電磁波CT在工程地質(zhì)巖溶勘察中的應(yīng)用

陳洋 馮偉 張威

摘要：巖溶、裂隙發(fā)育帶對(duì)地質(zhì)工程帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和安全隱患，在對(duì)探測(cè)對(duì)象不造成損傷的情況下，電磁波CT技術(shù)是工程物探中用來(lái)探測(cè)巖溶發(fā)育的一種有效方法。本文通過(guò)多個(gè)工程實(shí)例，論述了電磁波CT技術(shù)在巖溶發(fā)育規(guī)?？辈熘械膽?yīng)用，為工程地質(zhì)巖溶探測(cè)提供了重要的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電磁波CT;巖溶探測(cè);碳酸鹽巖

1、前言

喀斯特地貌在中國(guó)分布非常廣，其集中分布于桂、黔、滇等省區(qū)，川、渝、湘、晉、甘、藏等省區(qū)部分地區(qū)亦有分布。對(duì)于西南省份，巖溶、裂隙及巖石破碎發(fā)育帶常常給地質(zhì)工程帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)和安全隱患。一般的巖溶探測(cè)，往往采用鉆探工程地質(zhì)勘察和其他常規(guī)物探方法。但由于鉆孔布置數(shù)量和密度的影響，相鄰鉆孔之間或鉆孔附近的巖溶往往無(wú)法被發(fā)現(xiàn);采用常規(guī)物探方法時(shí)，也常常對(duì)巖溶發(fā)育的規(guī)模無(wú)法精細(xì)刻畫。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，地學(xué)層析技術(shù)的開始嶄露頭角，相關(guān)學(xué)者與專家的研究使得高頻電磁波和地震波一樣應(yīng)用的層析成像觀測(cè)中，通過(guò)對(duì)介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收系數(shù)和速度分布的圖像構(gòu)建，使的電磁波CT技術(shù)應(yīng)用到工程地質(zhì)勘察中來(lái)。因鉆孔電磁波CT技術(shù)是對(duì)孔間介質(zhì)進(jìn)行全方位的掃描，具有數(shù)據(jù)量大、精度高的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)成果可以清晰直觀的展現(xiàn)鉆孔之間電磁波吸收的空間規(guī)律，故電磁波CT技術(shù)在解決巖溶、裂隙及巖石破碎發(fā)育帶等不良地質(zhì)構(gòu)造方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2、基本原理

鉆孔電磁波CT技術(shù)基本原理借助于醫(yī)學(xué)CT技術(shù)。醫(yī)學(xué)CT技術(shù)是利用X射線掃描人體切面，經(jīng)計(jì)算機(jī)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(duì)稱偶極天線發(fā)射電磁波，在其輻射場(chǎng)中采用鞭狀天線接收電磁波的幅值場(chǎng)強(qiáng)，這種天線在射線光學(xué)近似下，電磁波在有耗介質(zhì)中的衰減幅值轉(zhuǎn)輸方程可表示為：

根據(jù)Radon變換，吸收系數(shù)β（r）可以由它的無(wú)窮多個(gè)Radon變換式（2-2）唯一重建。在觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行全方位的無(wú)窮多次觀測(cè)是不現(xiàn)實(shí)的，只能在有限的角度范圍進(jìn)行有限次觀測(cè)，但目前的一些反演方法，仍可較好地重建巖體的吸收系數(shù)或波速圖像。井間電磁波CT觀測(cè)方式為，在一孔激發(fā)，另一孔單道或多道接收。采集方式有同步、鈄同步、定點(diǎn)扇形等觀測(cè)方式，當(dāng)鉆孔較深時(shí)，可先用同步或斜同步方式掃描測(cè)量，在發(fā)現(xiàn)異?？锥尾捎蒙刃螠y(cè)量方式確定異常的位置及規(guī)模。

通過(guò)改變激發(fā)點(diǎn)和接收的位置，組成密集交叉的射線網(wǎng)絡(luò)（如圖1），然后根據(jù)射線的疏密程度及成像精度劃分規(guī)則的成像單元，運(yùn)用射線追蹤理論，采用的反演計(jì)算方法形成被測(cè)區(qū)域的吸收系數(shù)或波速圖像（如圖2），根據(jù)圖像中吸收系數(shù)來(lái)劃分巖體質(zhì)量、確定地質(zhì)構(gòu)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(fā)育地區(qū)，當(dāng)?shù)叵露囱槌涮钚投囱〞r(shí)或裂隙破碎帶發(fā)育時(shí)，電磁波被洞穴（含泥或充水）吸收而能量衰減，強(qiáng)度減弱，反映為射線強(qiáng)度低異常，在反演剖面上表現(xiàn)為高視吸收系數(shù);反之，當(dāng)?shù)叵露囱榭斩磿r(shí)，反映為射線強(qiáng)度高異常，在反演剖面上表現(xiàn)為低視吸收系數(shù);完整基巖因其完整性較好，在反演剖面上同樣表現(xiàn)為低視吸收系數(shù)。通過(guò)鉆探了解工區(qū)工程地質(zhì)資料，便可有針對(duì)性的進(jìn)行電磁波CT成果資料解釋。

