地下声波法CT探测技术在工程地质勘查中的应用

赵永超，林大江

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

地下声波法CT探测技术是近年来所发展的地球物理探测新技术类型，在具体的探测过程中，在发出声波后，声波穿透地质体。对声波走时进行计算反演，即可创建地质结构内部波束成像图。通过对波速成像图进行分析，即可准确区分岩性分布以及岩体内的破碎带、岩溶发育带等，因此，对地下声波法CT探测技术在工程地质勘查中的应用进行深入研究意义重大。

1 地下声波法CT探测技术的基本原理

地下声波法CT探测技术充分应用声波的射线几何动力学原理，在声波传递过程中，对声波走时、射线路径、波形、频率、相位等进行全面细致的分析，即可反演出地下介质结构形式、速度分布情况等各类重要参数，是一种新型地球物理探测技术。现如今，在地下声波法CT探测技术的实际应用中，主要采用速度层析成像方式，通过利用声波CT技术反演拟合计算结果，即可确定不同地层中的波速值、断面地层波速等值线图等。根据勘查结果圈定岩体破碎范围，即可判断工程项目地质条件实际情况。

图1 网格划分

通过对图1进行分析，假定，在测区中共有n条射线穿过，可将整个测区划分为p×q=m个网格，Randon公式如下所示：

其中，Ti指的是第i条射线的旅行时，Li指的是第i条射线。通过根据上述公式，能够对第i条射线的旅行时进行计算。另外，假设成像单元小，对于每个单元sj（x，y），可作为常数，对于上述公式，可写成的级数形式，计算公式如下：

在上述公式中，aij指的是第i条射线在第j个单元内的线段长度，对于公式（2），还可写成公式（3）的形式：

2 地下声波法的应用优势

在工程地质勘查中，地下声波法CT探测技术具有独特的应用优势，具体包括以下几点：第一，工作频率较高，并且分辨率比较高。第二，抗低频干扰能力强，可被应用于干扰因素较多的工程地质勘查中。第三，其具有观测系统，能够对直达波进行详细记录，可对波动力学特征进行全面细致的解释分析，进而准确的反映出非均匀地质体。第四，通过利用透射波传播特性，能够对各类波形进行准确识别。在声波法的实际应用中，通过利用弹性波波场特性，可获得完善的弹性波速度参数，可将其作为工程项目规划设计的重要依据。现如今，地下声波法CT探测技术主要被推广应用于以下领域：地下岩溶勘查、矿产勘查、地下水分布勘查、工程项目勘查等。

3 地下声波法CT探测技术在工程地质勘查中的应用实例

3.1 工程概况

本文以某水电站作为研究对象，对地下声波法CT探测技术的应用要点进行分析，该水电站为重要梯级电站，通过对以往的勘查资料进行分析，该施工区域地下岩溶形态主要包括溶洞、落水洞溶孔、落水洞等，地下涌水量较大。

在对该工程地质条件进行勘查时，需要注意被探测目标周边介质的波速差异比较大，因此，在对集中涌水点检测时，需联合应用单孔声波检测技术以及声波CT探测技术，准确查明引水隧洞施工区域岩溶发育情况以及富水构造，为后续灌浆封堵施工提供可靠依据。在本次勘查中，单孔声波测试属于基础性工作，在获得完善的单孔声波测试成果后，即可结合现场实际情况布置声波CT测试工作，综合考虑该工程项目固结灌浆施工技术要求，在声波探测法的实际应用中，如果波速低于5000m/s，则可认定为低波速区域。

3.2 测区地质概况

测区地质结构为Ⅳ类围岩，测区底板涌水，在涌水时水质浑浊，并且夹有泥沙，随着用水量的不断增加，涌水越来越清澈。通过水文地质勘查，在降雨季节，最大流量达3.10m2/s，为特大涌水部位。

3.3 单孔声波检测工作

在对集中涌水点进行勘查时，首先需设置18个单孔声波检测位置，钻孔布置形式如图2所示。

图2 涌水通道范围钻孔布置及声波CT探测成果

通过对单孔声波检测资料进行分析，分析结果如下：①单孔测试声波的波速在1510m/s～6940m/s之间。②在勘查区域中，ZK-1～ZK-4以及ZK-13～ZK-18岩体的结构完整度比较高，而且其他各个孔的单孔测试曲线为锯齿型，由此可见，岩体破碎，由于结构面发育，因此出现低声速段，另外，局部可作为地下水流通的通道。③当孔深在18m以下时，ZK-7、ZK-9以及ZK-11的波速比较低，并且变化形式比较大，说明该段为地下涌水通道。④当ZK-10孔深达11m～19m时，岩体波速变化情况比较大，并且当孔深在19m以下时，主要为塌孔。因此，当孔深在11m以下时，岩体破碎，并且局部与溶蚀发育。

3.4 工作布置

在声波法CT探测技术的应用中，其能够详细反映出孔深方向孔壁附近岩体的波速变动情况，但是，在孔间涌水通道定位方面有一些不足。为了有效满足勘查要求，详细了解地下水涌水通道的规模以及位置，并对溶腔发育情况进行检测，应结合实际需要适当扩大检测范围。

3.5 资料解释

在本次地质勘查中利用声波法CT探测技术，所得声波CT测试成果如图3和图4所示。

图3 ZK-9与ZK-7声波CT测试成果

在探测过程中，需采用两孔测试方式，对于ZK-7以及ZK-11，均可作为声波激发孔，另外，对于ZK-9，可将其作为声波接收孔。通过对图1和图2进行分析可见，当ZK-9孔深在19m以下时，单孔声波检测所得结果为波速在1500m/s以上，该声波与水的传播速度类似，因此，根据勘查结果分析，确定为溶蚀空腔。当深度达到19m以下时，在ZK-9侧具有低波速块，在波速均一化因素的影响下，波速一般可控制在2000m/s～3000m/s之间。

图4 ZK-9与ZK-11声波CT测试成果

在获得单孔测试的低波速带、CT测试所得低波速块后，即可对勘查区域地下环境中的岩溶发育情况、富水构造进行进行详细采集。通过对CT测试结果进行分析，存在地波速区，并且连通性好，说明涌水通道中含有大量地下水。另外，在对垂直向涌水通道范围进行推测时，要求采用声波法CT探测技术。对于涌水通道，可将其分为三个层次类型，包括分线、中线以及深线。涌水通道范围声波CT探测成果如图5所示。

图5 涌水通道范围声波CT探测成果剖面

涌水通道范围声波CT探测结果如图3所示，通过对图3进行分析，声波法CT探测技术所得成果准确度比较高，能够为涌水通道灌浆封堵提供可靠参数。

4 结语

综上所述，本文主要结合实例，对地下声波法CT探测技术在工程地质勘查中的应用优势以及应用要点进行了详细探究。地下声波法CT技术为新型探测技术类型，在工程地质勘查中，可采用地下声波法CT探测技术，确定孔间、孔周岩溶以及溶蚀裂隙带，详细查明地下构造情况、岩石风化程度，进而对地下环境地质条件进行评价分析。根据本工程分析课件，通过将声波法CT探测技术应用于工程项目涌水点勘查中，能够有效弥补传统钻探技术的弊端，可有效解决各类复杂地质结构勘查难得问题。随着科学技术的快速发展，声波法CT探测技术也将逐渐朝向高速、稳定的方向发展，提升成图分辨率，保证成图质量。