電磁波層析成像巖溶探測在防滲帷幕輔助勘察中的應用

【摘要】巖溶問題是水利水電工程建設中經常遇到的問題，由于巖溶發育規律性差，在工程施工過程中一旦遇到溶洞，有可能造成可預見性的影響，巖溶處理措施及方案的制定需要有力的勘察基礎資料做支撐。本文結合工程實踐，通過電磁波層析成像（CT）方法，對巖溶隱患部位進行精細探測，基本查清了巖溶發育情況，為巖溶處理提供了可靠的決策依據，為工程建設成本節約及進度控制起到了重要的作用。

【關鍵詞】電磁波；層析成像；防滲帷幕；巖溶探測

1、引言

巖溶是水對可溶性巖石（碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等）進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱。在可溶巖地區的水利工程勘察建設中，巖溶問題是重大的地質缺陷，其中巖溶管道對水庫蓄水成庫存在重大安全隱患。

為了保證水利工程建設的安全及巖溶封堵有效性，指導帷幕灌漿工作，通常需要引入一些巖溶探測方法進行灌漿前排查和局部巖溶治理工作。電磁波層析成像巖溶探測技術既可對帷幕線進行了灌漿前快速巖溶排查，又可以針對局部問題進行精確探測，是工程巖溶處理的有效輔助手段。

2、電磁波層析成像（CT）技術

層析成像技術源于醫學CT，利用射線掃描，對所得到的信息進行反演計算，重建被測范圍內物體參數分布性質規律的圖像，從而達到圈定異常體的一種物理論方法。地質上根據所使用的物理場的不同，又分為彈性波層析成像和電磁波層析成像。

電磁波層析成像（CT）是一種主要利用電磁波射線能量被介質吸收后的場能進行探測的方法。原理為電磁波穿過完整地質體時傳播速度快而場能衰減慢，而在破碎（如溶洞、洞穴、斷層、軟弱夾層和風化巖層）的地層介質中的傳播速度慢，場能衰減快。

電磁波層析成像針對不同地層有不同穿透能力，使用時需要進行實地的電磁波穿透實，以選擇合理參數及采集控制系統。常見采集方式有同步模式，扇形模式，及兩者組合模式，數據采集方式如圖2.1-1所示。測試成果的展示有二維剖面和三維組合兩種形式，二維剖面是現在工程測試普遍采用的測試方式，主要是反映巖溶在二維面中的位置和影響截面大小，其對巖溶的延展方向和空間大小變化提供更多的信息較少，另一種是三維組合剖面，可以對特定區域的巖溶管道大小及走向獲得更多的信息。但有一定的限制條件。

3、層析成像成果應用實例

3.1 二維剖面應用

圖3.1-1，為貴州省某已經建成水電站上層右 岸帷幕K上右0+388.5m～K上右0+403m段鉆孔ZK1～鉆孔ZK2之間的二維剖面電磁波層析成像探測成果圖及解釋圖，根據成果圖揭示溶洞的發育在樁號K上右0+388.5m～K上右0+403m之間，高530m～539m之間，探測到巖溶異常，且洞室為上大下小兩層結構、斷面面積約71m2。另外在樁號K上右0+391m～K上右0+401m之間，高程516m～521m之間也存在兩個巖溶異常，推測可能為上層溶洞在側向向下發育穿過CT平面所致，為了驗證探測成果，施工方在樁號K上右0+396m位置實施鉆孔驗證，鉆具在高程536m～529m發生掉鉆。掉鉆發生的位置與探測成果揭示巖溶發育位置基本一致。

3.2 組合三維剖面應用

圖3.2-1是江蘇某水庫工程帷幕樁號W1+104m～W1+152m段剖面XDK047～XDK049電磁波層析探測成果圖及解釋圖，其中XDK048施工過程中遇到巖溶無法鉆進情況。根據探測成果圖揭示在樁號W1+104m～W1+152m，高程-23m～5m之間上有多處電磁波高吸收異常區，異常區分布由大樁號向小樁號傾斜。結合地質資料傾斜角度和地層傾向基本一致，推斷異常為本區域為重點巖溶滲漏區。

由于巖溶影響區范圍比較大，現場灌漿情況灌漿效果不明顯，設計部門為了更清楚的了解巖溶發育特點，以目的的調整設計方案，增加勘探鉆孔XDK048甲、XDK048乙，并結合前期鉆孔對ZK048甲～XDK048乙、XDK048甲～XDK048上、XDK048甲～XDK048下，XDK048甲～XDK049、XDK048甲～XDK047、XDK048乙～XDK048上、XDK048乙～XDK048下，XDK048乙～XDK049、XDK048乙～XDK047共9對剖面進行電磁波層析成像探測，探測二維成果及解釋圖如圖3.2-2。根據成果分析XDK048鉆孔周圍的巖體巖溶裂隙異常發育，巖溶發育的在高程4m～-23m之間，其中XDK048乙～XDK048下、XDK048乙～XDK047剖面巖溶分布較廣泛；其余七對剖面巖溶零星分布，高程-23m以下巖溶弱發育。

為探測巖溶在帷幕線上的走向，通過將9個剖面進行三維組合，組合圖如圖3.2-3所示。從三維組合圖上可分析出XDK048鉆孔附近區域的巖溶發育情況是：由XDK047向XDK049升高，巖溶管道較多穿過XDK048甲～XDK047、XDK048甲～XDK048下、XDK048乙～XDK047、XDK048乙～XDK048下上四個CT剖面、而XDK048甲～XDK049、XDK048甲～XDK048上、XDK048乙～XDK049、XDK048乙～XDK048上四個CT剖面較少分布，且分布高程較高，依此推斷ZK048鉆孔附近區域巖溶通道的發育方向如圖3.2-4所示。依據探測情況，設計更改灌漿施工方案進行了三排帷幕灌漿施工，僅兩個月就處理完成遺留半年的工程巖溶問題。極大的節省了施工時間。為工程按期完成提供了時間保證。

圖3.2-5～圖3.2-7為本區域經過由一排灌漿孔改為三排灌漿孔設計變更后的灌漿量統計圖，圖中紅線圈閉區域為電磁波CT探測推斷的巖溶區的灌漿量分布圖表，經過對灌漿資料的對比分析可知，本區域灌漿量明顯大于其他區域灌漿量，本區域少則800—900L/M，多則14443L/M。灌漿量情況與電磁波層析成像探測結果高度吻合。

4、結語

1. 電磁波層析成像技術（CT）在可溶巖地區防滲帷幕進行巖溶探測是一種有效的手段。

2. 二維剖面可反映測試剖面段面上的巖溶發育情況；借助三維組合剖面可以探測巖溶的空間發育情況。

3. 電磁波穿透效果在不同地層有差異，測試前需進行試驗，小孔間距離有助于提高測試成果精度。

4. 本文探測成果是在巖溶區有水或泥土等填充物的情況下取得的，對無充填巖溶探測需要進一步研究分析。

參考文獻：

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作者簡介：楊新明，（1981～ ），漢族，男，河北衡水武邑縣人，工程師，主要從事水利水電工程勘察及檢測工作。