綜合面波法分析地下空洞展布在水利工程中的應(yīng)用

關(guān)鑲鋒，盧長偉，殷 成，滕兆育

（吉林省水利水電勘測設(shè)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(chǎn)沙金等各種礦產(chǎn)，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(fā)， 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(chǔ)的隱患問題日益突出， 因而采用有效的物探技術(shù)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(nèi)古河道內(nèi)， 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(guī)模不大，分布縱橫交織且有支洞、豎井連接，洞底兩側(cè)有時候多用漂卵石支護，一般埋深在0～100m范圍，規(guī)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(qū)、回填區(qū)等復(fù)雜存在形式， 洞與周邊的原態(tài)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(fā)射天線效果不明顯，如果探測目標規(guī)模小，旁側(cè)影響會掩蓋掉目標體信號，且缺乏有力的數(shù)據(jù)處理方法，連測數(shù)據(jù)采集速度一般，成像數(shù)據(jù)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(guān)分析、頻譜分析等，還沒有非常有效的數(shù)據(jù)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(yīng)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(qū)等影響因素，反演結(jié)果因此可能未能反演出真正地下空洞分布情況和規(guī)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(guī)?？斩葱Ч^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(jīng)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(qū)， 深層效果較好且對低阻（地下空洞被水填充時）異常反應(yīng)較敏感，但較粗糙和體積效應(yīng)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(guī)模太小效果不佳。

瞬變電磁法：（Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM法），目前經(jīng)常用于淺部10～150m之間探測，野外發(fā)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(yīng)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(shù)：（地震CT（Computerized Tomography）技術(shù)）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(guī)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(shè)備還有待進一步改進，如盡可能采用附有壓制干擾結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(zhì)效果，是控制淺層地震反射法能成功應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)處理同地震背景噪聲處理一致， 包括每一臺數(shù)據(jù)的預(yù)處理（如圖1）、計算和疊加各臺之間互相關(guān)函數(shù)、提取相應(yīng)的頻散曲線（如圖2）、每臺數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)反演（如圖4）。

圖1 數(shù)據(jù)預(yù)處理—恢復(fù)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(jié)構(gòu)反演

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要有儀器采集前同步一致性試驗 （如圖5）、H/V數(shù)據(jù)1，2，4，8h，5d穩(wěn)定性對比觀測（如圖6）、分辨可恢復(fù)性試驗（如圖7）及數(shù)據(jù)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(jù)地質(zhì)測繪統(tǒng)計， 壩址區(qū)右岸古河道發(fā)現(xiàn)14條地下空洞，其中9條位于壩基輪廓線范圍內(nèi)，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(guī)律性極差。

圖5 儀器一致性觀測

圖6 H/V數(shù)據(jù)穩(wěn)定性觀測

圖7 理論模型恢復(fù)模型

圖8 數(shù)據(jù)殘差

圖9 工程天然面波測網(wǎng)和S波相速度層析成像和二維結(jié)構(gòu)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(qū)同鉆孔異常區(qū)吻合（如圖10）。 根據(jù)異常區(qū)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(zhì)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(jié)語

（1）地下空洞經(jīng)過多次不確定采礦遺留，其開挖過程，回填，坍塌，形成影響區(qū)的范圍和空間展布，有其復(fù)雜性和隨機性， 工程中要了解清楚有很大技術(shù)難度。 面對水利工程中的類似工程地質(zhì)問題我們同時探討了八種工程物探技術(shù)方法， 每一種技術(shù)方法有其獨特的技術(shù)應(yīng)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(yè)便捷，兩側(cè)盲區(qū)??；受地形地貌，場地電磁，地下水和噪音等干擾極少；數(shù)據(jù)完整分辯率高，有效探測深度0～200m。 就天然地質(zhì)條件、埋深、規(guī)模及地球物理特性等邊界條件進行比較， 本文采用技術(shù)方法較理想。

（2）數(shù)據(jù)處理通過各測站數(shù)據(jù)進行二維S波相速度的聯(lián)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(shù)據(jù)，更可靠地劃分沉積基底和沉積層結(jié)構(gòu)， 以及沉積層中地下空洞的空間分布特征。

（3）系統(tǒng)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(xiàn)該方法優(yōu)越性、 準確性， 分析結(jié)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(qū)及規(guī)模較小的軟巖夾層、地質(zhì)構(gòu)造斷裂、斷層、破碎帶等S波速度異常體的勘察和研究。