地震映像技術在塔基空洞檢測中的應用

李 明，楊全紅，楊 潤，曾賢德，孫松柏

( 中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著我國電力建設的快速發展，輸電線路網絡越來越龐大，線路路徑穿越的地形也越來越復雜，尤其是特高壓線路，不可避免地將輸電線路布置在山頂或半山腰等陡峭地勢上。當山坡經過沖刷、侵蝕等一系列構造作用形成未知空洞，該空洞的存在會使基巖失去原有的承載能力，從而導致桿塔傾斜和倒塌，其后果輕則失去掛線能力，重則全面斷電造成重大經濟損失。因此，該空洞的存在直接影響到輸電桿塔的穩定性和輸電線路的正常運行，檢測該空洞的位置及規模有著重要的工程價值。

1 技術原理及特點

地震映像技術以相同的點距同時移動激發點和接收點，對地下異常體進行連續掃描，其工作原理如圖1 所示。地震波由激發點在地下介質傳播過程中遇到具有彈性差異的地質異常體時，就會產生各類轉換波返回至地面，通過設置在接收點的檢波器接收，對接收到的地震波數據進行簡單處理，以二維時間剖面圖的形式顯現，該圖可以直觀地反映地質異常的規模和形態[1-2]。

圖1 工作原理示意圖

地震映像技術是一種定性、快速的普查探測方法；利用多種波進行資料解釋，當檢測目的明確，在檢測空洞等橫向變化的情況下效果比較理想；因為使用同一偏移距，所以時間剖面上時間的變化就表現出地質異常體，這使得資料解釋更加方便[3]。

2 工程應用

2.1 工程概況

陜北—湖北±800 kV 特高壓直流輸電線路工程為新建工程，根據沿線踏勘、調查了解及參考附近已有工程資料，該線路途經地段的地貌單元主要為丘陵、沖洪積扇、低山及沖洪積平原地貌，局部分布有沖洪積形成的河流階地、河漫灘及河床等地貌單元。根據區域水文地質條件、含水層構成，對于線路西北黃土丘陵區地下水位普遍較深，山前傾斜平原，由于地勢相對低洼，地下水埋藏較淺，且隨季節變化而出現明顯變化。地下水類型主要為孔隙潛水，水量相對較大。主要接受大氣降水和側向徑流補給，其排泄方式有側向徑流、蒸發、人工開采及向河流排泄。日前，接到現場施工單位反饋，在Z1819 塔位的C、D 腿基礎側壁發現有空洞，立即組織地質與物探專業溝通，趕赴現場進行勘探工作，制定相關的勘測方案，桿塔位Z1819 地勢起伏較大，屬丘陵地貌，呈林地景觀，表層覆蓋可塑狀粉質黏土，下伏底層為花崗巖。塔基空洞的位置、形狀，以及大小等諸因素會導致圍巖失穩，對基礎的承載力和沉降產生影響，從而導致桿塔傾斜和倒塌，其發生失穩的時間以及空間很難預測，所以需要準確判斷出該空洞的規模，及時采取處理措施，消除安全隱患。由于時間較為緊迫，施工單位希望能現場直接給出檢測結果以及治理方案，經過現場調查分析，選擇地震映像技術進行檢測，為查明空洞走向及延伸情況，現場布置3 條地震映像測線，如圖2 所示為測線布置圖。

圖2 測線布置圖

2.2 地球物理特征

為了確定地震映像技術對空洞檢測的有效性，以及初步判定地震映像技術中各類地震波對空洞的響應特征，對空洞發育區進行正演模擬，如圖3 所示。根據現場地質情況建立正演模型，表層為粉質黏土，底層為花崗巖，為更好地研究分析地震波對空洞的響應特征，將空洞置于兩種不同性質地層各一半，根據現場開挖情況，孔洞內部未填充其他介質，故本次正演模型中封閉型空洞內部設置為空氣。

圖3 正演模型

由正演模型，最終取得如圖4 所示正演時間剖面，橫縱坐標分別表示水平位置以及縱向地震波雙程走時。分析圖中波形特征可以看出，在空洞區域有明顯的繞射現象，地層分界面反射波同相軸缺失，以此推斷巖石空洞在地震映像時間剖面中響應特征明顯，該技術在空洞檢測中具有可行性。

圖4 正演時間剖面

在對現場進行的地震地質條件調查以及正演模擬表明，現場具備進行彈性波檢測的地球物理條件：封閉空洞中空氣以及充填物與圍巖有較為明顯的波速差異和波阻抗差異，可形成繞射波或反射波特征。通過對地震波場的理論研究以及試驗資料表明，各類空洞可以在時間剖面上分別表現不同特征，通過分析地震波的動力學及運動學特征，可以推斷出空洞的位置以及形態[4]。

