电磁波CT在水电工程岩溶探测中的应用

杨嘉明，闫占豹，杨 帆，宋伟健

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130062）

1 概述

在水利水电工程建设方面，碳酸盐岩一般属于硬岩或中硬岩，承载力和抗剪强度较高，具有良好的物理力学特征，完全可以满足民用建筑和各类水工建筑物的强度要求；同时碳酸盐岩又是良好的天然建筑材料。但是云南、贵州、广西等地区，由于常年降雨量大，气候温暖潮湿，营造了良好的岩溶发育外部条件，要开发利用岩溶区域丰富的水利水电资源，就必须解决由于岩溶发育所带来的复杂的水文工程地质问题，如果选址不当，工程就会遭受巨大损失，甚至是毁灭性的。诸如：由于岩溶通道渗漏导致的基坑及地下硐室涌水，大坝、厂房基础和边坡稳定，以及因岩溶发育引发的水库地震及塌陷，这些都是水利水电建设的关键问题[1]。

2 工作原理

电磁波CT法是利用电磁波（工作频率0.5～32 MHz）在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强大小，使用计算机层析成像技术，反演两孔间地下地质体吸收系数分布的一种地下地球物理勘探方法。也称井中电磁波透视法[2]。

电磁波在地下传播过程中，由于地质体吸收了一部分电磁波能量而使场强减小，减小程度与地质体视吸收系数 βs的大小成正比。由于不同物理性质的地质体βs值之间存在差异，可以采用水平同步及全孔定点扇形扫描观测方式，可获得不同位置上（深度上）的场强Er资料，并使用计算机层析成像方法反演两孔间的地下地质体的吸收系数分布图。依据图上 βs的大小和等值线的位置、形态、结合钻孔资料推测地下岩溶及破碎带的位置、规模及产状。

3 影响电磁波吸收系数的因素

1）电阻率。电阻率是决定地下介质吸收电磁波的主要影响因素，影响电阻率的因素很多，除与导电矿物成分、含量有关外，还与岩矿石的结构，构造，孔隙度，含水度，以及含水的矿化度，还与温度，压力等密切相关。

2）介电常数。介电常数表示介质极化强度的强弱，在高电阻的介质中，才能比较明显的显示出介电常数对电磁场的振幅和相位的影响。大多数岩石的介电常数变化范围基本维持在4～16之间，但水的介电常数却很高，为81。因此，在含水饱和度不同的情况下，介质的介电常数值变化会比较大。

3）磁导率。一般只有在磁性矿体上，磁导率才有明显的变化[3]。

4 工程及地质概况

某水利枢纽工程项目位于珠江水系西江流域，属于红水河梯级规划中最末一个梯级。由于施工区纯碳酸盐岩包括灰岩、燧石灰岩及白云岩，呈大面积连续分布。灰岩分布面积最广，广泛分布于上库段，岩溶最为发育，岩溶现象不但数量多，而且个体大，垂向深，自开工以来，开挖揭露的溶沟、溶槽、溶洞等岩溶形态十分发育。已发生岩溶塌陷10余处，最大塌坑直径25 m，下引航道渠坡揭露土洞2处，可见施工区存在较大的岩溶塌陷危险性，危及施工安全。

5 工作布置及数据处理

在漏水通道可能通过帷幕灌浆线的重点部位布置8条电磁波CT剖面，共计43对电磁波CT剖面。电磁波CT在相邻的两个先导孔中进行，孔间距为8～20 m，剖面深度在40～60 m。

将现场采集到的场强数据导入计算机中，在经过删除坏值、井斜校正、平滑滤波后，使用随机携带的“井下电磁波分析系统”反演。反演选用1 m×1 m有限单元，进行联合迭代法（SIRT）反演计算，迭代次数经试验选定为50次叠加。最后利用Surfer成图软件，将反演数据生成电磁波视吸收系数 βs等值线剖面图，然后将同一部位相邻剖面联合反演拼接，形成8个部位的 βs等值线剖面图。

