電磁波CT在工程地質巖溶勘察中的應用

陳洋 馮偉 張威

摘要：巖溶、裂隙發育帶對地質工程帶來了巨大的經濟和安全隱患，在對探測對象不造成損傷的情況下，電磁波CT技術是工程物探中用來探測巖溶發育的一種有效方法。本文通過多個工程實例，論述了電磁波CT技術在巖溶發育規模勘察中的應用，為工程地質巖溶探測提供了重要的依據。

關鍵詞：電磁波CT;巖溶探測;碳酸鹽巖

1、前言

喀斯特地貌在中國分布非常廣，其集中分布于桂、黔、滇等省區，川、渝、湘、晉、甘、藏等省區部分地區亦有分布。對于西南省份，巖溶、裂隙及巖石破碎發育帶常常給地質工程帶來了巨大經濟和安全隱患。一般的巖溶探測，往往采用鉆探工程地質勘察和其他常規物探方法。但由于鉆孔布置數量和密度的影響，相鄰鉆孔之間或鉆孔附近的巖溶往往無法被發現;采用常規物探方法時，也常常對巖溶發育的規模無法精細刻畫。

20世紀80年代以來，地學層析技術的開始嶄露頭角，相關學者與專家的研究使得高頻電磁波和地震波一樣應用的層析成像觀測中，通過對介質對電磁波的吸收系數和速度分布的圖像構建，使的電磁波CT技術應用到工程地質勘察中來。因鉆孔電磁波CT技術是對孔間介質進行全方位的掃描，具有數據量大、精度高的優點，數據成果可以清晰直觀的展現鉆孔之間電磁波吸收的空間規律，故電磁波CT技術在解決巖溶、裂隙及巖石破碎發育帶等不良地質構造方面具有明顯的優勢。

2、基本原理

鉆孔電磁波CT技術基本原理借助于醫學CT技術。醫學CT技術是利用X射線掃描人體切面，經計算機處理顯示人體病灶的精確圖像。電磁波CT使用的地下電磁波儀，采用對稱偶極天線發射電磁波，在其輻射場中采用鞭狀天線接收電磁波的幅值場強，這種天線在射線光學近似下，電磁波在有耗介質中的衰減幅值轉輸方程可表示為：

根據Radon變換，吸收系數β（r）可以由它的無窮多個Radon變換式（2-2）唯一重建。在觀測區域進行全方位的無窮多次觀測是不現實的，只能在有限的角度范圍進行有限次觀測，但目前的一些反演方法，仍可較好地重建巖體的吸收系數或波速圖像。井間電磁波CT觀測方式為，在一孔激發，另一孔單道或多道接收。采集方式有同步、鈄同步、定點扇形等觀測方式，當鉆孔較深時，可先用同步或斜同步方式掃描測量，在發現異常孔段采用扇形測量方式確定異常的位置及規模。

通過改變激發點和接收的位置，組成密集交叉的射線網絡（如圖1），然后根據射線的疏密程度及成像精度劃分規則的成像單元，運用射線追蹤理論，采用的反演計算方法形成被測區域的吸收系數或波速圖像（如圖2），根據圖像中吸收系數來劃分巖體質量、確定地質構造及軟弱巖帶的空間分布。

3、資料解釋

通常情況下，在巖溶發育地區，當地下洞穴為充填型洞穴時或裂隙破碎帶發育時，電磁波被洞穴（含泥或充水）吸收而能量衰減，強度減弱，反映為射線強度低異常，在反演剖面上表現為高視吸收系數;反之，當地下洞穴為空洞時，反映為射線強度高異常，在反演剖面上表現為低視吸收系數;完整基巖因其完整性較好，在反演剖面上同樣表現為低視吸收系數。通過鉆探了解工區工程地質資料，便可有針對性的進行電磁波CT成果資料解釋。