表1 巖土介質縱波速度參數表

2.3 參數設置

通過現場情況，對各參數取經驗值并代入計算得到最佳偏移距范圍：

通過進行多次現場試驗，以及最佳偏移距計算結果，來確定觀測系統和采集參數并得到干擾波特征，考慮到現場采集工作的方便性，最終確定采集參數為：偏移距為2 m，采集長度為100 ms，工作點距為0.5 m，全程使用6 kg鐵錘敲擊鋼板來激發地震波達到能量均衡的效果，在每次疊加時敲擊力度一致，敲擊后將鐵錘與鐵板迅速分開，避免產生余震[5-7]。

2.4 數據處理及剖面分析

對現場采集到的地震數據信息，在時間剖面上進行直達波、反射波、多次反射波、面波等多波聯合分析，為保留反映地下介質性質的多波信息，不做過多修飾性處理，僅僅對時間剖面進行頻率濾波、能量均衡等技術，使時間剖面圖更利于識別異常，現場采集三條剖面結果如圖5 ～圖7 所示。

圖7 e～f 時間剖面

在a ～b 時間剖面中，6.0 ～7.0 m 段，該段淺部20 ms 左右的反射波同相軸缺失錯亂現象明顯，甚至同相軸反轉。根據空洞發育地區地球物理特征推斷，如圖5 所示，該異常段的淺層反射波同相軸缺失部位，存在一處較小空洞。

圖5 a～b 時間剖面

在c ～d 時間剖面中，5.5 ～6.5 m 段，該段淺部20 ms 左右存在同樣異常表現，淺層反射波同相軸缺失部位，推斷存在一處較小空洞。

在e ～f 時間剖面中，通過圖5、圖6 中的異常段及C 腿開挖出現的空洞在圖中的表現，同時結合圖中波形的異常表現，即可圈定出該空洞的大致范圍由7.0 m 處向大號段逐漸延伸，并且深度逐漸變深，圖中7.0 m 處左側未發現異常與D 腿現場開挖未出現空洞相吻合。

圖6 c～d 時間剖面

綜合對3 張剖面圖的分析及塔腿開挖的實際情況，最終確定該空洞呈近水平狀，無向下侵蝕的情況，沿C、D 腿方向分布一條由于構造運動形成的地下裂隙，該裂隙內的破碎巖體受降水等因素的影響被沖蝕形成空洞。該空洞起始于D 腿，并向C 腿方向沿伸，在距C 腿基礎外壁左側(面對線路方向)約0.9 m 處穿過，沿線路方向向外延伸，長度超過30.0 m。據此，建議處理措施為對C 腿小號側(沿D 腿方向)的空洞利用混凝土根據需要進行全部回填，或對有影響區域進行局部回填；對于大號側(沿線路方向)的孔洞建議對塔基區域外側用毛石進行砌筑封堵，影響區域內采用混凝土回填，由此來消除空洞帶來的安全隱患[8]。

3 結論

塔基空洞是較為隱蔽的地質異常，具有偶然性，電力行業尤其線路工程，在地質勘察工作中，無法對其進行針對性的勘察工作，鉆探物探等地質工作均未發現異常的情況下，只有施工單位在施工過程中才能發現該類異常的存在，并且該異常嚴重影響施工進度以及工程質量，所以必須盡快查明確定異常的位置及規模形態。使用地震映像技術進行地質勘察已有眾多成功案例，本文對塔基范圍內空洞的探測取得了良好的效果，結合塔基的地質狀況對勘探成果作出了解譯分析，基本查明了異常區域的分布范圍，為塔基的施工建設提供了較為可靠的物探資料。

地震映像技術在各類物探技術發展過程中，由于它采用單道接收，在縱向無法確定異常深度這一明顯的局限性導致這項技術逐漸被淘汰，但是在電力行業中，它的局限性恰恰可以忽略，因為施工過程中無論發現何種異常，該異常的深度是確定的，只需要檢測出該異常在橫向的延伸及規模，使用地震映像技術可以在現場快速直觀得出結果，無需后期處理，能有效解決施工單位需要現場得出結論的需求，對現場解決問題有很大的幫助。

地震映像技術依據地震勘探相關理論，結合各類異常體的特點，在電力行業應用于地下異常體的檢測，完成勘察任務，取得了良好的效果。在掌握技術方法的同時，為今后解決類似工程地質問題積累了經驗。