工程地質物理探析在梭羅坪水庫的應用

江聲波

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽550001)

1 工程概況

仁懷市梭羅坪水庫位于仁懷縣五馬鎮五馬河一級支流魚孔河上。初步選定兩個壩址作勘測設計方案比選，做同等精度勘測設計工作。壩址位于魚孔河與五馬河匯口上游約600 m處，擬建壩高約60 m，總庫容1 300 萬m3左右。梭羅坪水庫的主要功能為城鎮供水與農業灌溉。受仁懷市水利局委托，我院承接梭羅坪水利工程初步設計階段的勘察設計工作，本報告為物探部分，主要任務是:①基本查明壩址區及黃石窩渡槽覆蓋層及基巖強風化層厚度;②基本查明壩址區巖溶發育情況;③壩址鉆孔聲波測試并評價巖體完整性;④壩址鉆孔攝影［1］。

根據需解決的地質問題，本次物探方法選擇地震面波法、電磁波CT 法、單孔聲波測試法及鉆孔攝影法進行本次勘察。共完成4 條地震面波剖面，4個鉆孔聲波測試，4個鉆孔攝影。地震完成3080個標點，699個聲波點，1 912個鉆孔攝影點，電磁波CT完成814個標點。

2 工程地質物探技術的運用

2.1 地震面波法

2.1.1 地震面波法基本原理

面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波(P 波)和橫波(S 波)不同，它是一種地滾波。面波勘察成果具有地層高分辨的特點，同時獲得地層物性的參數。瑞利面波方法用于巖土勘察，與以往的彈性波勘察方法差別在于應用的不是縱波和橫波，而是以前視為干擾的面波。其原理是，面波具有頻散的特性，其傳播的相速度隨頻率的改變而改變。這種頻散特性可以反映地下巖土介質的特性。

2.1.2 測線布置及現場工作技術

為查明壩址區、黃石窩渡槽區覆蓋層及基巖強風化層厚度，在壩址區沿河床布置3 條測線，黃石窩渡槽布置1 條測線，基本控制各個測區，滿足本階段勘察要求。實際工作中，按5 m點距安放檢波器，拔除檢波器周圍雜草，保證檢波器與大地藕合良好。數據采集時嚴禁人員走動，盡量在無外界噪音干擾時采集數據，最大限度提高信噪比。

2.1.3 數據處理方法與技術

整個面波數據處理在4個區別不同數據域的處理頁面上逐步進行，每個處理頁面都具備窗口顯示和多頁的操作控制。

X－T 時距域:處理功能由載入原始數據開始，包括核定采集距離參數、識別和清理干擾波型、觀察頻譜特征、設定頻率波數轉換的頻段上限，然后轉入頻率波數域頁面，進行面波波型提取。在頻率波數域提取的面波波型后，又同時在時距域顯示提取結果，可以和原本數據對比。

F－K 頻率波數域:處理過程是在顯出的頻率波數譜圖形上，人工選擇、追蹤相應于提取波型的幅度峰，自動找出該頻率的幅度峰脊，讀取相速度，圈出幅度峰的范圍，將此頻率波數范圍提供給下步X－F Stack 距離頻率域疊加頁面，求取該波型的頻散數據，并將范圍內的譜數據，反變換回時距域。

X－F 距離頻率域:提供的處理功能容許全面觀察排列道全部疊加的頻散數據或偏移距由近到遠的每兩道間的頻散數據。提供選擇Fix X 恒定偏移距或Var X 變偏移距兩種疊加方式，以及疊加的道數。選定的疊加結果組成頻散數據文件，可以以ZVF 格式或文本格式存盤，也可以直接轉入Z－V Inversion深度速度域反演頁面作數值反演。

Z－V 深度速度域:模型參數包括層數、該層厚度(H)及剪切波速(Vs)。初始模型的設定由人工在頻散數據的顯示圖形上用光標自上而下逐層選擇確定。初始模型設定后當即顯出初始的擬合度(Fitness)。擬合滿意后將反演模型參數置入頻散數據文件，可以ZVF 格式或文本格式存盤，同時構成綜合成果圖像，包含:頻散數據點、反演地層模型參數、地層波速斷面、模型正演頻散數據點及模型擬合度。

2.2 鉆孔電磁波CT

2.2.1 電磁波CT 基本原理

鉆孔電磁波CT 技術基本原理借助于醫學CT 技術。依據這一理論，當要研究兩鉆孔間巖體內構造時，在一鉆孔內發射電磁波，而在另一鉆孔內接收電磁波進行斷面掃描，見圖1，經地球物理反演計算，就可重建目標體的二維圖像。

圖1 電磁波CT 觀測系統

井中電磁波CT 層析資料的解釋基礎是基于不良地質體與其完整圍巖吸收系數的差異，而破碎帶、溶洞或溶蝕裂隙等都可以形成吸收系數差異較大的非均勻體，產生出局部高吸收系數異常，從形態和大小上易于識別，因此，跨孔電磁波透視在孔間可以較好地探測不良地質體，確定空間位置和形態。

