地下聲波法CT探測技術在工程地質勘查中的應用

趙永超，林大江

（湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

地下聲波法CT探測技術是近年來所發展的地球物理探測新技術類型，在具體的探測過程中，在發出聲波后，聲波穿透地質體。對聲波走時進行計算反演，即可創建地質結構內部波束成像圖。通過對波速成像圖進行分析，即可準確區分巖性分布以及巖體內的破碎帶、巖溶發育帶等，因此，對地下聲波法CT探測技術在工程地質勘查中的應用進行深入研究意義重大。

1 地下聲波法CT探測技術的基本原理

地下聲波法CT探測技術充分應用聲波的射線幾何動力學原理，在聲波傳遞過程中，對聲波走時、射線路徑、波形、頻率、相位等進行全面細致的分析，即可反演出地下介質結構形式、速度分布情況等各類重要參數，是一種新型地球物理探測技術。現如今，在地下聲波法CT探測技術的實際應用中，主要采用速度層析成像方式，通過利用聲波CT技術反演擬合計算結果，即可確定不同地層中的波速值、斷面地層波速等值線圖等。根據勘查結果圈定巖體破碎范圍，即可判斷工程項目地質條件實際情況。

圖1 網格劃分

通過對圖1進行分析，假定，在測區中共有n條射線穿過，可將整個測區劃分為p×q=m個網格，Randon公式如下所示：

其中，Ti指的是第i條射線的旅行時，Li指的是第i條射線。通過根據上述公式，能夠對第i條射線的旅行時進行計算。另外，假設成像單元小，對于每個單元sj（x，y），可作為常數，對于上述公式，可寫成的級數形式，計算公式如下：

在上述公式中，aij指的是第i條射線在第j個單元內的線段長度，對于公式（2），還可寫成公式（3）的形式：

2 地下聲波法的應用優勢

在工程地質勘查中，地下聲波法CT探測技術具有獨特的應用優勢，具體包括以下幾點：第一，工作頻率較高，并且分辨率比較高。第二，抗低頻干擾能力強，可被應用于干擾因素較多的工程地質勘查中。第三，其具有觀測系統，能夠對直達波進行詳細記錄，可對波動力學特征進行全面細致的解釋分析，進而準確的反映出非均勻地質體。第四，通過利用透射波傳播特性，能夠對各類波形進行準確識別。在聲波法的實際應用中，通過利用彈性波波場特性，可獲得完善的彈性波速度參數，可將其作為工程項目規劃設計的重要依據。現如今，地下聲波法CT探測技術主要被推廣應用于以下領域：地下巖溶勘查、礦產勘查、地下水分布勘查、工程項目勘查等。

3 地下聲波法CT探測技術在工程地質勘查中的應用實例

3.1 工程概況

本文以某水電站作為研究對象，對地下聲波法CT探測技術的應用要點進行分析，該水電站為重要梯級電站，通過對以往的勘查資料進行分析，該施工區域地下巖溶形態主要包括溶洞、落水洞溶孔、落水洞等，地下涌水量較大。

在對該工程地質條件進行勘查時，需要注意被探測目標周邊介質的波速差異比較大，因此，在對集中涌水點檢測時，需聯合應用單孔聲波檢測技術以及聲波CT探測技術，準確查明引水隧洞施工區域巖溶發育情況以及富水構造，為后續灌漿封堵施工提供可靠依據。在本次勘查中，單孔聲波測試屬于基礎性工作，在獲得完善的單孔聲波測試成果后，即可結合現場實際情況布置聲波CT測試工作，綜合考慮該工程項目固結灌漿施工技術要求，在聲波探測法的實際應用中，如果波速低于5000m/s，則可認定為低波速區域。

3.2 測區地質概況

測區地質結構為Ⅳ類圍巖，測區底板涌水，在涌水時水質渾濁，并且夾有泥沙，隨著用水量的不斷增加，涌水越來越清澈。通過水文地質勘查，在降雨季節，最大流量達3.10m2/s，為特大涌水部位。

