工程地质物理探析在梭罗坪水库的应用

江声波

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550001)

1 工程概况

仁怀市梭罗坪水库位于仁怀县五马镇五马河一级支流鱼孔河上。初步选定两个坝址作勘测设计方案比选，做同等精度勘测设计工作。坝址位于鱼孔河与五马河汇口上游约600 m处，拟建坝高约60 m，总库容1 300 万m3左右。梭罗坪水库的主要功能为城镇供水与农业灌溉。受仁怀市水利局委托，我院承接梭罗坪水利工程初步设计阶段的勘察设计工作，本报告为物探部分，主要任务是:①基本查明坝址区及黄石窝渡槽覆盖层及基岩强风化层厚度;②基本查明坝址区岩溶发育情况;③坝址钻孔声波测试并评价岩体完整性;④坝址钻孔摄影［1］。

根据需解决的地质问题，本次物探方法选择地震面波法、电磁波CT 法、单孔声波测试法及钻孔摄影法进行本次勘察。共完成4 条地震面波剖面，4个钻孔声波测试，4个钻孔摄影。地震完成3080个标点，699个声波点，1 912个钻孔摄影点，电磁波CT完成814个标点。

2 工程地质物探技术的运用

2.1 地震面波法

2.1.1 地震面波法基本原理

面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的纵波(P 波)和横波(S 波)不同，它是一种地滚波。面波勘察成果具有地层高分辨的特点，同时获得地层物性的参数。瑞利面波方法用于岩土勘察，与以往的弹性波勘察方法差别在于应用的不是纵波和横波，而是以前视为干扰的面波。其原理是，面波具有频散的特性，其传播的相速度随频率的改变而改变。这种频散特性可以反映地下岩土介质的特性。

2.1.2 测线布置及现场工作技术

为查明坝址区、黄石窝渡槽区覆盖层及基岩强风化层厚度，在坝址区沿河床布置3 条测线，黄石窝渡槽布置1 条测线，基本控制各个测区，满足本阶段勘察要求。实际工作中，按5 m点距安放检波器，拔除检波器周围杂草，保证检波器与大地藕合良好。数据采集时严禁人员走动，尽量在无外界噪音干扰时采集数据，最大限度提高信噪比。

2.1.3 数据处理方法与技术

整个面波数据处理在4个区别不同数据域的处理页面上逐步进行，每个处理页面都具备窗口显示和多页的操作控制。

X－T 时距域:处理功能由载入原始数据开始，包括核定采集距离参数、识别和清理干扰波型、观察频谱特征、设定频率波数转换的频段上限，然后转入频率波数域页面，进行面波波型提取。在频率波数域提取的面波波型后，又同时在时距域显示提取结果，可以和原本数据对比。

F－K 频率波数域:处理过程是在显出的频率波数谱图形上，人工选择、追踪相应于提取波型的幅度峰，自动找出该频率的幅度峰脊，读取相速度，圈出幅度峰的范围，将此频率波数范围提供给下步X－F Stack 距离频率域叠加页面，求取该波型的频散数据，并将范围内的谱数据，反变换回时距域。

X－F 距离频率域:提供的处理功能容许全面观察排列道全部叠加的频散数据或偏移距由近到远的每两道间的频散数据。提供选择Fix X 恒定偏移距或Var X 变偏移距两种叠加方式，以及叠加的道数。选定的叠加结果组成频散数据文件，可以以ZVF 格式或文本格式存盘，也可以直接转入Z－V Inversion深度速度域反演页面作数值反演。

Z－V 深度速度域:模型参数包括层数、该层厚度(H)及剪切波速(Vs)。初始模型的设定由人工在频散数据的显示图形上用光标自上而下逐层选择确定。初始模型设定后当即显出初始的拟合度(Fitness)。拟合满意后将反演模型参数置入频散数据文件，可以ZVF 格式或文本格式存盘，同时构成综合成果图像，包含:频散数据点、反演地层模型参数、地层波速断面、模型正演频散数据点及模型拟合度。

2.2 钻孔电磁波CT

2.2.1 电磁波CT 基本原理

钻孔电磁波CT 技术基本原理借助于医学CT 技术。依据这一理论，当要研究两钻孔间岩体内构造时，在一钻孔内发射电磁波，而在另一钻孔内接收电磁波进行断面扫描，见图1，经地球物理反演计算，就可重建目标体的二维图像。

图1 电磁波CT 观测系统

井中电磁波CT 层析资料的解释基础是基于不良地质体与其完整围岩吸收系数的差异，而破碎带、溶洞或溶蚀裂隙等都可以形成吸收系数差异较大的非均匀体，产生出局部高吸收系数异常，从形态和大小上易于识别，因此，跨孔电磁波透视在孔间可以较好地探测不良地质体，确定空间位置和形态。

