巖溶探測(cè)的有效性研究

孫永清，樓加丁

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

巖溶的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘察已由原來(lái)的定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向定量研究，理論研究及工作思路也在不斷經(jīng)歷從實(shí)踐到認(rèn)識(shí)、從再實(shí)踐到再認(rèn)識(shí)，直至升華到理論的發(fā)展過(guò)程，巖溶勘察的方法和手段也在不斷更新。目前，提高巖溶的探測(cè)精度已成為無(wú)法回避的巖土工程問(wèn)題。巖溶在地表水和地下水的溶蝕作用下，出現(xiàn)不同類型的巖溶地貌和形態(tài)，在很大程度上破壞了巖石的完整性，也影響了巖石的穩(wěn)定性。巖溶地區(qū)的地形條件和邊界條件比較復(fù)雜，屬于隱蔽工程，探測(cè)特別困難和復(fù)雜，但也有規(guī)律可遵循。一般來(lái)說(shuō)，巖溶多沿地質(zhì)構(gòu)造裂隙面發(fā)育，發(fā)育強(qiáng)度與水聚集、補(bǔ)給、循環(huán)、排泄條件相關(guān)，且不同巖性的巖溶發(fā)育強(qiáng)度有明顯差別，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育起重要的控制作用。

在巖溶成庫(kù)勘察及防滲工程處理中，防滲帷幕的實(shí)施往往是最重要的工程處理措施。因此，對(duì)防滲帷幕線的巖溶探測(cè)也必然成為地質(zhì)勘測(cè)的重點(diǎn)和關(guān)鍵所在。利用物探先進(jìn)技術(shù)方法，可探測(cè)防滲帷幕線上的洞穴、斷層破碎帶、裂隙透水帶等滲漏隱患，以及透水地層、相對(duì)隔水地層的分布情況。隨著在巖溶地區(qū)工程建筑規(guī)模的不斷擴(kuò)大和數(shù)量的增加，勘測(cè)人員應(yīng)根據(jù)巖溶發(fā)育的特點(diǎn)和性質(zhì)，采用科學(xué)合理的勘測(cè)手段，提高巖溶探測(cè)的質(zhì)量。

1 巖溶探測(cè)方法綜述

目前，巖溶探測(cè)采用的方法包括地質(zhì)調(diào)查、測(cè)繪、鉆探和物探方法。隨著物探新技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)、新方法運(yùn)用于水電工程地質(zhì)勘察測(cè)試中，較成熟的方法有電法、電磁法、探地雷達(dá)、地震勘探、地學(xué)層析成像技術(shù)(CT)、綜合測(cè)井、地溫法、放射性測(cè)量等[1-3]。工程地球物理勘探的基礎(chǔ)是被探測(cè)體的物性差異，常表現(xiàn)為巖體的電、磁、彈性波速等物性參數(shù)。巖溶是原來(lái)的圍巖經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)過(guò)程形成的空洞或被其他物質(zhì)充填，與完整圍巖相比，存在較大物性差異(如電阻率、介電常數(shù)、地震波速、電磁波吸收系數(shù)等)[4]。地表淺部的巖溶往往采用高密度電法、地震反射法、探地雷達(dá)探等；大地電磁法(EH4)受場(chǎng)源及方法的限制，淺表異常可能會(huì)在探測(cè)盲區(qū)內(nèi)而被忽視，常用于中深部巖溶探測(cè)，勘探精度受地面及空中電磁干擾影響較大；電磁波CT和彈性波CT常用于孔間剖面的探測(cè)，可避開(kāi)地面及空中人為電磁的干擾，對(duì)巖溶的空間探測(cè)有較高的準(zhǔn)確性[5]。

由于巖溶的隱蔽性、復(fù)雜性，應(yīng)根據(jù)工區(qū)的地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育的特點(diǎn)和類型，選擇合適的物探方法，提高探測(cè)的有效性及準(zhǔn)確性。從工作效率和方法的有效性上考慮，選擇電磁波CT較為合理。電磁波CT有2種成像方法：一種為絕對(duì)衰減層析成像，另一種為相對(duì)衰減層析成像。當(dāng)電磁波穿越不同的地下介質(zhì)，如不同的巖石、巖體及溶洞、破碎帶等時(shí)，由于不同介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收存在差異，在高吸收介質(zhì)背后接收到的電磁波場(chǎng)強(qiáng)小得多，呈現(xiàn)負(fù)異常，就像陰影一樣。利用這一差異，可推斷目標(biāo)地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和形狀。

