巖溶探測的有效性研究

孫永清，樓加丁

(中國電建集團貴陽勘測設計院有限公司，貴州 貴陽 550081)

巖溶的水文地質與工程地質勘察已由原來的定性評價轉向定量研究，理論研究及工作思路也在不斷經歷從實踐到認識、從再實踐到再認識，直至升華到理論的發展過程，巖溶勘察的方法和手段也在不斷更新。目前，提高巖溶的探測精度已成為無法回避的巖土工程問題。巖溶在地表水和地下水的溶蝕作用下，出現不同類型的巖溶地貌和形態，在很大程度上破壞了巖石的完整性，也影響了巖石的穩定性。巖溶地區的地形條件和邊界條件比較復雜，屬于隱蔽工程，探測特別困難和復雜，但也有規律可遵循。一般來說，巖溶多沿地質構造裂隙面發育，發育強度與水聚集、補給、循環、排泄條件相關，且不同巖性的巖溶發育強度有明顯差別，地質構造對巖溶發育起重要的控制作用。

在巖溶成庫勘察及防滲工程處理中，防滲帷幕的實施往往是最重要的工程處理措施。因此，對防滲帷幕線的巖溶探測也必然成為地質勘測的重點和關鍵所在。利用物探先進技術方法，可探測防滲帷幕線上的洞穴、斷層破碎帶、裂隙透水帶等滲漏隱患，以及透水地層、相對隔水地層的分布情況。隨著在巖溶地區工程建筑規模的不斷擴大和數量的增加，勘測人員應根據巖溶發育的特點和性質，采用科學合理的勘測手段，提高巖溶探測的質量。

1 巖溶探測方法綜述

目前，巖溶探測采用的方法包括地質調查、測繪、鉆探和物探方法。隨著物探新技術的快速發展，越來越多的新技術、新方法運用于水電工程地質勘察測試中，較成熟的方法有電法、電磁法、探地雷達、地震勘探、地學層析成像技術(CT)、綜合測井、地溫法、放射性測量等[1-3]。工程地球物理勘探的基礎是被探測體的物性差異，常表現為巖體的電、磁、彈性波速等物性參數。巖溶是原來的圍巖經過漫長的地質過程形成的空洞或被其他物質充填，與完整圍巖相比，存在較大物性差異(如電阻率、介電常數、地震波速、電磁波吸收系數等)[4]。地表淺部的巖溶往往采用高密度電法、地震反射法、探地雷達探等；大地電磁法(EH4)受場源及方法的限制，淺表異?？赡軙谔綔y盲區內而被忽視，常用于中深部巖溶探測，勘探精度受地面及空中電磁干擾影響較大；電磁波CT和彈性波CT常用于孔間剖面的探測，可避開地面及空中人為電磁的干擾，對巖溶的空間探測有較高的準確性[5]。

由于巖溶的隱蔽性、復雜性，應根據工區的地質條件、巖溶發育的特點和類型，選擇合適的物探方法，提高探測的有效性及準確性。從工作效率和方法的有效性上考慮，選擇電磁波CT較為合理。電磁波CT有2種成像方法：一種為絕對衰減層析成像，另一種為相對衰減層析成像。當電磁波穿越不同的地下介質，如不同的巖石、巖體及溶洞、破碎帶等時，由于不同介質對電磁波的吸收存在差異，在高吸收介質背后接收到的電磁波場強小得多，呈現負異常，就像陰影一樣。利用這一差異，可推斷目標地質體的結構和形狀。

2 巖溶探測有效性分析

巖溶在發育過程中，受到不同自然條件不確定性的影響，巖溶表面會出現石芽或溶溝，呈現出各種各樣的形態，很大程度上增加了地質勘察的難度，在某種情況下可能導致較為嚴重的地質災害，直接影響到水利水電、鐵路公路、橋梁及建筑工程的正常施工。對以巖溶堵漏成庫為目的的巖溶系統探測，應根據巖溶水文地質調查分析，勘察對象主要為可疑滲漏段的隱伏巖溶洞穴和暗河系統，針對特殊的巖溶問題需進行專題研究[6-7]。

2.1 基本要求

在工程地質勘測過程中，確定巖溶的位置及形狀等要素非常關鍵。首先，要分析洞內填充物形狀、塌落程度等；其次，根據巖溶的發育程度，分析地層的性質、結構及厚度，從而確定不同的巖溶組合對工程結構的影響，為工程施工處理方案提供基礎。地表的物探手段往往受到各種條件的限制，探測的精度滿足不了施工要求。復雜巖溶洞穴的精確定位，需要鉆探工作的配合，鉆孔是開展巖溶精確探測的基礎和前提，也是驗證物探成果正確性的有力法寶。鉆探一方面可驗證地質成果推斷的合理性及預測地層的正確性；另一方面可為物探在井中開展精確探測工作提供有利條件。工區中有了鉆孔，物探設備可深入孔中，更近接近目標物，避開一些不必要的干擾因素，對有效信號的提取更加有力。因此，巖溶的探測應遵循“效果明顯、工作高效、費用經濟”的原則，綜合勘測技術的應用是提高巖溶探測精度最為有效的途徑。