2.2.2 剖面布置及现场工作技术

本次CT 测试共布置2 对剖面，钻孔均位于坝址区河床两岸，孔口高程基本一致。各钻孔互为接收及发射孔，孔间距35.0 ～70.0 m，据现场试验分析，为提高岩溶破碎带、节理裂隙发育带的分辩率，采用各频段频率测试，现场测试选用4 MHz、12 MHz、20 MHz作为本次CT 勘察的发射频率，根据孔间距不同，尽量采用高频段作业。

本次测量工作中，采用定点扇形测量，取得了较高密度覆盖的射线数据。发射点距2 m，接收点距1 m，局部发射点距加密至1 m。在测量中，因接收到的信号的信噪比较高，因此未采用多次重复观测。施工过程中所有的采集参数和仪器工作状态正常，野外采集的原始资料良好。

2.2.3 数据处理方法与技术

资料处理是在微机上完成的，处理流程为:数据传输到计算机⇒建立成像区域坐标系⇒形成CT 输入数据⇒层析反演⇒成像成图。

2.2.3.1 CT 输入数据的形成

对每对跨孔剖面的原始数据输入到微机，按建立的坐标系形成CT 输入数据文件。这次野外采集工作中，以孔口高程最高的孔为坐标原点，X 轴沿水平方向为孔间水平距离，建立坐标系形成CT 输入数据。

2.2.3.2 层析反演

CT 输入数据直接送至EM—SYS 层析成像软件处理流程中，进行电磁波层析反演，其计算过程如下:由电磁波理论知道，在各向同性均匀岩体中，当在一钻孔中发射电磁波，另一钻孔中接收电磁波时，若发射天线长度远小于两钻孔间距离，则接收到的电磁波场强为:

式中:E0是发射击天线初始辐射常数;E 为相距R 处接收到的电场强度;fS(θS)和fr(θS)分别是发射和接收天线的方向发布函数;θ 为天线的辐射角度;I 为射线路径;dl 为积分元;β 为介质的吸收系数，经变换。

对于(2)式中的投影函数A 进行图像重建可求出目标函数β。具体算法即把图像划分成M个互不重叠的像元，以各像元内的重建结果组成数字图像:

式中:Dij 为第i 条射线在第j个像元中的长度，Yi 是第i 条射线迭代计算值与实测值之差，Xj即要求的第j个像元中的衰减系数β，上述方程实际上是求解一个大型稀疏矩阵议程组。具体算法有:反投影法(BPT)、代数重建法(ART)、联立迭代重建法(SIRT)和正交变换投影法(LSQR)等等。本次反演方法为联立迭代重建法。

2.2.3.3 层析成像成图

最终层析成果采用Golden Surfer 绘图软件，显示每对跨孔声波层析成像图。层析结果采用统一格式成图，在二维断面上，发射孔孔口位于区域左侧坐标原点，以孔口高程取代Z 轴0 点。水平方向X 轴向右表示为跨孔水平距离。将层析反演输出数据输入至成图软件，形成二维区域网格化文件。然后再将网格文件送入成图程序，获得层析成像图。

2.3 超声波测试法

以水为声耦合剂，将换能器放至井中。发射机通过换能器的发射器发射高频脉冲，沿介质表面传播至换能器的两个接收器接收(图2)。因此，可在接收机的显示系统得到传播时间t1、t2，由以下公式可获得此段岩体的声波波速Vp。

式中:Vp 为声波纵波波速，m/s;L 为换能器两个接收器的距离，m;ΔT 为传播时间差，s。

本次声波测试岩体完整性系数计算如下:

式中:Vp 实测为实测岩体波速;Vp 岩块为新鲜岩块波速。

图2 单孔超声波测试示意图

2.4 钻孔摄影法

将摄像头缓慢放入钻孔，摄取钻孔全孔影像，并将影像资料传入计算机，经软件处理，360°展开成图片，进行分析解释。

3 结 语

在仁怀市梭罗坪水库地质勘探作业中，通过运用地震面波法、电磁波CT 法、单孔声波测试法及钻孔摄影法等物探技术勘查，得知坝址区覆盖层一般厚1 ～7 m，基岩强风化层厚约2 ～4 m;黄石窝渡槽覆盖层厚3 ～6 m，基岩强风化层厚约4 ～6 m;结合钻探及电磁波CT 成果，坝址区岩溶、溶蚀裂隙发育，CT 成果未见大规模岩溶发育。

ZKC3 号钻孔波速在2 700 ～5 500 m/s，ZKC4 号钻孔波速在2 700 ～5 500 m/s，ZKC5 号钻孔波速在2 700 ～5 500 m/s，ZKC7 号 钻 孔 波 速 在2 700～5 500 m/s。

本次摄影图像清淅，整孔未见溶洞、断层及软弱夹层等，全孔溶蚀裂隙发育，多泥质、铁质充填，未见大规模岩溶发育图像;测区地形起伏较小，有利于物探工作开展，但由于物探多解性，成果有一定误差;建议施工图阶段可增加雷达、CT、高密度电法等物探手段，解决施工期碰到的工程地质问题。

［1］赵德亨，田钢，王帮兵. 浅层地震折射波法综述［J］. 世界地质，2005(02):55－56.