电磁波层析成像岩溶探测在防渗帷幕辅助勘察中的应用

【摘要】岩溶问题是水利水电工程建设中经常遇到的问题，由于岩溶发育规律性差，在工程施工过程中一旦遇到溶洞，有可能造成可预见性的影响，岩溶处理措施及方案的制定需要有力的勘察基础资料做支撑。本文结合工程实践，通过电磁波层析成像（CT）方法，对岩溶隐患部位进行精细探测，基本查清了岩溶发育情况，为岩溶处理提供了可靠的决策依据，为工程建设成本节约及进度控制起到了重要的作用。

【关键词】电磁波；层析成像；防渗帷幕；岩溶探测

1、引言

岩溶是水对可溶性岩石（碳酸盐岩、石膏、岩盐等）进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称。在可溶岩地区的水利工程勘察建设中，岩溶问题是重大的地质缺陷，其中岩溶管道对水库蓄水成库存在重大安全隐患。

为了保证水利工程建设的安全及岩溶封堵有效性，指导帷幕灌浆工作，通常需要引入一些岩溶探测方法进行灌浆前排查和局部岩溶治理工作。电磁波层析成像岩溶探测技术既可对帷幕线进行了灌浆前快速岩溶排查，又可以针对局部问题进行精确探测，是工程岩溶处理的有效辅助手段。

2、电磁波层析成像（CT）技术

层析成像技术源于医学CT，利用射线扫描，对所得到的信息进行反演计算，重建被测范围内物体参数分布性质规律的图像，从而达到圈定异常体的一种物理论方法。地质上根据所使用的物理场的不同，又分为弹性波层析成像和电磁波层析成像。

电磁波层析成像（CT）是一种主要利用电磁波射线能量被介质吸收后的场能进行探测的方法。原理为电磁波穿过完整地质体时传播速度快而场能衰减慢，而在破碎（如溶洞、洞穴、断层、软弱夹层和风化岩层）的地层介质中的传播速度慢，场能衰减快。

电磁波层析成像针对不同地层有不同穿透能力，使用时需要进行实地的电磁波穿透实，以选择合理参数及采集控制系统。常见采集方式有同步模式，扇形模式，及两者组合模式，数据采集方式如图2.1-1所示。测试成果的展示有二维剖面和三维组合两种形式，二维剖面是现在工程测试普遍采用的测试方式，主要是反映岩溶在二维面中的位置和影响截面大小，其对岩溶的延展方向和空间大小变化提供更多的信息较少，另一种是三维组合剖面，可以对特定区域的岩溶管道大小及走向获得更多的信息。但有一定的限制条件。

3、层析成像成果应用实例

3.1 二维剖面应用

图3.1-1，为贵州省某已经建成水电站上层右 岸帷幕K上右0+388.5m～K上右0+403m段钻孔ZK1～钻孔ZK2之间的二维剖面电磁波层析成像探测成果图及解释图，根据成果图揭示溶洞的发育在桩号K上右0+388.5m～K上右0+403m之间，高530m～539m之间，探测到岩溶异常，且洞室为上大下小两层结构、断面面积约71m2。另外在桩号K上右0+391m～K上右0+401m之间，高程516m～521m之间也存在两个岩溶异常，推测可能为上层溶洞在侧向向下发育穿过CT平面所致，为了验证探测成果，施工方在桩号K上右0+396m位置实施钻孔验证，钻具在高程536m～529m发生掉钻。掉钻发生的位置与探测成果揭示岩溶发育位置基本一致。

3.2 组合三维剖面应用

图3.2-1是江苏某水库工程帷幕桩号W1+104m～W1+152m段剖面XDK047～XDK049电磁波层析探测成果图及解释图，其中XDK048施工过程中遇到岩溶无法钻进情况。根据探测成果图揭示在桩号W1+104m～W1+152m，高程-23m～5m之间上有多处电磁波高吸收异常区，异常区分布由大桩号向小桩号倾斜。结合地质资料倾斜角度和地层倾向基本一致，推断异常为本区域为重点岩溶渗漏区。

由于岩溶影响区范围比较大，现场灌浆情况灌浆效果不明显，设计部门为了更清楚的了解岩溶发育特点，以目的的调整设计方案，增加勘探钻孔XDK048甲、XDK048乙，并结合前期钻孔对ZK048甲～XDK048乙、XDK048甲～XDK048上、XDK048甲～XDK048下，XDK048甲～XDK049、XDK048甲～XDK047、XDK048乙～XDK048上、XDK048乙～XDK048下，XDK048乙～XDK049、XDK048乙～XDK047共9对剖面进行电磁波层析成像探测，探测二维成果及解释图如图3.2-2。根据成果分析XDK048钻孔周围的岩体岩溶裂隙异常发育，岩溶发育的在高程4m～-23m之间，其中XDK048乙～XDK048下、XDK048乙～XDK047剖面岩溶分布较广泛；其余七对剖面岩溶零星分布，高程-23m以下岩溶弱发育。

为探测岩溶在帷幕线上的走向，通过将9个剖面进行三维组合，组合图如图3.2-3所示。从三维组合图上可分析出XDK048钻孔附近区域的岩溶发育情况是：由XDK047向XDK049升高，岩溶管道较多穿过XDK048甲～XDK047、XDK048甲～XDK048下、XDK048乙～XDK047、XDK048乙～XDK048下上四个CT剖面、而XDK048甲～XDK049、XDK048甲～XDK048上、XDK048乙～XDK049、XDK048乙～XDK048上四个CT剖面较少分布，且分布高程较高，依此推断ZK048钻孔附近区域岩溶通道的发育方向如图3.2-4所示。依据探测情况，设计更改灌浆施工方案进行了三排帷幕灌浆施工，仅两个月就处理完成遗留半年的工程岩溶问题。极大的节省了施工时间。为工程按期完成提供了时间保证。

图3.2-5～图3.2-7为本区域经过由一排灌浆孔改为三排灌浆孔设计变更后的灌浆量统计图，图中红线圈闭区域为电磁波CT探测推断的岩溶区的灌浆量分布图表，经过对灌浆资料的对比分析可知，本区域灌浆量明显大于其他区域灌浆量，本区域少则800—900L/M，多则14443L/M。灌浆量情况与电磁波层析成像探测结果高度吻合。

4、结语

1. 电磁波层析成像技术（CT）在可溶岩地区防渗帷幕进行岩溶探测是一种有效的手段。

2. 二维剖面可反映测试剖面段面上的岩溶发育情况；借助三维组合剖面可以探测岩溶的空间发育情况。

3. 电磁波穿透效果在不同地层有差异，测试前需进行试验，小孔间距离有助于提高测试成果精度。

4. 本文探测成果是在岩溶区有水或泥土等填充物的情况下取得的，对无充填岩溶探测需要进一步研究分析。

参考文献：

[1]《钻孔电磁波法》编写组.钻孔电磁波法[M].北京地质出版社 1982年.

[2]尹学林等.电磁波CT技术在光照水电站防渗帷幕探测中的应用[C].《贵州省岩石力学与工程学会2010年学术年会论文集》.2010.

[3]黄衍农.三围造型技术在工程质量检测中的应用[J].工程物探.2010（2）：8-12.

[4]中国水利电力物探科技信息网.工程物探手册（S）：中国水利电力出版社，2011：372

作者简介：杨新明，（1981～ ），汉族，男，河北衡水武邑县人，工程师，主要从事水利水电工程勘察及检测工作。