地震映像技術(shù)在塔基空洞檢測(cè)中的應(yīng)用

李 明，楊全紅，楊 潤(rùn)，曾賢德，孫松柏

( 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著我國(guó)電力建設(shè)的快速發(fā)展，輸電線路網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越龐大，線路路徑穿越的地形也越來(lái)越復(fù)雜，尤其是特高壓線路，不可避免地將輸電線路布置在山頂或半山腰等陡峭地勢(shì)上。當(dāng)山坡經(jīng)過(guò)沖刷、侵蝕等一系列構(gòu)造作用形成未知空洞，該空洞的存在會(huì)使基巖失去原有的承載能力，從而導(dǎo)致桿塔傾斜和倒塌，其后果輕則失去掛線能力，重則全面斷電造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，該空洞的存在直接影響到輸電桿塔的穩(wěn)定性和輸電線路的正常運(yùn)行，檢測(cè)該空洞的位置及規(guī)模有著重要的工程價(jià)值。

1 技術(shù)原理及特點(diǎn)

地震映像技術(shù)以相同的點(diǎn)距同時(shí)移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)，對(duì)地下異常體進(jìn)行連續(xù)掃描，其工作原理如圖1 所示。地震波由激發(fā)點(diǎn)在地下介質(zhì)傳播過(guò)程中遇到具有彈性差異的地質(zhì)異常體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生各類(lèi)轉(zhuǎn)換波返回至地面，通過(guò)設(shè)置在接收點(diǎn)的檢波器接收，對(duì)接收到的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，以二維時(shí)間剖面圖的形式顯現(xiàn)，該圖可以直觀地反映地質(zhì)異常的規(guī)模和形態(tài)[1-2]。

圖1 工作原理示意圖

地震映像技術(shù)是一種定性、快速的普查探測(cè)方法；利用多種波進(jìn)行資料解釋?zhuān)?dāng)檢測(cè)目的明確，在檢測(cè)空洞等橫向變化的情況下效果比較理想；因?yàn)槭褂猛黄凭啵詴r(shí)間剖面上時(shí)間的變化就表現(xiàn)出地質(zhì)異常體，這使得資料解釋更加方便[3]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

陜北—湖北±800 kV 特高壓直流輸電線路工程為新建工程，根據(jù)沿線踏勘、調(diào)查了解及參考附近已有工程資料，該線路途經(jīng)地段的地貌單元主要為丘陵、沖洪積扇、低山及沖洪積平原地貌，局部分布有沖洪積形成的河流階地、河漫灘及河床等地貌單元。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件、含水層構(gòu)成，對(duì)于線路西北黃土丘陵區(qū)地下水位普遍較深，山前傾斜平原，由于地勢(shì)相對(duì)低洼，地下水埋藏較淺，且隨季節(jié)變化而出現(xiàn)明顯變化。地下水類(lèi)型主要為孔隙潛水，水量相對(duì)較大。主要接受大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給，其排泄方式有側(cè)向徑流、蒸發(fā)、人工開(kāi)采及向河流排泄。日前，接到現(xiàn)場(chǎng)施工單位反饋，在Z1819 塔位的C、D 腿基礎(chǔ)側(cè)壁發(fā)現(xiàn)有空洞，立即組織地質(zhì)與物探專(zhuān)業(yè)溝通，趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘探工作，制定相關(guān)的勘測(cè)方案，桿塔位Z1819 地勢(shì)起伏較大，屬丘陵地貌，呈林地景觀，表層覆蓋可塑狀粉質(zhì)黏土，下伏底層為花崗巖。塔基空洞的位置、形狀，以及大小等諸因素會(huì)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，對(duì)基礎(chǔ)的承載力和沉降產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致桿塔傾斜和倒塌，其發(fā)生失穩(wěn)的時(shí)間以及空間很難預(yù)測(cè)，所以需要準(zhǔn)確判斷出該空洞的規(guī)模，及時(shí)采取處理措施，消除安全隱患。由于時(shí)間較為緊迫，施工單位希望能現(xiàn)場(chǎng)直接給出檢測(cè)結(jié)果以及治理方案，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，選擇地震映像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，為查明空洞走向及延伸情況，現(xiàn)場(chǎng)布置3 條地震映像測(cè)線，如圖2 所示為測(cè)線布置圖。

