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

巖溶是早期可溶巖（常見為灰巖石，白云巖，石膏等）在水力侵蝕搬運作用下，逐漸溶解水流周圍巖石致使巖石溶解崩塌形成空腔的一種地質現象，巖溶在我國廣泛存在。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位置的一種物理理論方法。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衰減特性進行探測的方法。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、斷層、夾層等）的地層介質中的傳播速度慢而場能衰減快。

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試驗，以選擇合理參數及采集觀測系統。常見采集方式有同步，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，多為巖溶普查，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，用于詳查

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 岸防滲帷幕K上右0+388.5m～K上右0+403m段物探孔ZK1～ ZK2剖面的二維電磁波層析成像探測成果圖，由成果圖可知本剖面巖溶區發育樁號為K上右0+388.5m～K上右0+403m，發育高程為530m～539m，且巖溶區為上大下小兩層結構、斷面面積約71m2。除此外在帷幕樁號K上右0+391m～K上右0+401m之間，高程516m～521m之間也存在兩個小巖溶異常，推測可能為上層溶洞在側向向下發育再次穿過CT平面所致，施工方在帷幕樁號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層析成像成果圖，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帷幕樁號W1+104m～W1+152m，高程-23m～5m之間有多處電磁波高吸收異常區，異常區高程由樁號W1+152m向W1+104m逐漸降低。結合測區巖層產狀特征，推斷巖溶為順層發育，且此區域推斷為灌漿重點區域。

由于巖溶影響區范圍較大，現場灌漿施工灌漿效果不明顯。帷幕設計部門為詳細探查巖溶發育特征，以有針對性的調整灌漿施工，分別增加勘探鉆孔XDK048乙、XDK048甲，電磁波層析成像

結合前期鉆孔分別對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個剖面進行電磁波層析成像探測，探測二維成果圖如圖3.2-2所示。根據探測成果分析XDK048鉆孔周圍的巖體巖溶破碎異常發育，巖溶發育的在高程4m～-23m之間，其中XDK048乙～XDK048下、XDK048乙～XDK047兩個剖面巖溶分布較廣泛；其余七個剖面巖溶零星分布，高程-23m以下巖溶弱發育。

為推斷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XDK049向XDK047降低，巖溶管道較多穿過XDK047甲～XDK048、XDK048下～XDK048甲、XDK048乙～XDK047、XDK048下～XDK048乙四個電磁波探測剖面、而XDK048甲～XDK049、XDK048甲～XDK048上、XDK048乙～XDK049、XDK048乙～XDK048上四個電磁波探測剖面巖溶分布較少，且高程較高，由此推斷ZK048鉆孔附近區域巖溶通道的發育方向為東西向，如圖3.2-4所示。依據探測成果，設計部門調整灌漿孔排數由單排增加為三排（增加兩排加強帷幕），兩個月就處理完成遺留半年的工程巖溶問題，給帷幕灌漿施工按期完成提供了時間保證。

圖3.2-5～圖3.2-7為測區經過設計調整后三排灌漿孔灌漿量成果圖，圖中紅色陰影區域為電磁波探測推斷的巖溶區的灌漿量特征圖，通過分析可知，探測到的巖溶異常區域灌漿量明顯大于其他區域灌漿量，巖溶區域灌漿量多數在2000—6000L/段，最多達到14443L/段。灌漿量較大位置與電磁波層析成像探測巖溶位置基本一致。

4、結語

1 電磁波層析成像技術（CT）在以上兩個巖溶地區防滲帷幕上的應用取得了較好成果。

2 二維剖面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 適宜的地質條件及地球物理條件是取得本文成果的重要前提，不同客觀條件對探測成果有一定影響。

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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。