2 巖溶探測(cè)有效性分析

巖溶在發(fā)育過(guò)程中，受到不同自然條件不確定性的影響，巖溶表面會(huì)出現(xiàn)石芽或溶溝，呈現(xiàn)出各種各樣的形態(tài)，很大程度上增加了地質(zhì)勘察的難度，在某種情況下可能導(dǎo)致較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，直接影響到水利水電、鐵路公路、橋梁及建筑工程的正常施工。對(duì)以巖溶堵漏成庫(kù)為目的的巖溶系統(tǒng)探測(cè)，應(yīng)根據(jù)巖溶水文地質(zhì)調(diào)查分析，勘察對(duì)象主要為可疑滲漏段的隱伏巖溶洞穴和暗河系統(tǒng)，針對(duì)特殊的巖溶問(wèn)題需進(jìn)行專題研究[6-7]。

2.1 基本要求

在工程地質(zhì)勘測(cè)過(guò)程中，確定巖溶的位置及形狀等要素非常關(guān)鍵。首先，要分析洞內(nèi)填充物形狀、塌落程度等；其次，根據(jù)巖溶的發(fā)育程度，分析地層的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及厚度，從而確定不同的巖溶組合對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響，為工程施工處理方案提供基礎(chǔ)。地表的物探手段往往受到各種條件的限制，探測(cè)的精度滿足不了施工要求。復(fù)雜巖溶洞穴的精確定位，需要鉆探工作的配合，鉆孔是開(kāi)展巖溶精確探測(cè)的基礎(chǔ)和前提，也是驗(yàn)證物探成果正確性的有力法寶。鉆探一方面可驗(yàn)證地質(zhì)成果推斷的合理性及預(yù)測(cè)地層的正確性；另一方面可為物探在井中開(kāi)展精確探測(cè)工作提供有利條件。工區(qū)中有了鉆孔，物探設(shè)備可深入孔中，更近接近目標(biāo)物，避開(kāi)一些不必要的干擾因素，對(duì)有效信號(hào)的提取更加有力。因此，巖溶的探測(cè)應(yīng)遵循“效果明顯、工作高效、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)”的原則，綜合勘測(cè)技術(shù)的應(yīng)用是提高巖溶探測(cè)精度最為有效的途徑。

2.2 精確探測(cè)技術(shù)

巖溶地區(qū)可溶巖巖石相對(duì)介電常數(shù)ε變化不大。電磁波工作頻率不變的情況下，影響介質(zhì)吸收系數(shù)大小的是介電常數(shù)ε，同一套地層中介電常數(shù)ε變化不大，巖石對(duì)電磁波的吸收(衰減)非常少。因此，電磁波有較強(qiáng)的作用距離，這是開(kāi)展電磁波CT工作的良好前提。電磁波的作用距離受巖體中的構(gòu)造、斷層、破碎帶、泥質(zhì)含量的影響，在泥質(zhì)含量高的巖石中，由于巖體對(duì)電磁波強(qiáng)烈吸收，作用距離和分辨率大大降低，這就是電磁波CT探測(cè)的局限性。彈性波CT工作條件則更為苛刻和復(fù)雜，不僅需要震源，而且在鉆孔中還需要井液耦合；其次，彈性波CT工作效率也比電磁波CT低，但兩者存在互補(bǔ)作用，針對(duì)特殊情況可采用綜合的方法加以解決。

電磁波CT或彈性波CT的工作頻率選擇依據(jù)如下：探測(cè)精度越高、地層地質(zhì)情況越復(fù)雜時(shí)，孔間距應(yīng)相對(duì)小一些，宜選用較高的工作頻率；剖面間的地質(zhì)及地球物理?xiàng)l件較簡(jiǎn)單時(shí)，可適當(dāng)增大孔間距，宜選用相對(duì)較低的工作頻率。在選擇工作方法時(shí)，應(yīng)從工程的有效性、實(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性角度考慮，根據(jù)精度與分辨率的要求，確定測(cè)量點(diǎn)間距；再根據(jù)水平同步測(cè)量和交叉斜同步測(cè)量，初步確定異常體的存在和大致位置；根據(jù)異常體所在位置，確定扇形測(cè)量的密度，保持測(cè)量數(shù)據(jù)在鉆孔之間具有最大的觀測(cè)方位。