2.2.2 剖面布置及現場工作技術

本次CT 測試共布置2 對剖面，鉆孔均位于壩址區河床兩岸，孔口高程基本一致。各鉆孔互為接收及發射孔，孔間距35.0 ～70.0 m，據現場試驗分析，為提高巖溶破碎帶、節理裂隙發育帶的分辯率，采用各頻段頻率測試，現場測試選用4 MHz、12 MHz、20 MHz作為本次CT 勘察的發射頻率，根據孔間距不同，盡量采用高頻段作業。

本次測量工作中，采用定點扇形測量，取得了較高密度覆蓋的射線數據。發射點距2 m，接收點距1 m，局部發射點距加密至1 m。在測量中，因接收到的信號的信噪比較高，因此未采用多次重復觀測。施工過程中所有的采集參數和儀器工作狀態正常，野外采集的原始資料良好。

2.2.3 數據處理方法與技術

資料處理是在微機上完成的，處理流程為:數據傳輸到計算機?建立成像區域坐標系?形成CT 輸入數據?層析反演?成像成圖。

2.2.3.1 CT 輸入數據的形成

對每對跨孔剖面的原始數據輸入到微機，按建立的坐標系形成CT 輸入數據文件。這次野外采集工作中，以孔口高程最高的孔為坐標原點，X 軸沿水平方向為孔間水平距離，建立坐標系形成CT 輸入數據。

2.2.3.2 層析反演

CT 輸入數據直接送至EM—SYS 層析成像軟件處理流程中，進行電磁波層析反演，其計算過程如下:由電磁波理論知道，在各向同性均勻巖體中，當在一鉆孔中發射電磁波，另一鉆孔中接收電磁波時，若發射天線長度遠小于兩鉆孔間距離，則接收到的電磁波場強為:

式中:E0是發射擊天線初始輻射常數;E 為相距R 處接收到的電場強度;fS(θS)和fr(θS)分別是發射和接收天線的方向發布函數;θ 為天線的輻射角度;I 為射線路徑;dl 為積分元;β 為介質的吸收系數，經變換。

對于(2)式中的投影函數A 進行圖像重建可求出目標函數β。具體算法即把圖像劃分成M個互不重疊的像元，以各像元內的重建結果組成數字圖像:

式中:Dij 為第i 條射線在第j個像元中的長度，Yi 是第i 條射線迭代計算值與實測值之差，Xj即要求的第j個像元中的衰減系數β，上述方程實際上是求解一個大型稀疏矩陣議程組。具體算法有:反投影法(BPT)、代數重建法(ART)、聯立迭代重建法(SIRT)和正交變換投影法(LSQR)等等。本次反演方法為聯立迭代重建法。

2.2.3.3 層析成像成圖

最終層析成果采用Golden Surfer 繪圖軟件，顯示每對跨孔聲波層析成像圖。層析結果采用統一格式成圖，在二維斷面上，發射孔孔口位于區域左側坐標原點，以孔口高程取代Z 軸0 點。水平方向X 軸向右表示為跨孔水平距離。將層析反演輸出數據輸入至成圖軟件，形成二維區域網格化文件。然后再將網格文件送入成圖程序，獲得層析成像圖。

2.3 超聲波測試法

以水為聲耦合劑，將換能器放至井中。發射機通過換能器的發射器發射高頻脈沖，沿介質表面傳播至換能器的兩個接收器接收(圖2)。因此，可在接收機的顯示系統得到傳播時間t1、t2，由以下公式可獲得此段巖體的聲波波速Vp。

式中:Vp 為聲波縱波波速，m/s;L 為換能器兩個接收器的距離，m;ΔT 為傳播時間差，s。

本次聲波測試巖體完整性系數計算如下:

式中:Vp 實測為實測巖體波速;Vp 巖塊為新鮮巖塊波速。

圖2 單孔超聲波測試示意圖

2.4 鉆孔攝影法

將攝像頭緩慢放入鉆孔，攝取鉆孔全孔影像，并將影像資料傳入計算機，經軟件處理，360°展開成圖片，進行分析解釋。

3 結 語

在仁懷市梭羅坪水庫地質勘探作業中，通過運用地震面波法、電磁波CT 法、單孔聲波測試法及鉆孔攝影法等物探技術勘查，得知壩址區覆蓋層一般厚1 ～7 m，基巖強風化層厚約2 ～4 m;黃石窩渡槽覆蓋層厚3 ～6 m，基巖強風化層厚約4 ～6 m;結合鉆探及電磁波CT 成果，壩址區巖溶、溶蝕裂隙發育，CT 成果未見大規模巖溶發育。

ZKC3 號鉆孔波速在2 700 ～5 500 m/s，ZKC4 號鉆孔波速在2 700 ～5 500 m/s，ZKC5 號鉆孔波速在2 700 ～5 500 m/s，ZKC7 號 鉆 孔 波 速 在2 700～5 500 m/s。

本次攝影圖像清淅，整孔未見溶洞、斷層及軟弱夾層等，全孔溶蝕裂隙發育，多泥質、鐵質充填，未見大規模巖溶發育圖像;測區地形起伏較小，有利于物探工作開展，但由于物探多解性，成果有一定誤差;建議施工圖階段可增加雷達、CT、高密度電法等物探手段，解決施工期碰到的工程地質問題。

［1］趙德亨，田鋼，王幫兵. 淺層地震折射波法綜述［J］. 世界地質，2005(02):55－56.