綜合面波法分析地下空洞展布在水利工程中的應用

關鑲鋒，盧長偉，殷 成，滕兆育

（吉林省水利水電勘測設計研究院，長春130021）

我國西南和西北分布豐富的水利資源， 如云南金沙江，新疆奎屯河等各個流域，具有水利資源同時還盛產沙金等各種礦產，具有悠久歷史。 近些年來，隨著西南和西北水電項目的大型工程開發， 大部分流域段存在不同歷史時期采礦遺留的地下空洞，這些空洞很多洞口已坍塌掩埋或被大徑卵石回填，且地下空洞的空間展布多具隨機性， 水利工程基礎的隱患問題日益突出， 因而采用有效的物探技術手段查明地下空洞的空間展布情況具有重要意義。

1 探討

（1） 地下空洞一般分布于河流兩岸Ⅰ級和Ⅱ級階地內古河道內， 也多分布在第四系地層與基巖接觸部位。 河谷地貌多呈寬緩U型，局部為深槽V型，普遍下切深度5～80m， 工程勘探條件受河谷地形地貌約束較大。

（2） 采礦遺留地下空洞多呈方形或拱形， 洞寬一般1～2m，高度一般1～2.5m，規模不大，分布縱橫交織且有支洞、豎井連接，洞底兩側有時候多用漂卵石支護，一般埋深在0～100m范圍，規律性極差。

（3） 地球物理特性看， 地下空洞主要位于河流沖積物中，部分洞室被地下水淹沒，洞室所在處沖積層多被擾動，形成坑道洞、坍塌區、回填區等復雜存在形式， 洞與周邊的原態巖層存在巨大的物理密度差異［1］（回填部分要小些）。

目前能采納的工程物探有效方法主要有：

探地雷達法：目前有效探測深度0～20m［2］，淺層探測效果較好。低頻強功率發射天線效果不明顯，如果探測目標規模小，旁側影響會掩蓋掉目標體信號，且缺乏有力的數據處理方法，連測數據采集速度一般，成像數據圖像不精細。

高密度多波列地震影像法： 勘測深度與排列長度呈正比，目前有效探測深度0～20m，范圍圈定有較好效果。 抗干擾能力弱，很難獲得定量深度解釋，暫時只能進行相關分析、頻譜分析等，還沒有非常有效的數據處理與反演方法。

高密度電阻率法：目前有效探測深度0～100m之間，地形影響、體效應影響仍明顯存在［3］。 由于是直流電法，探測低阻（地下空洞被水填充時）異常時，受一定高阻屏蔽影響［4］。 斷面也可能是因地形起伏太大、測線盲區等影響因素，反演結果因此可能未能反演出真正地下空洞分布情況和規模。

微重力探測：目前探測到地表深度0～200m空洞（溶洞、地下空洞等），探測大于20m2以上規模空洞效果較好。運輸和野外操作不方便，地球重力場不均勻性的影響有時會超越觀測的允許誤差， 目前缺乏有效的校正措施。

大地電磁測深： 經過人工場源解決了場源弱和多變性問題，但增加了工作難度［5］，探測淺層上存在盲區， 深層效果較好且對低阻（地下空洞被水填充時）異常反應較敏感，但較粗糙和體積效應明顯。 對高阻地下空洞（不被水填充），也具有較好的探測效果， 目前探測深度20～500m之間有效， 因分別率較低，規模太小效果不佳。

瞬變電磁法：（Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM法），目前經常用于淺部10～150m之間探測，野外發射圈單匝一般小于4萬m2范圍。 對低阻（地下空洞被水填充時） 異常反應敏感， 對高阻地下空洞（不被水填充），也具有較強的探測能力，對野外場地要求較高，且分別率較低。

地震層析成像技術：（地震CT（Computerized Tomography）技術）自1971年Bois等作了井間地震波透射成像的研究［6］以來，已取得了很大進展。 目前對探測空洞（溶洞、地下空洞等）有較好效果，但是深度由鉆井深度控制，且井間距不宜大于20m，不宜大規模布置。