圖2 測(cè)線布置圖

2.2 地球物理特征

為了確定地震映像技術(shù)對(duì)空洞檢測(cè)的有效性，以及初步判定地震映像技術(shù)中各類(lèi)地震波對(duì)空洞的響應(yīng)特征，對(duì)空洞發(fā)育區(qū)進(jìn)行正演模擬，如圖3 所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況建立正演模型，表層為粉質(zhì)黏土，底層為花崗巖，為更好地研究分析地震波對(duì)空洞的響應(yīng)特征，將空洞置于兩種不同性質(zhì)地層各一半，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況，孔洞內(nèi)部未填充其他介質(zhì)，故本次正演模型中封閉型空洞內(nèi)部設(shè)置為空氣。

圖3 正演模型

由正演模型，最終取得如圖4 所示正演時(shí)間剖面，橫縱坐標(biāo)分別表示水平位置以及縱向地震波雙程走時(shí)。分析圖中波形特征可以看出，在空洞區(qū)域有明顯的繞射現(xiàn)象，地層分界面反射波同相軸缺失，以此推斷巖石空洞在地震映像時(shí)間剖面中響應(yīng)特征明顯，該技術(shù)在空洞檢測(cè)中具有可行性。

圖4 正演時(shí)間剖面

在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的地震地質(zhì)條件調(diào)查以及正演模擬表明，現(xiàn)場(chǎng)具備進(jìn)行彈性波檢測(cè)的地球物理?xiàng)l件：封閉空洞中空氣以及充填物與圍巖有較為明顯的波速差異和波阻抗差異，可形成繞射波或反射波特征。通過(guò)對(duì)地震波場(chǎng)的理論研究以及試驗(yàn)資料表明，各類(lèi)空洞可以在時(shí)間剖面上分別表現(xiàn)不同特征，通過(guò)分析地震波的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，可以推斷出空洞的位置以及形態(tài)[4]。

表1 巖土介質(zhì)縱波速度參數(shù)表

2.3 參數(shù)設(shè)置

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)各參數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值并代入計(jì)算得到最佳偏移距范圍：

通過(guò)進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以及最佳偏移距計(jì)算結(jié)果，來(lái)確定觀測(cè)系統(tǒng)和采集參數(shù)并得到干擾波特征，考慮到現(xiàn)場(chǎng)采集工作的方便性，最終確定采集參數(shù)為：偏移距為2 m，采集長(zhǎng)度為100 ms，工作點(diǎn)距為0.5 m，全程使用6 kg鐵錘敲擊鋼板來(lái)激發(fā)地震波達(dá)到能量均衡的效果，在每次疊加時(shí)敲擊力度一致，敲擊后將鐵錘與鐵板迅速分開(kāi)，避免產(chǎn)生余震[5-7]。

2.4 數(shù)據(jù)處理及剖面分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的地震數(shù)據(jù)信息，在時(shí)間剖面上進(jìn)行直達(dá)波、反射波、多次反射波、面波等多波聯(lián)合分析，為保留反映地下介質(zhì)性質(zhì)的多波信息，不做過(guò)多修飾性處理，僅僅對(duì)時(shí)間剖面進(jìn)行頻率濾波、能量均衡等技術(shù)，使時(shí)間剖面圖更利于識(shí)別異常，現(xiàn)場(chǎng)采集三條剖面結(jié)果如圖5 ～圖7 所示。

圖7 e～f 時(shí)間剖面

在a ～b 時(shí)間剖面中，6.0 ～7.0 m 段，該段淺部20 ms 左右的反射波同相軸缺失錯(cuò)亂現(xiàn)象明顯，甚至同相軸反轉(zhuǎn)。根據(jù)空洞發(fā)育地區(qū)地球物理特征推斷，如圖5 所示，該異常段的淺層反射波同相軸缺失部位，存在一處較小空洞。

