CT技术在水利水电工程勘察中的应用

熊 勇

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002)

0 引言

水利枢纽和水电工程因其特殊性绝大部分均选址于地形陡峭、通行困难的深切河谷地段，这就给地质勘察工作的开展带来较大的难度。水利水电工程的主要勘察手段离不开钻探、平硐、物探等综合方法，由于地表地形条件较差，地面物探勘察方法的应用受到较大的限制，同时因地形的影响使得地面物探勘察成果精度较低。如何充分利用地形及现有的钻孔、平硐等地质工程，采用CT技术、声波测试、钻孔摄影、地质雷达等物探方法查明工程地质情况是物探科技工作者必须研究的课题。本文通过工程实例，介绍利用平硐、钻孔进行地震波CT、电磁波CT所取得的地质效果，与同行交流，以提高复杂地形、地质条件下物探勘察方法的应用水平。

1 CT技术及数据处理方法

1．1 CT 技术

CT技术是利用在物体外部观测得到的物理场量，通过特殊的数字处理技术，重现物体内部物性或状态参数的分布图像，从而解决有关的工程技术问题［1］。根据CT勘察所利用场源的不同，可分为弹性波(地震波、声波)CT、电磁波CT等。地震波CT与电磁波CT工作原理、工作方法大致相似，区别在于场源及利用的物性参数不同，地震波CT利用的是地质体的地震波速度差异，电磁波CT利用的是地质体对电磁波能量的吸收衰减差异。现以地震透射波CT为例，对CT工作叙述如下:

如图1所示，设有两平硐PD1、PD2(或两钻孔)，在两平硐(或钻孔)之间进行地震波透射，以探明两平硐之间岩体完整性及构造分布情况。沿PD1布置激发点 F1、F2、…、Fn，沿 PD2 布置信号接收点 S1、S2、…、Sn，在两平硐(或钻孔)之间组成致密交叉的激发—接收网络，然后根据射线的疏密程度和成像精度要求进行单元划分，并建立观测参数线性方程组，再选用适当的射线追踪和反演方法，经过多次迭代并成像，便可获得被测区域的地震波速分布图像。

图1 CT工作示意图Fig.1 Working diagram of tomography

1．2 CT数据处理方法

对上述观测系统数据反演过程如下:首先把两平硐(或钻孔)之间的断面划分成若干等面积的小方块，实现透射空间离散化。设横向分格数为K，纵向分格数为L，总的小方格数为m=L×K，小方格的大小依勘测精度要求及射线的疏密程度而定。对每个小格编号，分别为1、2、……、m。设Vj为第j个小方格的地震波传播速度，对于每条地震波射线都可以写出一条射线方程［2］:

式中:Ti为第i条射线的地震波到达时间;Aj为该射线在第j号方块中的长度;m为射线条数。

如果分别在两个平硐(或钻孔)的不同位置激发、接收n次，便可以得到n个射线方程，写成矩阵形式为:

求解上述矩阵方程便可得到地震波在各个小方格内的地震波慢度值，分别取其倒数即得到速度，从而得到两平硐(或钻孔)之间的地质体地震波速度分布，达到重建勘察断面的速度地质模型的目的。

2 工程实例

贵州某水电站工程右坝肩地形、地貌及钻孔、平硐分布情况如图2。从外表看，右坝肩岩体完整性较好，然而根据勘探钻孔、平硐揭露的情况，右坝肩730～770 m高程，岩体内溶蚀风化严重，沿平硐方向见10多米长的泥化夹层，平硐施工后垮塌严重，对坝肩的稳定性危害较大，直接关系到该坝址的建坝条件。要进一步查明岩体内泥化夹层及破碎带沿垂向和纵向的分布情况，从地形条件看采用地面物探方法较难，充分利用现有的勘探平硐及钻孔采用CT技术进行勘察是较好的选择。为此笔者利用平硐PDⅡ-4、PDⅡ-5、PDⅡ-6、PDⅠ-3进行地震波CT技术，构建右坝肩岩体的二维地震波速度地质模型;利用钻孔ZKⅡ-9、ZKⅢ-9、ZKⅢ-7、ZKⅢ-10进行电磁波CT技术，构建右坝肩岩体的二维电磁波吸收系数地质模型(钻孔、平硐分布情况见图2)。通过对岩体地震波速度、电磁波吸收系数的分析，结合现场岩体地震波速度的物性测定情况，综合平硐、钻探资料，确定划分破碎带或泥化夹层的速度上限，从而查明两坝肩岩体内破碎带或泥化夹层的发育分布情况。

图2 右坝肩地形地貌及钻孔、平硐分布情况图Fig.2 The diagram of right abutment of topography and drilling，adit distribution

图3 为右坝肩PDⅡ-4～PDⅡ-6、PDⅡ-4～PDⅠ-4地震波CT技术成果图，从图中可以看出，平硐PDⅡ-4～PDⅡ-6、PDⅡ-4～PDⅠ-4构成的透射断面上，大部分断面位置地震波速度V≤4 000 m/s，根据岩体波束测试结果，结合钻探与平硐勘察的成果分析，将地震波速度V≤3 000 m/s的异常带划分为泥化夹层，将地震波速度3 000 m/s≤V≤4 000 m/s的异常带划分为相对破碎岩体，资料解释成果与钻探及平硐勘探情况吻合较好。

图4为右坝肩ZKⅢ-7～ZKⅢ-9、ZKⅢ-7～ZKⅢ-10电磁波CT技术成果图，从图中可以看出，钻孔ZKⅢ-7～ZKⅢ-9、ZKⅢ-7～ZKⅢ-10构成的透射断面上，大部分断面位置电磁波吸收系数＞0．6，断面局部位置电磁波吸收系数在0．8～1之间，结合钻探与平硐勘察的成果分析，将电磁波吸收系数在0．6～0．8之间的位置划分为破碎带，电磁波吸收系数在0．8～1之间的位置划分为泥化夹层，资料解释成果与钻探情况吻合较好。

图3 右坝肩平硐地震波CT成果图Fig.3 Adit right abutment sectional view of the results of the seismic wave CT

图4 右坝肩钻孔电磁波CT成果图Fig.4 Right abutment sectional view of the results of drilling electromagnetic CT

3 结论

通过工程实践证明，地震波CT和电磁波CT技术用于探测岩溶、断层破碎带、泥化夹层等不良地质体时在一定地质条件下可取得较好的效果。对于水利、水电这类恶劣地形条件下较难开展地面物探勘察工作的地段，充分利用现有的勘探钻孔、平硐等地质工程及地形条件，进行钻孔与钻孔、平硐与平硐、平硐与地表、地表与地表之间的CT勘察，对于节约勘察成本、提高勘探成果精度取得事半功倍效果，对解决复杂条件下的地质问题较为适用，勘察成果精度较高。

［1］ 石林珂，孙懿斐．声波技术［J］．岩石力学与工程学报，2003(1):122．

［2］ 王振东．浅层地震勘探应用技术［M］．北京:地质出版社，1988:215－216．