江聲波

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng)550001)

1 工程概況

仁懷市梭羅坪水庫(kù)位于仁懷縣五馬鎮(zhèn)五馬河一級(jí)支流魚(yú)孔河上。初步選定兩個(gè)壩址作勘測(cè)設(shè)計(jì)方案比選，做同等精度勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。壩址位于魚(yú)孔河與五馬河匯口上游約600 m處，擬建壩高約60 m，總庫(kù)容1 300 萬(wàn)m3左右。梭羅坪水庫(kù)的主要功能為城鎮(zhèn)供水與農(nóng)業(yè)灌溉。受仁懷市水利局委托，我院承接梭羅坪水利工程初步設(shè)計(jì)階段的勘察設(shè)計(jì)工作，本報(bào)告為物探部分，主要任務(wù)是:①基本查明壩址區(qū)及黃石窩渡槽覆蓋層及基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度;②基本查明壩址區(qū)巖溶發(fā)育情況;③壩址鉆孔聲波測(cè)試并評(píng)價(jià)巖體完整性;④壩址鉆孔攝影［1］。

根據(jù)需解決的地質(zhì)問(wèn)題，本次物探方法選擇地震面波法、電磁波CT 法、單孔聲波測(cè)試法及鉆孔攝影法進(jìn)行本次勘察。共完成4 條地震面波剖面，4個(gè)鉆孔聲波測(cè)試，4個(gè)鉆孔攝影。地震完成3080個(gè)標(biāo)點(diǎn)，699個(gè)聲波點(diǎn)，1 912個(gè)鉆孔攝影點(diǎn)，電磁波CT完成814個(gè)標(biāo)點(diǎn)。

2 工程地質(zhì)物探技術(shù)的運(yùn)用

2.1 地震面波法

2.1.1 地震面波法基本原理

面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波(P 波)和橫波(S 波)不同，它是一種地滾波。面波勘察成果具有地層高分辨的特點(diǎn)，同時(shí)獲得地層物性的參數(shù)。瑞利面波方法用于巖土勘察，與以往的彈性波勘察方法差別在于應(yīng)用的不是縱波和橫波，而是以前視為干擾的面波。其原理是，面波具有頻散的特性，其傳播的相速度隨頻率的改變而改變。這種頻散特性可以反映地下巖土介質(zhì)的特性。

2.1.2 測(cè)線布置及現(xiàn)場(chǎng)工作技術(shù)

為查明壩址區(qū)、黃石窩渡槽區(qū)覆蓋層及基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度，在壩址區(qū)沿河床布置3 條測(cè)線，黃石窩渡槽布置1 條測(cè)線，基本控制各個(gè)測(cè)區(qū)，滿足本階段勘察要求。實(shí)際工作中，按5 m點(diǎn)距安放檢波器，拔除檢波器周圍雜草，保證檢波器與大地藕合良好。數(shù)據(jù)采集時(shí)嚴(yán)禁人員走動(dòng)，盡量在無(wú)外界噪音干擾時(shí)采集數(shù)據(jù)，最大限度提高信噪比。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理方法與技術(shù)

整個(gè)面波數(shù)據(jù)處理在4個(gè)區(qū)別不同數(shù)據(jù)域的處理頁(yè)面上逐步進(jìn)行，每個(gè)處理頁(yè)面都具備窗口顯示和多頁(yè)的操作控制。

X－T 時(shí)距域:處理功能由載入原始數(shù)據(jù)開(kāi)始，包括核定采集距離參數(shù)、識(shí)別和清理干擾波型、觀察頻譜特征、設(shè)定頻率波數(shù)轉(zhuǎn)換的頻段上限，然后轉(zhuǎn)入頻率波數(shù)域頁(yè)面，進(jìn)行面波波型提取。在頻率波數(shù)域提取的面波波型后，又同時(shí)在時(shí)距域顯示提取結(jié)果，可以和原本數(shù)據(jù)對(duì)比。

F－K 頻率波數(shù)域:處理過(guò)程是在顯出的頻率波數(shù)譜圖形上，人工選擇、追蹤相應(yīng)于提取波型的幅度峰，自動(dòng)找出該頻率的幅度峰脊，讀取相速度，圈出幅度峰的范圍，將此頻率波數(shù)范圍提供給下步X－F Stack 距離頻率域疊加頁(yè)面，求取該波型的頻散數(shù)據(jù)，并將范圍內(nèi)的譜數(shù)據(jù)，反變換回時(shí)距域。

