基于三維可視化的跨孔電磁波CT在巖溶勘察方面的應(yīng)用

胡俊杰，徐洪苗，王 鵬，段春龍

(安徽工程勘察院有限公司，安徽 合肥 230011)

1 引 言

巖溶發(fā)育地區(qū)，溶蝕溶洞是巖溶發(fā)育的最主要特征，巖溶對工程建設(shè)中地基的穩(wěn)定性影響巨大[1]。巖溶發(fā)育區(qū)進行大橋選址時，特別是特大橋橋墩基礎(chǔ)的設(shè)計與施工，將會面臨更多難題[2]。特大橋由于跨度大、重心高、載荷大，其下構(gòu)及地基除承受較大的垂直荷載外，還須承受較大的水平推力[3]，因此在進行特大橋橋基礎(chǔ)設(shè)計與施工時，必須要準確查明設(shè)計橋基礎(chǔ)位置的工程地質(zhì)條件。

長期以來巖溶發(fā)育區(qū)橋梁基礎(chǔ)勘察最常用的手段是地質(zhì)鉆探，但是地質(zhì)鉆探受制于孔位有限，無法實現(xiàn)鉆孔密集覆蓋整個場區(qū)[4-8]。同時在微觀上，巖溶的形態(tài)、延伸及分布缺乏規(guī)律，巖溶的溶洞和溶隙，分布無序，形態(tài)極為復(fù)雜多變，即使兩個鉆孔不到1 m，揭露到巖溶的發(fā)育情況可能完全不同，因此僅靠鉆探工作，難以準確地呈現(xiàn)巖溶在地下空間的三維形態(tài)特征，給后期工程設(shè)計、施工帶來諸多難題[9-13]。因此在橋梁基礎(chǔ)巖溶勘察時，運用高精度物探手段，同時輔以三維規(guī)則網(wǎng)剖面布置，以地球物理探測成果為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過三維可視化技術(shù)構(gòu)建巖溶的三維空間模型[4]，從而準確、直觀地呈現(xiàn)巖溶異常體在地下空間的三維展布情況，實現(xiàn)多方位、多角度的異常分析與解譯[14,15]。在眾多三維建模軟件中，Golden Voxler具有界面直觀、多源數(shù)據(jù)格式兼容性好、易于操作、構(gòu)建三維模型準確率高等特點，非常適合于地球物理成果展示以及三維地學(xué)模型構(gòu)建。

基于此，本文以安徽某特大橋橋基礎(chǔ)巖溶精細勘察為例，通過跨孔電磁波CT的物探成果為依托，基于Voxler三維可視化技術(shù)構(gòu)建地下巖溶的三維空間分布情況，精確、直觀地展示出巖溶與擬建橋基礎(chǔ)的空間關(guān)系，為后期工程優(yōu)化設(shè)計、施工提供了可靠、詳實的地質(zhì)依據(jù)。

2 井中電磁波CT方法原理

井中電磁波CT法是電(磁)法勘探的一種分支方法，它是利用高頻電磁場(頻率1～30 MHz)在不同地層巖性的傳播過程中衰減吸收量的差異為基礎(chǔ)，通過孔內(nèi)發(fā)射、接收天線，獲取不同位置電磁輻射場強的變化，并利用電磁波CT軟件進行反演計算，從而探測地下目標異常地質(zhì)體(礦體、巖溶、構(gòu)造)。

根據(jù)電磁波原理，在射線光學(xué)理論下，耗散介質(zhì)中發(fā)射場強E0與接收的場強E存在以下關(guān)系[16-19]：

式中：E為接收點場強值(dB)；E0為發(fā)射點場強值(dB)；β為吸收系數(shù)，即介質(zhì)中單位距離對電磁波的吸收值(dB/m)；r為發(fā)射與接收點之間的距離(m)；E1*為r1點場強值(dB)；E2*為r2點場強值(dB)。