4、工程實例

4.1 輸水隧洞工程巖溶探測

某輸水工程為水環境治理及城市供水優化配置工程中的一個子工程，主要任務為調整水廠的取水水源，保障某市供水用量及質量，同時為護城河上游補水，改變護城河飲用水源作為景觀用水的現狀，降低下游水廠水源地環境風險，保證飲用水安全。該輸水線路上碳酸鹽類巖層出露面積占測區地層總出露面積的60%左右。在洞軸線樁號5+621～6+674段，隧洞埋深10～30m，埋深較淺，該段地層為三疊系中統白云巖、泥質白云巖及泥巖互層，下統厚層白云巖，隧洞穿過地區地表有泉點、水塘、水溝分布，地下水豐富，以及受巖體溶蝕風化、斷層帶影響，圍巖穩定性差，開挖中可能出現冒頂、巖溶塌陷等現象。為查明相關地質情況，布置兩對鉆孔，孔間距為24m，探測結果經數據處理后得到的反演色度圖見圖3、圖4。

圖3 ?某輸水工程CT1-CT2鉆孔電磁波CT成果解釋圖

根據鉆孔資料結合電磁波CT反演結果，吸收系數在0.01～0.4之間的巖體節理裂隙較發育，完整性較好，為背景值。吸收系數0.4～0.7之間的巖體節理裂隙、溶蝕裂隙發育，完整性較差。0.7以上的巖體溶蝕裂隙發育，巖體破碎，完整性差，局部可能發育較大規模的泥水充填巖溶。從圖3中可以看出剖面CT1-CT2區間段發育兩處巖石破碎帶：①淺地表高程1120-1145m間，②CT2孔下方高程1100-1110段;從圖4中可以看出剖面CT55-CT1區間段發育四處巖石破碎帶：①CT55孔下方高程1130-1145m段，②CT55孔下方高程1100m處，③③CT1孔下方高程1145m處，④CT55孔下方高程1100-1125m段。破碎帶內巖體完整性差，局部可能發育較大規模泥水充填巖溶，為隧洞安全施工提供資料依據，提前進行相關安全措施處理。

4.2 水庫工程滲漏巖溶通道探測

在西南巖溶地區修庫建壩，必須有完整而可靠的防滲設施，才能保證大壩的施工安全與可靠運轉。帷幕灌漿技術就是水工建筑巖體處理中常用而重要的一種工程措施。但是帷幕灌漿處理過程中常常存在滲漏缺陷，使得防滲帷幕無法起到應有的作用。電磁波CT技術可以精確探測防滲帷幕線巖體完整性及巖溶破碎帶、節理裂隙發育帶等發育規模及分布情況，為防滲帷幕灌漿設計工作提供定量參數。

某水庫2015年下閘蓄水，于2016年蓄水至高程1316m處時，左岸防滲帷幕開始滲水，為查明滲水點附近防滲帷幕的下方不良地質結構發育情況，布置四個鉆孔開展電磁波CT探測，探測成果見圖5。

根據電磁波CT反演色度圖，剖面上出現2個電磁波高吸收系數異常帶：①從鉆孔ZKSII3-1深度2-5米位置，向下一直延伸至鉆孔ZKSII3-4深度13-21米位置;②從鉆孔ZKSII3-1深度25-32米位置，向下一直延伸至鉆孔ZKSII3-2深度25-37米位置。電磁波在通過這些區域能量衰減較快，結合地質情況分析，推測這2個異常帶可能發育順層溶蝕破碎帶，巖體完整性相對較差，破碎帶內可能存在滲漏通道。

5、結論與認識

電磁波CT技術應用于地下巖溶探測具有良好的探測效果，彌補鉆孔之間的地質信息少的缺陷，結合鉆孔資料可以較為直觀的查明地下巖溶、裂隙及巖石破碎發育等不良地質構造，為下一步的工程設計提供更為詳盡可靠的地質資料。該方法與技術相比較與常規勘察手段具有明顯的快速、省錢的優越性，且采集數據量大、分辨率高，在工程地質勘察中有廣闊的應用場景。

同時在現場工作中，需先進行試驗，選擇合適的工作頻率。在資料解釋過程中，因電磁波吸收系數為相對值，異常判別時應結合鉆孔資料和相關地質情況，對目標異常體表現出來的特征進行綜合分析，降低物探成果的多解性。

參考文獻

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