淺層地震反射法：目前錘擊有效的探測深度0～80m之間， 再深如果沒有好的激震源也不會取得令人滿意的探測效果（尤其在第四系松散層中）。 儀器設備還有待進一步改進，如盡可能采用附有壓制干擾結構的高靈敏度檢波器，并采用各種有效的組合方式等；目前該方法數據處理的軟件很多，但如何有效排除干擾，提高有效反射信號，取得理想的地質效果，是控制淺層地震反射法能成功應用的關鍵環節。

2 數據處理和質量控制

數據處理同地震背景噪聲處理一致， 包括每一臺數據的預處理（如圖1）、計算和疊加各臺之間互相關函數、提取相應的頻散曲線（如圖2）、每臺數據的H/V約束曲線（如圖3）、誤差分析、S波相速度的層析成像［7，8］和最后進行二維結構反演（如圖4）。

圖1 數據預處理—恢復高頻信號、壓制低頻信號

圖2 提取頻散曲線

圖3 H/V約束曲線

圖4 S波相速度層析成像和二維結構反演

數據質量控制主要有儀器采集前同步一致性試驗 （如圖5）、H/V數據1，2，4，8h，5d穩定性對比觀測（如圖6）、分辨可恢復性試驗（如圖7）及數據處理的人工篩選和誤差分析、殘差情況（如圖8）等。

3 工程實例

某大型水利工程根據地質測繪統計， 壩址區右岸古河道發現14條地下空洞，其中9條位于壩基輪廓線范圍內，主洞長度15～171m，最長424m，有支洞或豎井。 地下空洞多呈方形或拱形，洞寬一般1～2m，高度一般1～2.5m，多采用漂卵石支護方式，且大部分洞段存在垮塌，分布規律性極差。

圖5 儀器一致性觀測

圖6 H/V數據穩定性觀測

圖7 理論模型恢復模型

圖8 數據殘差

圖9 工程天然面波測網和S波相速度層析成像和二維結構反演

在已知鉆孔信息的測線中， 如圖9推測地下空洞的異常區同鉆孔異常區吻合（如圖10）。 根據異常區的分析，推測出7處可能存在地下空洞的位置及其影響范圍如表1。

圖10 測線工程地質剖面

表1 可能存在地下空洞的位置及其影響范圍單位：m

4 結語

（1）地下空洞經過多次不確定采礦遺留，其開挖過程，回填，坍塌，形成影響區的范圍和空間展布，有其復雜性和隨機性， 工程中要了解清楚有很大技術難度。 面對水利工程中的類似工程地質問題我們同時探討了八種工程物探技術方法， 每一種技術方法有其獨特的技術應用邊界條件， 有其能解決的問題范圍同時又具有其局限性。 目前綜合面波法具有野外作業便捷，兩側盲區小；受地形地貌，場地電磁，地下水和噪音等干擾極少；數據完整分辯率高，有效探測深度0～200m。 就天然地質條件、埋深、規模及地球物理特性等邊界條件進行比較， 本文采用技術方法較理想。

（2）數據處理通過各測站數據進行二維S波相速度的聯合反演，突破了以往面波一維S波速反演獲取層速度，采用H/V約束，獲得更有效的地層界面數據，更可靠地劃分沉積基底和沉積層結構， 以及沉積層中地下空洞的空間分布特征。

（3）系統介紹了綜合面波法并通過探測地下空洞空間展布的實例，體現該方法優越性、 準確性， 分析結果同已有鉆孔信息對比， 得到了較好驗證， 獲得較好的探測效果。 該方法可適用于地下管廊、巨型管道、廢礦坑巷道、巖溶溶洞、地下河、孔穴、煤礦等采空區及規模較小的軟巖夾層、地質構造斷裂、斷層、破碎帶等S波速度異常體的勘察和研究。