地震映像技术在塔基空洞检测中的应用

李 明，杨全红，杨 润，曾贤德，孙松柏

( 中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

随着我国电力建设的快速发展，输电线路网络越来越庞大，线路路径穿越的地形也越来越复杂，尤其是特高压线路，不可避免地将输电线路布置在山顶或半山腰等陡峭地势上。当山坡经过冲刷、侵蚀等一系列构造作用形成未知空洞，该空洞的存在会使基岩失去原有的承载能力，从而导致杆塔倾斜和倒塌，其后果轻则失去挂线能力，重则全面断电造成重大经济损失。因此，该空洞的存在直接影响到输电杆塔的稳定性和输电线路的正常运行，检测该空洞的位置及规模有着重要的工程价值。

1 技术原理及特点

地震映像技术以相同的点距同时移动激发点和接收点，对地下异常体进行连续扫描，其工作原理如图1 所示。地震波由激发点在地下介质传播过程中遇到具有弹性差异的地质异常体时，就会产生各类转换波返回至地面，通过设置在接收点的检波器接收，对接收到的地震波数据进行简单处理，以二维时间剖面图的形式显现，该图可以直观地反映地质异常的规模和形态[1-2]。

图1 工作原理示意图

地震映像技术是一种定性、快速的普查探测方法；利用多种波进行资料解释，当检测目的明确，在检测空洞等横向变化的情况下效果比较理想；因为使用同一偏移距，所以时间剖面上时间的变化就表现出地质异常体，这使得资料解释更加方便[3]。

2 工程应用

2.1 工程概况

陕北—湖北±800 kV 特高压直流输电线路工程为新建工程，根据沿线踏勘、调查了解及参考附近已有工程资料，该线路途经地段的地貌单元主要为丘陵、冲洪积扇、低山及冲洪积平原地貌，局部分布有冲洪积形成的河流阶地、河漫滩及河床等地貌单元。根据区域水文地质条件、含水层构成，对于线路西北黄土丘陵区地下水位普遍较深，山前倾斜平原，由于地势相对低洼，地下水埋藏较浅，且随季节变化而出现明显变化。地下水类型主要为孔隙潜水，水量相对较大。主要接受大气降水和侧向径流补给，其排泄方式有侧向径流、蒸发、人工开采及向河流排泄。日前，接到现场施工单位反馈，在Z1819 塔位的C、D 腿基础侧壁发现有空洞，立即组织地质与物探专业沟通，赶赴现场进行勘探工作，制定相关的勘测方案，杆塔位Z1819 地势起伏较大，属丘陵地貌，呈林地景观，表层覆盖可塑状粉质黏土，下伏底层为花岗岩。塔基空洞的位置、形状，以及大小等诸因素会导致围岩失稳，对基础的承载力和沉降产生影响，从而导致杆塔倾斜和倒塌，其发生失稳的时间以及空间很难预测，所以需要准确判断出该空洞的规模，及时采取处理措施，消除安全隐患。由于时间较为紧迫，施工单位希望能现场直接给出检测结果以及治理方案，经过现场调查分析，选择地震映像技术进行检测，为查明空洞走向及延伸情况，现场布置3 条地震映像测线，如图2 所示为测线布置图。

图2 测线布置图

2.2 地球物理特征

为了确定地震映像技术对空洞检测的有效性，以及初步判定地震映像技术中各类地震波对空洞的响应特征，对空洞发育区进行正演模拟，如图3 所示。根据现场地质情况建立正演模型，表层为粉质黏土，底层为花岗岩，为更好地研究分析地震波对空洞的响应特征，将空洞置于两种不同性质地层各一半，根据现场开挖情况，孔洞内部未填充其他介质，故本次正演模型中封闭型空洞内部设置为空气。

图3 正演模型

由正演模型，最终取得如图4 所示正演时间剖面，横纵坐标分别表示水平位置以及纵向地震波双程走时。分析图中波形特征可以看出，在空洞区域有明显的绕射现象，地层分界面反射波同相轴缺失，以此推断岩石空洞在地震映像时间剖面中响应特征明显，该技术在空洞检测中具有可行性。

图4 正演时间剖面

在对现场进行的地震地质条件调查以及正演模拟表明，现场具备进行弹性波检测的地球物理条件：封闭空洞中空气以及充填物与围岩有较为明显的波速差异和波阻抗差异，可形成绕射波或反射波特征。通过对地震波场的理论研究以及试验资料表明，各类空洞可以在时间剖面上分别表现不同特征，通过分析地震波的动力学及运动学特征，可以推断出空洞的位置以及形态[4]。