3.3 單孔聲波檢測工作

在對集中涌水點進行勘查時，首先需設置18個單孔聲波檢測位置，鉆孔布置形式如圖2所示。

圖2 涌水通道范圍鉆孔布置及聲波CT探測成果

通過對單孔聲波檢測資料進行分析，分析結果如下：①單孔測試聲波的波速在1510m/s～6940m/s之間。②在勘查區域中，ZK-1～ZK-4以及ZK-13～ZK-18巖體的結構完整度比較高，而且其他各個孔的單孔測試曲線為鋸齒型，由此可見，巖體破碎，由于結構面發育，因此出現低聲速段，另外，局部可作為地下水流通的通道。③當孔深在18m以下時，ZK-7、ZK-9以及ZK-11的波速比較低，并且變化形式比較大，說明該段為地下涌水通道。④當ZK-10孔深達11m～19m時，巖體波速變化情況比較大，并且當孔深在19m以下時，主要為塌孔。因此，當孔深在11m以下時，巖體破碎，并且局部與溶蝕發育。

3.4 工作布置

在聲波法CT探測技術的應用中，其能夠詳細反映出孔深方向孔壁附近巖體的波速變動情況，但是，在孔間涌水通道定位方面有一些不足。為了有效滿足勘查要求，詳細了解地下水涌水通道的規模以及位置，并對溶腔發育情況進行檢測，應結合實際需要適當擴大檢測范圍。

3.5 資料解釋

在本次地質勘查中利用聲波法CT探測技術，所得聲波CT測試成果如圖3和圖4所示。

圖3 ZK-9與ZK-7聲波CT測試成果

在探測過程中，需采用兩孔測試方式，對于ZK-7以及ZK-11，均可作為聲波激發孔，另外，對于ZK-9，可將其作為聲波接收孔。通過對圖1和圖2進行分析可見，當ZK-9孔深在19m以下時，單孔聲波檢測所得結果為波速在1500m/s以上，該聲波與水的傳播速度類似，因此，根據勘查結果分析，確定為溶蝕空腔。當深度達到19m以下時，在ZK-9側具有低波速塊，在波速均一化因素的影響下，波速一般可控制在2000m/s～3000m/s之間。

圖4 ZK-9與ZK-11聲波CT測試成果

在獲得單孔測試的低波速帶、CT測試所得低波速塊后，即可對勘查區域地下環境中的巖溶發育情況、富水構造進行進行詳細采集。通過對CT測試結果進行分析，存在地波速區，并且連通性好，說明涌水通道中含有大量地下水。另外，在對垂直向涌水通道范圍進行推測時，要求采用聲波法CT探測技術。對于涌水通道，可將其分為三個層次類型，包括分線、中線以及深線。涌水通道范圍聲波CT探測成果如圖5所示。

圖5 涌水通道范圍聲波CT探測成果剖面

涌水通道范圍聲波CT探測結果如圖3所示，通過對圖3進行分析，聲波法CT探測技術所得成果準確度比較高，能夠為涌水通道灌漿封堵提供可靠參數。

4 結語

綜上所述，本文主要結合實例，對地下聲波法CT探測技術在工程地質勘查中的應用優勢以及應用要點進行了詳細探究。地下聲波法CT技術為新型探測技術類型，在工程地質勘查中，可采用地下聲波法CT探測技術，確定孔間、孔周巖溶以及溶蝕裂隙帶，詳細查明地下構造情況、巖石風化程度，進而對地下環境地質條件進行評價分析。根據本工程分析課件，通過將聲波法CT探測技術應用于工程項目涌水點勘查中，能夠有效彌補傳統鉆探技術的弊端，可有效解決各類復雜地質結構勘查難得問題。隨著科學技術的快速發展，聲波法CT探測技術也將逐漸朝向高速、穩定的方向發展，提升成圖分辨率，保證成圖質量。