圖5 a～b 時(shí)間剖面

在c ～d 時(shí)間剖面中，5.5 ～6.5 m 段，該段淺部20 ms 左右存在同樣異常表現(xiàn)，淺層反射波同相軸缺失部位，推斷存在一處較小空洞。

在e ～f 時(shí)間剖面中，通過(guò)圖5、圖6 中的異常段及C 腿開(kāi)挖出現(xiàn)的空洞在圖中的表現(xiàn)，同時(shí)結(jié)合圖中波形的異常表現(xiàn)，即可圈定出該空洞的大致范圍由7.0 m 處向大號(hào)段逐漸延伸，并且深度逐漸變深，圖中7.0 m 處左側(cè)未發(fā)現(xiàn)異常與D 腿現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖未出現(xiàn)空洞相吻合。

圖6 c～d 時(shí)間剖面

綜合對(duì)3 張剖面圖的分析及塔腿開(kāi)挖的實(shí)際情況，最終確定該空洞呈近水平狀，無(wú)向下侵蝕的情況，沿C、D 腿方向分布一條由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的地下裂隙，該裂隙內(nèi)的破碎巖體受降水等因素的影響被沖蝕形成空洞。該空洞起始于D 腿，并向C 腿方向沿伸，在距C 腿基礎(chǔ)外壁左側(cè)(面對(duì)線路方向)約0.9 m 處穿過(guò)，沿線路方向向外延伸，長(zhǎng)度超過(guò)30.0 m。據(jù)此，建議處理措施為對(duì)C 腿小號(hào)側(cè)(沿D 腿方向)的空洞利用混凝土根據(jù)需要進(jìn)行全部回填，或?qū)τ杏绊憛^(qū)域進(jìn)行局部回填；對(duì)于大號(hào)側(cè)(沿線路方向)的孔洞建議對(duì)塔基區(qū)域外側(cè)用毛石進(jìn)行砌筑封堵，影響區(qū)域內(nèi)采用混凝土回填，由此來(lái)消除空洞帶來(lái)的安全隱患[8]。

3 結(jié)論

塔基空洞是較為隱蔽的地質(zhì)異常，具有偶然性，電力行業(yè)尤其線路工程，在地質(zhì)勘察工作中，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的勘察工作，鉆探物探等地質(zhì)工作均未發(fā)現(xiàn)異常的情況下，只有施工單位在施工過(guò)程中才能發(fā)現(xiàn)該類(lèi)異常的存在，并且該異常嚴(yán)重影響施工進(jìn)度以及工程質(zhì)量，所以必須盡快查明確定異常的位置及規(guī)模形態(tài)。使用地震映像技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)勘察已有眾多成功案例，本文對(duì)塔基范圍內(nèi)空洞的探測(cè)取得了良好的效果，結(jié)合塔基的地質(zhì)狀況對(duì)勘探成果作出了解譯分析，基本查明了異常區(qū)域的分布范圍，為塔基的施工建設(shè)提供了較為可靠的物探資料。

地震映像技術(shù)在各類(lèi)物探技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，由于它采用單道接收，在縱向無(wú)法確定異常深度這一明顯的局限性導(dǎo)致這項(xiàng)技術(shù)逐漸被淘汰，但是在電力行業(yè)中，它的局限性恰恰可以忽略，因?yàn)槭┕み^(guò)程中無(wú)論發(fā)現(xiàn)何種異常，該異常的深度是確定的，只需要檢測(cè)出該異常在橫向的延伸及規(guī)模，使用地震映像技術(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)快速直觀得出結(jié)果，無(wú)需后期處理，能有效解決施工單位需要現(xiàn)場(chǎng)得出結(jié)論的需求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題有很大的幫助。

地震映像技術(shù)依據(jù)地震勘探相關(guān)理論，結(jié)合各類(lèi)異常體的特點(diǎn)，在電力行業(yè)應(yīng)用于地下異常體的檢測(cè)，完成勘察任務(wù)，取得了良好的效果。在掌握技術(shù)方法的同時(shí)，為今后解決類(lèi)似工程地質(zhì)問(wèn)題積累了經(jīng)驗(yàn)。