地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

趙永超，林大江

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)是近年來(lái)所發(fā)展的地球物理探測(cè)新技術(shù)類型，在具體的探測(cè)過(guò)程中，在發(fā)出聲波后，聲波穿透地質(zhì)體。對(duì)聲波走時(shí)進(jìn)行計(jì)算反演，即可創(chuàng)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部波束成像圖。通過(guò)對(duì)波速成像圖進(jìn)行分析，即可準(zhǔn)確區(qū)分巖性分布以及巖體內(nèi)的破碎帶、巖溶發(fā)育帶等，因此，對(duì)地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究意義重大。

1 地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)的基本原理

地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)充分應(yīng)用聲波的射線幾何動(dòng)力學(xué)原理，在聲波傳遞過(guò)程中，對(duì)聲波走時(shí)、射線路徑、波形、頻率、相位等進(jìn)行全面細(xì)致的分析，即可反演出地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)形式、速度分布情況等各類重要參數(shù)，是一種新型地球物理探測(cè)技術(shù)?，F(xiàn)如今，在地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，主要采用速度層析成像方式，通過(guò)利用聲波CT技術(shù)反演擬合計(jì)算結(jié)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(jù)勘查結(jié)果圈定巖體破碎范圍，即可判斷工程項(xiàng)目地質(zhì)條件實(shí)際情況。

圖1 網(wǎng)格劃分

通過(guò)對(duì)圖1進(jìn)行分析，假定，在測(cè)區(qū)中共有n條射線穿過(guò)，可將整個(gè)測(cè)區(qū)劃分為p×q=m個(gè)網(wǎng)格，Randon公式如下所示：

其中，Ti指的是第i條射線的旅行時(shí)，Li指的是第i條射線。通過(guò)根據(jù)上述公式，能夠?qū)Φ趇條射線的旅行時(shí)進(jìn)行計(jì)算。另外，假設(shè)成像單元小，對(duì)于每個(gè)單元sj（x，y），可作為常數(shù)，對(duì)于上述公式，可寫成的級(jí)數(shù)形式，計(jì)算公式如下：

在上述公式中，aij指的是第i條射線在第j個(gè)單元內(nèi)的線段長(zhǎng)度，對(duì)于公式（2），還可寫成公式（3）的形式：

2 地下聲波法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在工程地質(zhì)勘查中，地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具體包括以下幾點(diǎn)：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(qiáng)，可被應(yīng)用于干擾因素較多的工程地質(zhì)勘查中。第三，其具有觀測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)χ边_(dá)波進(jìn)行詳細(xì)記錄，可對(duì)波動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行全面細(xì)致的解釋分析，進(jìn)而準(zhǔn)確的反映出非均勻地質(zhì)體。第四，通過(guò)利用透射波傳播特性，能夠?qū)Ω黝惒ㄐ芜M(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。在聲波法的實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)利用彈性波波場(chǎng)特性，可獲得完善的彈性波速度參數(shù)，可將其作為工程項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。現(xiàn)如今，地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)主要被推廣應(yīng)用于以下領(lǐng)域：地下巖溶勘查、礦產(chǎn)勘查、地下水分布勘查、工程項(xiàng)目勘查等。

3 地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

本文以某水電站作為研究對(duì)象，對(duì)地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行分析，該水電站為重要梯級(jí)電站，通過(guò)對(duì)以往的勘查資料進(jìn)行分析，該施工區(qū)域地下巖溶形態(tài)主要包括溶洞、落水洞溶孔、落水洞等，地下涌水量較大。

在對(duì)該工程地質(zhì)條件進(jìn)行勘查時(shí)，需要注意被探測(cè)目標(biāo)周邊介質(zhì)的波速差異比較大，因此，在對(duì)集中涌水點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，需聯(lián)合應(yīng)用單孔聲波檢測(cè)技術(shù)以及聲波CT探測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確查明引水隧洞施工區(qū)域巖溶發(fā)育情況以及富水構(gòu)造，為后續(xù)灌漿封堵施工提供可靠依據(jù)。在本次勘查中，單孔聲波測(cè)試屬于基礎(chǔ)性工作，在獲得完善的單孔聲波測(cè)試成果后，即可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況布置聲波CT測(cè)試工作，綜合考慮該工程項(xiàng)目固結(jié)灌漿施工技術(shù)要求，在聲波探測(cè)法的實(shí)際應(yīng)用中，如果波速低于5000m/s，則可認(rèn)定為低波速區(qū)域。