X－F 距離頻率域:提供的處理功能容許全面觀察排列道全部疊加的頻散數(shù)據(jù)或偏移距由近到遠(yuǎn)的每?jī)傻篱g的頻散數(shù)據(jù)。提供選擇Fix X 恒定偏移距或Var X 變偏移距兩種疊加方式，以及疊加的道數(shù)。選定的疊加結(jié)果組成頻散數(shù)據(jù)文件，可以以ZVF 格式或文本格式存盤，也可以直接轉(zhuǎn)入Z－V Inversion深度速度域反演頁(yè)面作數(shù)值反演。

Z－V 深度速度域:模型參數(shù)包括層數(shù)、該層厚度(H)及剪切波速(Vs)。初始模型的設(shè)定由人工在頻散數(shù)據(jù)的顯示圖形上用光標(biāo)自上而下逐層選擇確定。初始模型設(shè)定后當(dāng)即顯出初始的擬合度(Fitness)。擬合滿意后將反演模型參數(shù)置入頻散數(shù)據(jù)文件，可以ZVF 格式或文本格式存盤，同時(shí)構(gòu)成綜合成果圖像，包含:頻散數(shù)據(jù)點(diǎn)、反演地層模型參數(shù)、地層波速斷面、模型正演頻散數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型擬合度。

2.2 鉆孔電磁波CT

2.2.1 電磁波CT 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)。依據(jù)這一理論，當(dāng)要研究?jī)摄@孔間巖體內(nèi)構(gòu)造時(shí)，在一鉆孔內(nèi)發(fā)射電磁波，而在另一鉆孔內(nèi)接收電磁波進(jìn)行斷面掃描，見(jiàn)圖1，經(jīng)地球物理反演計(jì)算，就可重建目標(biāo)體的二維圖像。

圖1 電磁波CT 觀測(cè)系統(tǒng)

井中電磁波CT 層析資料的解釋基礎(chǔ)是基于不良地質(zhì)體與其完整圍巖吸收系數(shù)的差異，而破碎帶、溶洞或溶蝕裂隙等都可以形成吸收系數(shù)差異較大的非均勻體，產(chǎn)生出局部高吸收系數(shù)異常，從形態(tài)和大小上易于識(shí)別，因此，跨孔電磁波透視在孔間可以較好地探測(cè)不良地質(zhì)體，確定空間位置和形態(tài)。

2.2.2 剖面布置及現(xiàn)場(chǎng)工作技術(shù)

本次CT 測(cè)試共布置2 對(duì)剖面，鉆孔均位于壩址區(qū)河床兩岸，孔口高程基本一致。各鉆孔互為接收及發(fā)射孔，孔間距35.0 ～70.0 m，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，為提高巖溶破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶的分辯率，采用各頻段頻率測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選用4 MHz、12 MHz、20 MHz作為本次CT 勘察的發(fā)射頻率，根據(jù)孔間距不同，盡量采用高頻段作業(yè)。

本次測(cè)量工作中，采用定點(diǎn)扇形測(cè)量，取得了較高密度覆蓋的射線數(shù)據(jù)。發(fā)射點(diǎn)距2 m，接收點(diǎn)距1 m，局部發(fā)射點(diǎn)距加密至1 m。在測(cè)量中，因接收到的信號(hào)的信噪比較高，因此未采用多次重復(fù)觀測(cè)。施工過(guò)程中所有的采集參數(shù)和儀器工作狀態(tài)正常，野外采集的原始資料良好。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理方法與技術(shù)

資料處理是在微機(jī)上完成的，處理流程為:數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)?建立成像區(qū)域坐標(biāo)系?形成CT 輸入數(shù)據(jù)?層析反演?成像成圖。

2.2.3.1 CT 輸入數(shù)據(jù)的形成

對(duì)每對(duì)跨孔剖面的原始數(shù)據(jù)輸入到微機(jī)，按建立的坐標(biāo)系形成CT 輸入數(shù)據(jù)文件。這次野外采集工作中，以孔口高程最高的孔為坐標(biāo)原點(diǎn)，X 軸沿水平方向?yàn)榭组g水平距離，建立坐標(biāo)系形成CT 輸入數(shù)據(jù)。

2.2.3.2 層析反演

CT 輸入數(shù)據(jù)直接送至EM—SYS 層析成像軟件處理流程中，進(jìn)行電磁波層析反演，其計(jì)算過(guò)程如下:由電磁波理論知道，在各向同性均勻巖體中，當(dāng)在一鉆孔中發(fā)射電磁波，另一鉆孔中接收電磁波時(shí)，若發(fā)射天線長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于兩鉆孔間距離，則接收到的電磁波場(chǎng)強(qiáng)為:

式中:E0是發(fā)射擊天線初始輻射常數(shù);E 為相距R 處接收到的電場(chǎng)強(qiáng)度;fS(θS)和fr(θS)分別是發(fā)射和接收天線的方向發(fā)布函數(shù);θ 為天線的輻射角度;I 為射線路徑;dl 為積分元;β 為介質(zhì)的吸收系數(shù)，經(jīng)變換。

對(duì)于(2)式中的投影函數(shù)A 進(jìn)行圖像重建可求出目標(biāo)函數(shù)β。具體算法即把圖像劃分成M個(gè)互不重疊的像元，以各像元內(nèi)的重建結(jié)果組成數(shù)字圖像:

式中:Dij 為第i 條射線在第j個(gè)像元中的長(zhǎng)度，Yi 是第i 條射線迭代計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差，Xj即要求的第j個(gè)像元中的衰減系數(shù)β，上述方程實(shí)際上是求解一個(gè)大型稀疏矩陣議程組。具體算法有:反投影法(BPT)、代數(shù)重建法(ART)、聯(lián)立迭代重建法(SIRT)和正交變換投影法(LSQR)等等。本次反演方法為聯(lián)立迭代重建法。

2.2.3.3 層析成像成圖

最終層析成果采用Golden Surfer 繪圖軟件，顯示每對(duì)跨孔聲波層析成像圖。層析結(jié)果采用統(tǒng)一格式成圖，在二維斷面上，發(fā)射孔孔口位于區(qū)域左側(cè)坐標(biāo)原點(diǎn)，以孔口高程取代Z 軸0 點(diǎn)。水平方向X 軸向右表示為跨孔水平距離。將層析反演輸出數(shù)據(jù)輸入至成圖軟件，形成二維區(qū)域網(wǎng)格化文件。然后再將網(wǎng)格文件送入成圖程序，獲得層析成像圖。

2.3 超聲波測(cè)試法

以水為聲耦合劑，將換能器放至井中。發(fā)射機(jī)通過(guò)換能器的發(fā)射器發(fā)射高頻脈沖，沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑ブ翐Q能器的兩個(gè)接收器接收(圖2)。因此，可在接收機(jī)的顯示系統(tǒng)得到傳播時(shí)間t1、t2，由以下公式可獲得此段巖體的聲波波速Vp。

式中:Vp 為聲波縱波波速，m/s;L 為換能器兩個(gè)接收器的距離，m;ΔT 為傳播時(shí)間差，s。

本次聲波測(cè)試巖體完整性系數(shù)計(jì)算如下:

式中:Vp 實(shí)測(cè)為實(shí)測(cè)巖體波速;Vp 巖塊為新鮮巖塊波速。

圖2 單孔超聲波測(cè)試示意圖

2.4 鉆孔攝影法

將攝像頭緩慢放入鉆孔，攝取鉆孔全孔影像，并將影像資料傳入計(jì)算機(jī)，經(jīng)軟件處理，360°展開(kāi)成圖片，進(jìn)行分析解釋。

3 結(jié) 語(yǔ)

在仁懷市梭羅坪水庫(kù)地質(zhì)勘探作業(yè)中，通過(guò)運(yùn)用地震面波法、電磁波CT 法、單孔聲波測(cè)試法及鉆孔攝影法等物探技術(shù)勘查，得知壩址區(qū)覆蓋層一般厚1 ～7 m，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚約2 ～4 m;黃石窩渡槽覆蓋層厚3 ～6 m，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚約4 ～6 m;結(jié)合鉆探及電磁波CT 成果，壩址區(qū)巖溶、溶蝕裂隙發(fā)育，CT 成果未見(jiàn)大規(guī)模巖溶發(fā)育。

ZKC3 號(hào)鉆孔波速在2 700 ～5 500 m/s，ZKC4 號(hào)鉆孔波速在2 700 ～5 500 m/s，ZKC5 號(hào)鉆孔波速在2 700 ～5 500 m/s，ZKC7 號(hào) 鉆 孔 波 速 在2 700～5 500 m/s。

本次攝影圖像清淅，整孔未見(jiàn)溶洞、斷層及軟弱夾層等，全孔溶蝕裂隙發(fā)育，多泥質(zhì)、鐵質(zhì)充填，未見(jiàn)大規(guī)模巖溶發(fā)育圖像;測(cè)區(qū)地形起伏較小，有利于物探工作開(kāi)展，但由于物探多解性，成果有一定誤差;建議施工圖階段可增加雷達(dá)、CT、高密度電法等物探手段，解決施工期碰到的工程地質(zhì)問(wèn)題。

［1］趙德亨，田鋼，王幫兵. 淺層地震折射波法綜述［J］. 世界地質(zhì)，2005(02):55－56.