2.2 精確探測技術

巖溶地區可溶巖巖石相對介電常數ε變化不大。電磁波工作頻率不變的情況下，影響介質吸收系數大小的是介電常數ε，同一套地層中介電常數ε變化不大，巖石對電磁波的吸收(衰減)非常少。因此，電磁波有較強的作用距離，這是開展電磁波CT工作的良好前提。電磁波的作用距離受巖體中的構造、斷層、破碎帶、泥質含量的影響，在泥質含量高的巖石中，由于巖體對電磁波強烈吸收，作用距離和分辨率大大降低，這就是電磁波CT探測的局限性。彈性波CT工作條件則更為苛刻和復雜，不僅需要震源，而且在鉆孔中還需要井液耦合；其次，彈性波CT工作效率也比電磁波CT低，但兩者存在互補作用，針對特殊情況可采用綜合的方法加以解決。

電磁波CT或彈性波CT的工作頻率選擇依據如下：探測精度越高、地層地質情況越復雜時，孔間距應相對小一些，宜選用較高的工作頻率；剖面間的地質及地球物理條件較簡單時，可適當增大孔間距，宜選用相對較低的工作頻率。在選擇工作方法時，應從工程的有效性、實效性、經濟性角度考慮，根據精度與分辨率的要求，確定測量點間距；再根據水平同步測量和交叉斜同步測量，初步確定異常體的存在和大致位置；根據異常體所在位置，確定扇形測量的密度，保持測量數據在鉆孔之間具有最大的觀測方位。

3 巖溶探測工程實例

3.1 窄巷口水電站

窄巷口水電站是烏江支流貓跳河6個梯級電站中的第4個梯級，位于喀斯特地區的深山峽谷及巖溶強烈發育區，客觀條件造成電站建成后水庫嚴重滲漏，漏水量之大足以影響該電站的發電生產及大壩安全。大壩建成后，對該電站滲漏原因研究分析從未間斷。為從根本上解決滲漏問題，根據水文地質調查和分析，以及漏水量的觀測與水工建筑物的關系，基本確定滲漏分為3個區，分別為左岸滲漏區、壩基滲漏區和右岸滲漏區。其中，左岸河間地塊巖溶最發育，是滲漏的主要通道。在左岸灌漿廊道中又分4個滲漏帶，灌漿廊道樁號0+100～0+0280為第2滲漏帶，也是最嚴重的滲漏區。

在第2滲漏區的中軸線上選定2個地質鉆孔ZK1和ZK2，孔深達160 m，剖面距為16 m，在這2個鉆孔間先開展電磁波CT探測，選用32 MHz和16 MHz這2種工作頻率，截取異常孔段的成果。部分孔段電磁波CT探測圖像見圖1。2孔之間巖性為二疊系下統棲霞組灰巖，吸收系數β介于0～0.5 db/m為正常巖體，β介于0.5～1.5 db/m及β大于1.5 db/m表示強吸收異常區，可推斷為溶蝕破碎和溶洞。ZK1和ZK2沒有揭示到溶洞的存在，鉆孔取芯率很高，巖性也很完整，但從層析成像看，溶洞段邊界巖體吸收系數較大，給人以錯覺感，這就是兩邊觀測系統測量造成的，在鉆孔中不可能全方位布置觀測系統，導致某個方向上反演計算的異常往往比實際偏大，通過一些特殊成像技術處理，能消除部分假異常。16、32 MHz電磁波成像結果基本相同，高吸收異常位置基本一致，形態略有差異；采用頻散成像效果最佳，異常輪廓最清晰，16 MHz層析圖次之，32 MHz層析圖稍差些。說明并非頻率越高，分辨率就越高，成像的效果與頻率、孔距、數據質量之間的關系非常復雜，但數據質量與成像精度影響最大。電磁波頻率越高越容易產生震蕩，測量信號的線性段越窄，對有效信號的提取更加復雜，進而影響到數據質量。因此，孔間CT的探測，對尋找隱伏巖溶管道，確定巖溶管道的具體位置和規模具有較好的效果。