根據(jù)式(1)和式(2)可以看出，當電磁波在地下介質(zhì)中傳播時，不同的地層巖性對電磁波具有不同的吸收特性，接收的場強值越小，表明地質(zhì)體的吸收系數(shù)越大，反之亦然。通過這一方法可探測地下地質(zhì)體的分布和產(chǎn)狀[20,21]。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

安徽銅陵擬建特大橋，在前期的勘察過程中，發(fā)現(xiàn)擬建場區(qū)內(nèi)巖溶非常發(fā)育，為論證巖溶對擬建橋基礎(chǔ)的影響，需精細查明擬建橋址區(qū)巖溶的空間分布情況。

勘查區(qū)內(nèi)下伏基巖主要為三疊系下統(tǒng)南陵湖組(T1n)的中厚層灰?guī)r及燕山晚期的閃長巖構(gòu)成，前第四系地層隱伏于第四系地層之下，具體描述為：

1)第四系中更新統(tǒng)(Q2al+pl)：勘查區(qū)廣泛分布，為沖洪積成因，巖性為灰黃、灰褐色粉質(zhì)黏土，灰褐色，硬塑狀，稍濕，見少量鐵錳結(jié)核及高嶺土團塊，無搖振反應(yīng)，干強度中等，韌性中等。

2)三疊系下統(tǒng)南陵湖組(T1n)：查區(qū)廣泛分布，巖性下部淡灰-深灰色薄層、中厚層石灰?guī)r；上部灰—黑灰色薄—中厚層石灰?guī)r。與下伏地層為整合接觸。

3)閃長巖(δ)：巖漿巖主要為燕山晚期中—中偏酸性侵入巖，巖性主要為閃長巖，分布于查區(qū)東、南部，呈巖墻狀產(chǎn)出，亦有巖枝、巖脈貫入圍巖，走向北北東向，巖性特征：淺灰—灰綠色，斑狀、粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

3.2 查區(qū)物性特征

表1為查區(qū)主要介質(zhì)的電磁波參數(shù)。由表1可知，第四系地層相對于三疊系下統(tǒng)南陵湖組的灰?guī)r及燕山晚期的閃長巖表現(xiàn)為低電阻率—高吸收系數(shù)特征。結(jié)合鉆探資料，巖溶發(fā)育區(qū)多被水及軟、流塑狀物質(zhì)充填，同樣表現(xiàn)為低電阻率—高吸收系數(shù)特征；基巖破碎區(qū)、小規(guī)模巖溶裂隙的電磁波吸收系數(shù)次之；較完整的基巖吸收系數(shù)最小。綜上所述，本區(qū)具備開展跨孔電磁波CT的地球物理條件，為本次利用工程物探手段進行巖溶精細勘查提供了地球物理前提。

表1 主要介質(zhì)電磁波參數(shù)

3.3 探測方案布置

結(jié)合前期勘察鉆孔，進行跨孔電磁波CT剖面布置，為滿足物探成果的三維可視化，進行擬三維“田”字型網(wǎng)格布置剖面，按照這種布線原則，通過插值，在進行數(shù)據(jù)網(wǎng)格時，可最大程度降低空白數(shù)據(jù)區(qū)范圍。本次實施跨孔聯(lián)測方式進行，共完成27對跨孔剖面測量，見圖1。

圖1 物探工作布置示意圖

3.4 跨孔電磁波CT剖面異常特征及分析

如圖2所示，C6線剖面由N015A～N009A及N009A～N003共計2對電磁波CT剖面組成。根據(jù)C6線跨孔電磁波CT成像，在高程-7～-12 m以上，存在高吸收系數(shù)反映，結(jié)合鉆孔資料，推斷解釋為第四系覆蓋層反映，且該地層厚度不均。在水平距離14～44 m、高程-12～-28 m和水平距離4～27 m、高程-25～-41 m處存在高吸收系數(shù)異常，且吸收系數(shù)均大于4.5 dB/m，結(jié)合鉆孔資料推斷為巖溶發(fā)育，且被流、塑性等高吸收物質(zhì)充填引起的異常，局部高吸收異常具有明顯的連通性，推斷該剖面巖溶發(fā)育，成帶狀發(fā)育。