3.2 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況

測(cè)區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)為Ⅳ類圍巖，測(cè)區(qū)底板涌水，在涌水時(shí)水質(zhì)渾濁，并且?jiàn)A有泥沙，隨著用水量的不斷增加，涌水越來(lái)越清澈。通過(guò)水文地質(zhì)勘查，在降雨季節(jié)，最大流量達(dá)3.10m2/s，為特大涌水部位。

3.3 單孔聲波檢測(cè)工作

在對(duì)集中涌水點(diǎn)進(jìn)行勘查時(shí)，首先需設(shè)置18個(gè)單孔聲波檢測(cè)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(cè)成果

通過(guò)對(duì)單孔聲波檢測(cè)資料進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下：①單孔測(cè)試聲波的波速在1510m/s～6940m/s之間。②在勘查區(qū)域中，ZK-1～ZK-4以及ZK-13～ZK-18巖體的結(jié)構(gòu)完整度比較高，而且其他各個(gè)孔的單孔測(cè)試曲線為鋸齒型，由此可見(jiàn)，巖體破碎，由于結(jié)構(gòu)面發(fā)育，因此出現(xiàn)低聲速段，另外，局部可作為地下水流通的通道。③當(dāng)孔深在18m以下時(shí)，ZK-7、ZK-9以及ZK-11的波速比較低，并且變化形式比較大，說(shuō)明該段為地下涌水通道。④當(dāng)ZK-10孔深達(dá)11m～19m時(shí)，巖體波速變化情況比較大，并且當(dāng)孔深在19m以下時(shí)，主要為塌孔。因此，當(dāng)孔深在11m以下時(shí)，巖體破碎，并且局部與溶蝕發(fā)育。

3.4 工作布置

在聲波法CT探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用中，其能夠詳細(xì)反映出孔深方向孔壁附近巖體的波速變動(dòng)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(xì)了解地下水涌水通道的規(guī)模以及位置，并對(duì)溶腔發(fā)育情況進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要適當(dāng)擴(kuò)大檢測(cè)范圍。

3.5 資料解釋

在本次地質(zhì)勘查中利用聲波法CT探測(cè)技術(shù)，所得聲波CT測(cè)試成果如圖3和圖4所示。

圖3 ZK-9與ZK-7聲波CT測(cè)試成果

在探測(cè)過(guò)程中，需采用兩孔測(cè)試方式，對(duì)于ZK-7以及ZK-11，均可作為聲波激發(fā)孔，另外，對(duì)于ZK-9，可將其作為聲波接收孔。通過(guò)對(duì)圖1和圖2進(jìn)行分析可見(jiàn)，當(dāng)ZK-9孔深在19m以下時(shí)，單孔聲波檢測(cè)所得結(jié)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(jù)勘查結(jié)果分析，確定為溶蝕空腔。當(dāng)深度達(dá)到19m以下時(shí)，在ZK-9側(cè)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(cè)試成果

在獲得單孔測(cè)試的低波速帶、CT測(cè)試所得低波速塊后，即可對(duì)勘查區(qū)域地下環(huán)境中的巖溶發(fā)育情況、富水構(gòu)造進(jìn)行進(jìn)行詳細(xì)采集。通過(guò)對(duì)CT測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，存在地波速區(qū)，并且連通性好，說(shuō)明涌水通道中含有大量地下水。另外，在對(duì)垂直向涌水通道范圍進(jìn)行推測(cè)時(shí)，要求采用聲波法CT探測(cè)技術(shù)。對(duì)于涌水通道，可將其分為三個(gè)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(cè)成果如圖5所示。

圖5 涌水通道范圍聲波CT探測(cè)成果剖面

涌水通道范圍聲波CT探測(cè)結(jié)果如圖3所示，通過(guò)對(duì)圖3進(jìn)行分析，聲波法CT探測(cè)技術(shù)所得成果準(zhǔn)確度比較高，能夠?yàn)橛克ǖ拦酀{封堵提供可靠參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要結(jié)合實(shí)例，對(duì)地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)探究。地下聲波法CT技術(shù)為新型探測(cè)技術(shù)類型，在工程地質(zhì)勘查中，可采用地下聲波法CT探測(cè)技術(shù)，確定孔間、孔周巖溶以及溶蝕裂隙帶，詳細(xì)查明地下構(gòu)造情況、巖石風(fēng)化程度，進(jìn)而對(duì)地下環(huán)境地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。根據(jù)本工程分析課件，通過(guò)將聲波法CT探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于工程項(xiàng)目涌水點(diǎn)勘查中，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)鉆探技術(shù)的弊端，可有效解決各類復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘查難得問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，聲波法CT探測(cè)技術(shù)也將逐漸朝向高速、穩(wěn)定的方向發(fā)展，提升成圖分辨率，保證成圖質(zhì)量。