圖1 部分孔段電磁波CT探測圖像

為進一步驗證異常的存在，在ZK1和ZK2中再進行大功率聲波CT成像，速度成像結果見圖2。對比圖1、2可知，2種不同成像方法異常的深度、形態基本一致，進一步證實異常的存在。同時，在大功率聲波CT數據采集過程中發現，水平同步、斜同步和定點接收波列圖中有波阻抗異?，F象。通過對震源和接收點的相互關系分析，當聲波通過一個波阻抗較大的界面時，就會出現波的轉換。轉換波的特點是：能量大、頻率低、首波相位反相、在波陣列圖上呈現較好的對稱性，這種轉換波的形成機制尚未有確切的解釋理論。聲波在沒有阻抗的條件下，不產生轉換波；如遇到有溶洞、斷層、裂隙等情況下則會產生轉換波。經過對波列合成的細致觀測和分析，穿過溶洞的首波是轉換波，首波沒有縱波，與正常情況的縱波相比，相位反向；沒有穿過溶洞的首波是縱波，縱波相位正向。

圖2 部分孔段大功率聲波CT探測圖像

圖3為實測波形圖，圖中的“人”字形結構的波就是轉換波，轉換波是以波阻抗(溶洞)為新的波源向四周傳播所形成的。圖4是經過連續小波變換后得到的波形圖，處理的意義主要是突出轉換波的特性，在溶洞異常上給人以清晰感。從圖3～ 4中可以清晰知道溶洞的大體輪廓和深度位置，精確定位還需速度層析成像反演計算。從圖2中可知，溶洞高度約13 m，沿洞軸線寬度約7 m。在異常的中心部位布置驗證孔，鉆探驗證溶洞高12.98 m，寬7.8 m，與層析成像反演結果非常吻合，同時，對驗證孔進行溶洞水流速測試，確定溶洞水流速、流量，最后由施工方進行高流速、大水流地下溶洞堵截工作。通過近2年的施工，完成該溶洞的封堵工作，確保了大壩的安全運行。

圖3 實測波形排列

圖4 處理后的波形

3.2 善泥坡水電站

善泥坡水電站位于北盤江干流中游河段，是北盤江流域綜合規劃中的第8個梯級電站，工程樞紐主要由碾壓混凝土拱壩、壩身泄洪系統、右岸引水系統及地下廠房和生態流量小機組引水發電系統等組成。該工程防滲帷幕線長超過2 km，帷幕線出露地層主要為二疊系下統梁山組(P1l)石英砂巖夾泥頁巖、棲霞組第一段(P1q1)灰巖夾泥頁巖、棲霞組第二段及茅口組(P1q2+P1m)厚層至塊狀灰巖。其中，P1q2為強可溶巖，P1q1為弱可溶巖。

帷幕灌漿前，在帷幕線上先布置先導孔，在先導孔中采用電磁波CT實施巖溶探測，其目的是對探測到的強溶蝕帶提前設計，并進行專項處理，避免施工過程中遭遇巖溶風險耽誤工期。同時，也為設計確定帷幕灌漿的底界提供依據。

電磁波CT探測在中層廊道樁號0+080埋深近10 m處發現電磁波吸收系數β明顯異常(β≥0.8 db/m)，判定為溶洞引起的異常。為驗證異常的存在，在異常的中部位置進行豎井開挖，開挖近10m遇到溶洞，驗證的結果與成像結果非常吻合。電磁波CT探測結果及現場照片見圖5。

圖5 電磁波CT探測結果及現場照片

4 結 語

本文通過2個典型工程實例，提出了“以鉆孔電磁波CT法為主，大功率聲波CT為輔” 的巖溶精確探測的方法，得到以下幾點體會：

(1)受鉆孔內空間的限制，鉆孔電磁波儀器的功能未能做到場強和相位的全波列測量，只能進行綜合場強測量，測量數據不精確，主要體現在初始場強的取值、電磁頻散效應、地表側面波校正、二次場校正等幾個方面。

(2)地學層析成像技術是借鑒醫學CT原理，根據射線掃描，對所得到的信息進行反演計算，重建被測范圍內巖體彈性波和電磁波參數分布規律的圖像，從而達到圈定地質異常體的一種地球物理反演解釋方法。孔間CT屬于不完全成像觀測系統，測量方向僅僅限于2孔內，精度較醫學CT低。

(3)由于巖溶地區的復雜性，應根據勘察性質、地質條件、技術經濟等綜合因素，合理制定勘測方案。物探方法只是一種間接地質勘察方法，地下巖溶地質情況還需通過鉆孔來驗證。傳統勘測手段費時、費力、控制點稀少、信息量小，物探方法能補充傳統鉆探的不足，是地質勘測方法的延展。