3 巖溶探測(cè)工程實(shí)例

3.1 窄巷口水電站

窄巷口水電站是烏江支流貓?zhí)?個(gè)梯級(jí)電站中的第4個(gè)梯級(jí)，位于喀斯特地區(qū)的深山峽谷及巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，客觀條件造成電站建成后水庫(kù)嚴(yán)重滲漏，漏水量之大足以影響該電站的發(fā)電生產(chǎn)及大壩安全。大壩建成后，對(duì)該電站滲漏原因研究分析從未間斷。為從根本上解決滲漏問(wèn)題，根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查和分析，以及漏水量的觀測(cè)與水工建筑物的關(guān)系，基本確定滲漏分為3個(gè)區(qū)，分別為左岸滲漏區(qū)、壩基滲漏區(qū)和右岸滲漏區(qū)。其中，左岸河間地塊巖溶最發(fā)育，是滲漏的主要通道。在左岸灌漿廊道中又分4個(gè)滲漏帶，灌漿廊道樁號(hào)0+100～0+0280為第2滲漏帶，也是最嚴(yán)重的滲漏區(qū)。

在第2滲漏區(qū)的中軸線上選定2個(gè)地質(zhì)鉆孔ZK1和ZK2，孔深達(dá)160 m，剖面距為16 m，在這2個(gè)鉆孔間先開(kāi)展電磁波CT探測(cè)，選用32 MHz和16 MHz這2種工作頻率，截取異常孔段的成果。部分孔段電磁波CT探測(cè)圖像見(jiàn)圖1。2孔之間巖性為二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，吸收系數(shù)β介于0～0.5 db/m為正常巖體，β介于0.5～1.5 db/m及β大于1.5 db/m表示強(qiáng)吸收異常區(qū)，可推斷為溶蝕破碎和溶洞。ZK1和ZK2沒(méi)有揭示到溶洞的存在，鉆孔取芯率很高，巖性也很完整，但從層析成像看，溶洞段邊界巖體吸收系數(shù)較大，給人以錯(cuò)覺(jué)感，這就是兩邊觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量造成的，在鉆孔中不可能全方位布置觀測(cè)系統(tǒng)，導(dǎo)致某個(gè)方向上反演計(jì)算的異常往往比實(shí)際偏大，通過(guò)一些特殊成像技術(shù)處理，能消除部分假異常。16、32 MHz電磁波成像結(jié)果基本相同，高吸收異常位置基本一致，形態(tài)略有差異；采用頻散成像效果最佳，異常輪廓最清晰，16 MHz層析圖次之，32 MHz層析圖稍差些。說(shuō)明并非頻率越高，分辨率就越高，成像的效果與頻率、孔距、數(shù)據(jù)質(zhì)量之間的關(guān)系非常復(fù)雜，但數(shù)據(jù)質(zhì)量與成像精度影響最大。電磁波頻率越高越容易產(chǎn)生震蕩，測(cè)量信號(hào)的線性段越窄，對(duì)有效信號(hào)的提取更加復(fù)雜，進(jìn)而影響到數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此，孔間CT的探測(cè)，對(duì)尋找隱伏巖溶管道，確定巖溶管道的具體位置和規(guī)模具有較好的效果。

圖1 部分孔段電磁波CT探測(cè)圖像

為進(jìn)一步驗(yàn)證異常的存在，在ZK1和ZK2中再進(jìn)行大功率聲波CT成像，速度成像結(jié)果見(jiàn)圖2。對(duì)比圖1、2可知，2種不同成像方法異常的深度、形態(tài)基本一致，進(jìn)一步證實(shí)異常的存在。同時(shí)，在大功率聲波CT數(shù)據(jù)采集過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水平同步、斜同步和定點(diǎn)接收波列圖中有波阻抗異常現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)震源和接收點(diǎn)的相互關(guān)系分析，當(dāng)聲波通過(guò)一個(gè)波阻抗較大的界面時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)波的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換波的特點(diǎn)是：能量大、頻率低、首波相位反相、在波陣列圖上呈現(xiàn)較好的對(duì)稱性，這種轉(zhuǎn)換波的形成機(jī)制尚未有確切的解釋理論。聲波在沒(méi)有阻抗的條件下，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波；如遇到有溶洞、斷層、裂隙等情況下則會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波。經(jīng)過(guò)對(duì)波列合成的細(xì)致觀測(cè)和分析，穿過(guò)溶洞的首波是轉(zhuǎn)換波，首波沒(méi)有縱波，與正常情況的縱波相比，相位反向；沒(méi)有穿過(guò)溶洞的首波是縱波，縱波相位正向。

