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

岩溶是早期可溶岩（常见为灰岩石，白云岩，石膏等）在水力侵蚀搬运作用下，逐渐溶解水流周围岩石致使岩石溶解崩塌形成空腔的一种地质现象，岩溶在我国广泛存在。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，又可以針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位置的一种物理理论方法。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衰减特性进行探测的方法。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、断层、夹层等）的地层介质中的传播速度慢而场能衰减快。

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试验，以选择合理参数及采集观测系统。常见采集方式有同步，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，多为岩溶普查，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，用于详查

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 岸防渗帷幕K上右0+388.5m～K上右0+403m段物探孔ZK1～ ZK2剖面的二维电磁波层析成像探测成果图，由成果图可知本剖面岩溶区发育桩号为K上右0+388.5m～K上右0+403m，发育高程为530m～539m，且岩溶区为上大下小两层结构、断面面积约71m2。除此外在帷幕桩号K上右0+391m～K上右0+401m之间，高程516m～521m之间也存在两个小岩溶异常，推测可能为上层溶洞在侧向向下发育再次穿过CT平面所致，施工方在帷幕桩号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层析成像成果图，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帷幕桩号W1+104m～W1+152m，高程-23m～5m之间有多处电磁波高吸收异常区，异常区高程由桩号W1+152m向W1+104m逐渐降低。结合测区岩层产状特征，推断岩溶为顺层发育，且此区域推断为灌浆重点区域。

由于岩溶影响区范围较大，现场灌浆施工灌浆效果不明显。帷幕设计部门为详细探查岩溶发育特征，以有针对性的调整灌浆施工，分别增加勘探钻孔XDK048乙、XDK048甲，电磁波层析成像

结合前期钻孔分别对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个剖面进行电磁波层析成像探测，探测二维成果图如图3.2-2所示。根据探测成果分析XDK048钻孔周围的岩体岩溶破碎异常发育，岩溶发育的在高程4m～-23m之间，其中XDK048乙～XDK048下、XDK048乙～XDK047两个剖面岩溶分布较广泛；其余七个剖面岩溶零星分布，高程-23m以下岩溶弱发育。

为推断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XDK049向XDK047降低，岩溶管道较多穿过XDK047甲～XDK048、XDK048下～XDK048甲、XDK048乙～XDK047、XDK048下～XDK048乙四个电磁波探测剖面、而XDK048甲～XDK049、XDK048甲～XDK048上、XDK048乙～XDK049、XDK048乙～XDK048上四个电磁波探测剖面岩溶分布较少，且高程较高，由此推断ZK048钻孔附近区域岩溶通道的发育方向为东西向，如图3.2-4所示。依据探测成果，设计部门调整灌浆孔排数由单排增加为三排（增加两排加强帷幕），两个月就处理完成遗留半年的工程岩溶问题，给帷幕灌浆施工按期完成提供了时间保证。

图3.2-5～图3.2-7为测区经过设计调整后三排灌浆孔灌浆量成果图，图中红色阴影区域为电磁波探测推断的岩溶区的灌浆量特征图，通过分析可知，探测到的岩溶异常区域灌浆量明显大于其他区域灌浆量，岩溶区域灌浆量多数在2000—6000L/段，最多达到14443L/段。灌浆量较大位置与电磁波层析成像探测岩溶位置基本一致。

4、结语

1 电磁波层析成像技术（CT）在以上两个岩溶地区防渗帷幕上的应用取得了较好成果。

2 二维剖面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 适宜的地质条件及地球物理条件是取得本文成果的重要前提，不同客观条件对探测成果有一定影响。

参考文献：

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[4] 杨新明等.电磁波层析成像技术在水库防渗帷幕施工中的应用[C]. 中国水力发电工程学会地质及勘探专业委员会中国水利电力物探科技信息网2012年学术年会论文集. 2012-09-01

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。