表1 岩土介质纵波速度参数表

2.3 参数设置

通过现场情况，对各参数取经验值并代入计算得到最佳偏移距范围：

通过进行多次现场试验，以及最佳偏移距计算结果，来确定观测系统和采集参数并得到干扰波特征，考虑到现场采集工作的方便性，最终确定采集参数为：偏移距为2 m，采集长度为100 ms，工作点距为0.5 m，全程使用6 kg铁锤敲击钢板来激发地震波达到能量均衡的效果，在每次叠加时敲击力度一致，敲击后将铁锤与铁板迅速分开，避免产生余震[5-7]。

2.4 数据处理及剖面分析

对现场采集到的地震数据信息，在时间剖面上进行直达波、反射波、多次反射波、面波等多波联合分析，为保留反映地下介质性质的多波信息，不做过多修饰性处理，仅仅对时间剖面进行频率滤波、能量均衡等技术，使时间剖面图更利于识别异常，现场采集三条剖面结果如图5 ～图7 所示。

图7 e～f 时间剖面

在a ～b 时间剖面中，6.0 ～7.0 m 段，该段浅部20 ms 左右的反射波同相轴缺失错乱现象明显，甚至同相轴反转。根据空洞发育地区地球物理特征推断，如图5 所示，该异常段的浅层反射波同相轴缺失部位，存在一处较小空洞。

图5 a～b 时间剖面

在c ～d 时间剖面中，5.5 ～6.5 m 段，该段浅部20 ms 左右存在同样异常表现，浅层反射波同相轴缺失部位，推断存在一处较小空洞。

在e ～f 时间剖面中，通过图5、图6 中的异常段及C 腿开挖出现的空洞在图中的表现，同时结合图中波形的异常表现，即可圈定出该空洞的大致范围由7.0 m 处向大号段逐渐延伸，并且深度逐渐变深，图中7.0 m 处左侧未发现异常与D 腿现场开挖未出现空洞相吻合。

图6 c～d 时间剖面

综合对3 张剖面图的分析及塔腿开挖的实际情况，最终确定该空洞呈近水平状，无向下侵蚀的情况，沿C、D 腿方向分布一条由于构造运动形成的地下裂隙，该裂隙内的破碎岩体受降水等因素的影响被冲蚀形成空洞。该空洞起始于D 腿，并向C 腿方向沿伸，在距C 腿基础外壁左侧(面对线路方向)约0.9 m 处穿过，沿线路方向向外延伸，长度超过30.0 m。据此，建议处理措施为对C 腿小号侧(沿D 腿方向)的空洞利用混凝土根据需要进行全部回填，或对有影响区域进行局部回填；对于大号侧(沿线路方向)的孔洞建议对塔基区域外侧用毛石进行砌筑封堵，影响区域内采用混凝土回填，由此来消除空洞带来的安全隐患[8]。

3 结论

塔基空洞是较为隐蔽的地质异常，具有偶然性，电力行业尤其线路工程，在地质勘察工作中，无法对其进行针对性的勘察工作，钻探物探等地质工作均未发现异常的情况下，只有施工单位在施工过程中才能发现该类异常的存在，并且该异常严重影响施工进度以及工程质量，所以必须尽快查明确定异常的位置及规模形态。使用地震映像技术进行地质勘察已有众多成功案例，本文对塔基范围内空洞的探测取得了良好的效果，结合塔基的地质状况对勘探成果作出了解译分析，基本查明了异常区域的分布范围，为塔基的施工建设提供了较为可靠的物探资料。

地震映像技术在各类物探技术发展过程中，由于它采用单道接收，在纵向无法确定异常深度这一明显的局限性导致这项技术逐渐被淘汰，但是在电力行业中，它的局限性恰恰可以忽略，因为施工过程中无论发现何种异常，该异常的深度是确定的，只需要检测出该异常在横向的延伸及规模，使用地震映像技术可以在现场快速直观得出结果，无需后期处理，能有效解决施工单位需要现场得出结论的需求，对现场解决问题有很大的帮助。

地震映像技术依据地震勘探相关理论，结合各类异常体的特点，在电力行业应用于地下异常体的检测，完成勘察任务，取得了良好的效果。在掌握技术方法的同时，为今后解决类似工程地质问题积累了经验。