圖2 C6線電磁波CT綜合剖面

3.5 基于三維可視化的物探成果

根據(jù)測區(qū)內(nèi)27條跨孔電磁波剖面測量成果，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、拼接，構(gòu)建圍巖吸收系數(shù)(βs)的三維可視化模型，如圖3所示。通過圍巖吸收系數(shù)βs的三維模型可以看出，淺部第四系土層結(jié)構(gòu)均勻、松散、含水率高，呈高吸收系數(shù)反映；中深部完整基巖呈低吸收系數(shù)反映，巖、土體界面反映清晰。在查區(qū)中、北部，出現(xiàn)多個高吸收系數(shù)團狀異常，結(jié)合鉆孔資料，解譯巖溶發(fā)育影響區(qū)的反映。巖溶異常區(qū)整體水平方向呈帶狀，垂向呈串珠狀，形態(tài)呈不規(guī)則狀，具有一定的水平連通性，垂向上隨深度增加，巖溶規(guī)模逐漸減小。根據(jù)本次探測成果，溶洞呈高吸收異常反映，解釋溶洞內(nèi)有流塑、軟塑性物質(zhì)充填。

圖3 基于三維可視化的鉆探及跨孔電磁波反演成果

為了更加直觀地了解整個測區(qū)內(nèi)局部巖溶的展布情況，在三維可視化的基礎(chǔ)上，沿不同方向進行切片(圖4)，可以更為清晰地展示出巖溶在平面的分布以及不同深度的延展情況。由圖4可知，沿X向切片，垂向分辨率較高，可以看出地層垂向分層的特征；沿Z向切片，橫向分辨率較高，可以更清晰地展示出巖溶水平連通情況及向下發(fā)育、延伸情況。

圖4 沿X向、Z向等距切片

3.6 物探綜合異常三維建模

根據(jù)本次跨孔電磁波探測成果，結(jié)合少量鉆孔先驗約束，在三維可視化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出查區(qū)內(nèi)巖溶的空間三維情況，準確、直觀地展示出巖溶與擬建橋基礎(chǔ)的空間關(guān)系。圖5展示了不同方位視角下巖溶等值面三維圖，根據(jù)巖溶三維空間展布情況，場地范圍內(nèi)巖溶主要分布在第四系覆蓋層與灰?guī)r接觸面附近，水平方向呈帶狀，垂向呈串珠狀分布，形態(tài)呈不規(guī)則狀，具有一定的水平連通性，垂向上隨深度增加，巖溶規(guī)模逐漸減?。粠r溶發(fā)育區(qū)主要影響高程在-10～-60 m以內(nèi)，深部基巖中，巖溶局部發(fā)育。

圖5 綜合物探、鉆探成果圈定的巖溶等值面三維圖

4 結(jié) 論

1)根據(jù)跨孔電磁波CT測量成果，巖溶發(fā)育區(qū)呈低阻(ρs)—高吸收系數(shù)(β)綜合異常模式反映，根據(jù)吸收系數(shù)的異常形態(tài)，準確、精細地刻畫出測區(qū)內(nèi)巖溶的分布特征及形態(tài)大小，測區(qū)內(nèi)巖溶主要集中在中部、北部區(qū)域，巖溶整體異常形態(tài)呈不規(guī)則狀，水平方向成帶狀分布且連通性較好；垂向成串珠狀分布，隨深度增加，巖溶規(guī)模逐漸減小。

2)地球物理探測成果基于三維可視化技術(shù)，能夠快速實現(xiàn)地質(zhì)模型的三維建模，具有直觀呈現(xiàn)異常體在地下空間的三維展布情況，能夠?qū)崿F(xiàn)多方位、多角度的異常分析與解譯，彌補了二維剖面或者點狀鉆孔展示成果信息的局限性和不足，為滿足精細化勘探提供了一種手段。