4、工程實(shí)例

4.1 輸水隧洞工程巖溶探測(cè)

某輸水工程為水環(huán)境治理及城市供水優(yōu)化配置工程中的一個(gè)子工程，主要任務(wù)為調(diào)整水廠的取水水源，保障某市供水用量及質(zhì)量，同時(shí)為護(hù)城河上游補(bǔ)水，改變護(hù)城河飲用水源作為景觀用水的現(xiàn)狀，降低下游水廠水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，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(cè)區(qū)地層總出露面積的60%左右。在洞軸線樁號(hào)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(tǒng)白云巖、泥質(zhì)白云巖及泥巖互層，下統(tǒng)厚層白云巖，隧洞穿過(guò)地區(qū)地表有泉點(diǎn)、水塘、水溝分布，地下水豐富，以及受巖體溶蝕風(fēng)化、斷層帶影響，圍巖穩(wěn)定性差，開挖中可能出現(xiàn)冒頂、巖溶塌陷等現(xiàn)象。為查明相關(guān)地質(zhì)情況，布置兩對(duì)鉆孔，孔間距為24m，探測(cè)結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)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(jù)鉆孔資料結(jié)合電磁波CT反演結(jié)果，吸收系數(shù)在0.01～0.4之間的巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性較好，為背景值。吸收系數(shù)0.4～0.7之間的巖體節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙發(fā)育，完整性較差。0.7以上的巖體溶蝕裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差，局部可能發(fā)育較大規(guī)模的泥水充填巖溶。從圖3中可以看出剖面CT1-CT2區(qū)間段發(fā)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(qū)間段發(fā)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(nèi)巖體完整性差，局部可能發(fā)育較大規(guī)模泥水充填巖溶，為隧洞安全施工提供資料依據(jù)，提前進(jìn)行相關(guān)安全措施處理。

4.2 水庫(kù)工程滲漏巖溶通道探測(cè)

在西南巖溶地區(qū)修庫(kù)建壩，必須有完整而可靠的防滲設(shè)施，才能保證大壩的施工安全與可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。帷幕灌漿技術(shù)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(guò)程中常常存在滲漏缺陷，使得防滲帷幕無(wú)法起到應(yīng)有的作用。電磁波CT技術(shù)可以精確探測(cè)防滲帷幕線巖體完整性及巖溶破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶等發(fā)育規(guī)模及分布情況，為防滲帷幕灌漿設(shè)計(jì)工作提供定量參數(shù)。

某水庫(kù)2015年下閘蓄水，于2016年蓄水至高程1316m處時(shí)，左岸防滲帷幕開始滲水，為查明滲水點(diǎn)附近防滲帷幕的下方不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育情況，布置四個(gè)鉆孔開展電磁波CT探測(cè)，探測(cè)成果見圖5。

根據(jù)電磁波CT反演色度圖，剖面上出現(xiàn)2個(gè)電磁波高吸收系數(shù)異常帶：①?gòu)你@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(guò)這些區(qū)域能量衰減較快，結(jié)合地質(zhì)情況分析，推測(cè)這2個(gè)異常帶可能發(fā)育順層溶蝕破碎帶，巖體完整性相對(duì)較差，破碎帶內(nèi)可能存在滲漏通道。

5、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

電磁波CT技術(shù)應(yīng)用于地下巖溶探測(cè)具有良好的探測(cè)效果，彌補(bǔ)鉆孔之間的地質(zhì)信息少的缺陷，結(jié)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(fā)育等不良地質(zhì)構(gòu)造，為下一步的工程設(shè)計(jì)提供更為詳盡可靠的地質(zhì)資料。該方法與技術(shù)相比較與常規(guī)勘察手段具有明顯的快速、省錢的優(yōu)越性，且采集數(shù)據(jù)量大、分辨率高，在工程地質(zhì)勘察中有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)工作中，需先進(jìn)行試驗(yàn)，選擇合適的工作頻率。在資料解釋過(guò)程中，因電磁波吸收系數(shù)為相對(duì)值，異常判別時(shí)應(yīng)結(jié)合鉆孔資料和相關(guān)地質(zhì)情況，對(duì)目標(biāo)異常體表現(xiàn)出來(lái)的特征進(jìn)行綜合分析，降低物探成果的多解性。

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