圖2 部分孔段大功率聲波CT探測(cè)圖像

圖3為實(shí)測(cè)波形圖，圖中的“人”字形結(jié)構(gòu)的波就是轉(zhuǎn)換波，轉(zhuǎn)換波是以波阻抗(溶洞)為新的波源向四周傳播所形成的。圖4是經(jīng)過(guò)連續(xù)小波變換后得到的波形圖，處理的意義主要是突出轉(zhuǎn)換波的特性，在溶洞異常上給人以清晰感。從圖3～ 4中可以清晰知道溶洞的大體輪廓和深度位置，精確定位還需速度層析成像反演計(jì)算。從圖2中可知，溶洞高度約13 m，沿洞軸線寬度約7 m。在異常的中心部位布置驗(yàn)證孔，鉆探驗(yàn)證溶洞高12.98 m，寬7.8 m，與層析成像反演結(jié)果非常吻合，同時(shí)，對(duì)驗(yàn)證孔進(jìn)行溶洞水流速測(cè)試，確定溶洞水流速、流量，最后由施工方進(jìn)行高流速、大水流地下溶洞堵截工作。通過(guò)近2年的施工，完成該溶洞的封堵工作，確保了大壩的安全運(yùn)行。

圖3 實(shí)測(cè)波形排列

圖4 處理后的波形

3.2 善泥坡水電站

善泥坡水電站位于北盤(pán)江干流中游河段，是北盤(pán)江流域綜合規(guī)劃中的第8個(gè)梯級(jí)電站，工程樞紐主要由碾壓混凝土拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、右岸引水系統(tǒng)及地下廠房和生態(tài)流量小機(jī)組引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。該工程防滲帷幕線長(zhǎng)超過(guò)2 km，帷幕線出露地層主要為二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)石英砂巖夾泥頁(yè)巖、棲霞組第一段(P1q1)灰?guī)r夾泥頁(yè)巖、棲霞組第二段及茅口組(P1q2+P1m)厚層至塊狀灰?guī)r。其中，P1q2為強(qiáng)可溶巖，P1q1為弱可溶巖。

帷幕灌漿前，在帷幕線上先布置先導(dǎo)孔，在先導(dǎo)孔中采用電磁波CT實(shí)施巖溶探測(cè)，其目的是對(duì)探測(cè)到的強(qiáng)溶蝕帶提前設(shè)計(jì)，并進(jìn)行專項(xiàng)處理，避免施工過(guò)程中遭遇巖溶風(fēng)險(xiǎn)耽誤工期。同時(shí)，也為設(shè)計(jì)確定帷幕灌漿的底界提供依據(jù)。

電磁波CT探測(cè)在中層廊道樁號(hào)0+080埋深近10 m處發(fā)現(xiàn)電磁波吸收系數(shù)β明顯異常(β≥0.8 db/m)，判定為溶洞引起的異常。為驗(yàn)證異常的存在，在異常的中部位置進(jìn)行豎井開(kāi)挖，開(kāi)挖近10m遇到溶洞，驗(yàn)證的結(jié)果與成像結(jié)果非常吻合。電磁波CT探測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖5。

圖5 電磁波CT探測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)照片

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)2個(gè)典型工程實(shí)例，提出了“以鉆孔電磁波CT法為主，大功率聲波CT為輔” 的巖溶精確探測(cè)的方法，得到以下幾點(diǎn)體會(huì)：

(1)受鉆孔內(nèi)空間的限制，鉆孔電磁波儀器的功能未能做到場(chǎng)強(qiáng)和相位的全波列測(cè)量，只能進(jìn)行綜合場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)不精確，主要體現(xiàn)在初始場(chǎng)強(qiáng)的取值、電磁頻散效應(yīng)、地表側(cè)面波校正、二次場(chǎng)校正等幾個(gè)方面。

(2)地學(xué)層析成像技術(shù)是借鑒醫(yī)學(xué)CT原理，根據(jù)射線掃描，對(duì)所得到的信息進(jìn)行反演計(jì)算，重建被測(cè)范圍內(nèi)巖體彈性波和電磁波參數(shù)分布規(guī)律的圖像，從而達(dá)到圈定地質(zhì)異常體的一種地球物理反演解釋方法。孔間CT屬于不完全成像觀測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量方向僅僅限于2孔內(nèi)，精度較醫(yī)學(xué)CT低。

(3)由于巖溶地區(qū)的復(fù)雜性，應(yīng)根據(jù)勘察性質(zhì)、地質(zhì)條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等綜合因素，合理制定勘測(cè)方案。物探方法只是一種間接地質(zhì)勘察方法，地下巖溶地質(zhì)情況還需通過(guò)鉆孔來(lái)驗(yàn)證。傳統(tǒng)勘測(cè)手段費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、控制點(diǎn)稀少、信息量小，物探方法能補(bǔ)充傳統(tǒng)鉆探的不足，是地質(zhì)勘測(cè)方法的延展。