30～6.07%，平均0.67%；Zn含量0.30～2.68%，平均0.418%；Ag含量幾克/噸～194.60g/t，平均40.4 g/t；Au含量低。（Pb、Zn普遍低于氧化礦的工業(yè)指標）。

2.2.4 有用礦物賦存狀態(tài)

據(jù)前人工作資料和本次取樣分析，該類型礦床中銀、錳為主要的有用組分，錳礦物是吸附銀主要載體，其次為赤鐵礦、褐鐵礦，以及少量的自然金、自然銀、方鉛礦等。

2.2.5 礦石類型

據(jù)前人資料和本次工作的分析，我們認為糯米坑地段的銀多金屬礦是以受古風化殼控制的次生堆積礦為主，其與勘查區(qū)南部的新榕銀錳礦床大致相似，即礦石均全部氧化，具有相同的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

成礦物質(zhì)主要為連州斷裂等近東西向構(gòu)造活動提供，受風化作用經(jīng)短距離搬運形成次生堆積成礦，在次生富集和燕山期次火山活動而發(fā)生疊加，形成較富的堆積礦。礦石類型為次生堆積全氧化銀多金屬礦石。

3 礦床成因探討

主要因為區(qū)內(nèi)缺少石炭系-侏羅系沉積，只見到白堊系的紫紅色粉砂巖呈角度不整合覆蓋在泥盆系及泥盆系以前的早古生代地層的風化面上，因此泥盆系含鐵錳礦層在印支運動的后期暴露在地表，在晚三疊-早侏羅系炎熱潮濕多氧的氣候條件下，遭受強烈的化學風化，開始形成次生氧化鐵錳礦；同時地層不斷剝蝕，加上地表水作用影響，導致在灰?guī)r中出現(xiàn)溶洞，地表已形成的礦體沿溶洞不斷充填進去，久而久之形成斷裂帶上盤的礦體；另一部分在后期的斷裂活動中，來自深部的元素不斷的在盆地邊儲礦空間中富集，慢慢形成以含鉛鋅為主的錳礦層。

4 結(jié)論

前人在羅定盆地南緣尋找的鐵錳礦主要為地表風化殘留，而通過近年來共作發(fā)現(xiàn)在深部還有更大的找礦空間，拓展了該區(qū)的找礦方向。通過對比新榕錳礦發(fā)現(xiàn)，在黃膽嶺以西一帶，找礦潛力巨大，同時根據(jù)糯米坑地段的發(fā)現(xiàn)，可將前人發(fā)現(xiàn)的地表鐵錳礦擴大，將連州地區(qū)鐵錳礦儲量進一步擴大，有望落實大-超大型礦床。據(jù)近年研究資料，該地區(qū)其他地段構(gòu)造活動和燕山晚期巖漿活動強烈，并發(fā)育一系列張性構(gòu)造，為金、銀、鉛、鋅等元素成礦提供的有利的賦存空間，因此，該地區(qū)也是尋找原生鉛鋅多金屬礦床的有利地區(qū)。

參考文獻

[1]粵西羅定盆地南緣金銀礦地質(zhì)特征及找礦遠景，黃圭城、汪雄武等.華南地質(zhì)與礦產(chǎn)，2000，第一期：53-58.

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F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-172-2