6 实测成果分析

6.1 异常判别标准

地下有岩溶发育及基岩局部破碎，电磁波穿过时能量被大量吸收，在 βs等值线图上表现为高吸收率。在CT剖面的上部和底部，由于射线较稀疏，易出现假异常，通过地质资料予以识别、剔除。依据有效异常的 βs值大小和 βs等值线的形态、产状，结合测区地质资料，将电磁波CT剖面划分异常场区（溶沟或溶槽发育区、溶洞发育区、基岩破碎区），正常场区（基岩较完整区），以下为判定标准：

1）溶沟或溶槽发育区、溶洞发育区、基岩破碎区（洋红色、红色、黄色、绿色区：0.5＞ βs＞0.15）。

2）基岩较完整区（浅蓝色、蓝色区：0.15＞ βs）。

6.2 成果分析

由于剖面过多，以下文章中选取及DCT4-DCT4′和DCT6-DCT6′为例进行解释说明。

1）DCT4-DCT4′。剖面共发现6处高吸收率异常。其中Y4-1、Y4-2、Y4-3处异常电磁波吸收系数为0.5＞βs＞0.3，推测为溶洞、溶沟或溶槽发育区。Y4-4、Y4-5、Y4-6电磁波吸收系数为 0.3＞ βs＞0.15，推测为基岩破碎区。综述高程30～5 m范围内局部岩溶较发育、基岩破碎。异常分布及性质判别详见表1。

表1 DCT4-DCT4'电磁波CT剖面异常一览表

2）DCT6-DCT6′。剖面共发现13处高吸收率异常。其中Y6-1～Y6-7、Y6-10、Y6-12处异常电磁波吸收系数为0.5＞βs＞0.3，推测为溶洞、溶沟或溶槽发育区。Y6-8、Y6-9、Y6-11、Y6-13处异常电磁波吸收系数为0.3＞βs＞0.15，推测为基岩破碎区。综述高程30～5 m范围内局部溶沟、溶槽、溶洞较发育。高程5～-23 m整体岩体较完整，局部发育溶洞或基岩破碎。异常分布及性质判别详见表2。

表2 DCT6-DCT6'电磁波CT剖面异常一览表

7 结论与认识

1）DCT4-DCT4′剖面在高程30～5 m范围内局部岩溶较发育、基岩破碎。

2）DCT6-DCT6′剖面在30～5 m范围内局部岩溶发育。在高程5～-23 m整体岩体较完整，局部发育溶洞或基岩破碎。

3）探测成果有效解决了工程所关注的问题，为后期有针对性的灌浆治理方案提供宝贵依据。

4）电磁波CT可应用于岩溶管道或溶蚀异常区的精确探测，其探测岩溶异常体精度较高，但需钻孔配合使用，且孔间最佳探测距离为30 m，库区探测主要应用于构造缺口及可能产生岩溶塌陷的关键部位。

5）防渗帷幕探测，先导孔岩溶洞隙或岩溶岩体中防渗帷幕质量，可采用孔间电磁波CT探测。

6）在施工期揭示坝基及防渗帷幕线上的岩溶洞穴的分布位置、规模、形态等，为防渗处理提供“准确”的资料，应以能精确探测的声波或电磁波CT为主[4]。

［1］封云亚，沈春勇.喀斯特地区水利水电工程勘测与处理新技术［J］.水利水电技术，2005（09）：13-15.

［2］岳崇旺，王祝文，徐加益.电磁波层析技术在工程地质中的应用［J］.物探与化探，2008（02）：216-219.

［3］张受舳，师学明.电磁波层析成像技术进展［J］.工程地球物理学报，2009（06）：418-425.

［4］范志雄，袁景花，尹学林，肖海云.利用电磁波层析成像技术优化水电工程防渗帷幕处理技术方案［J］.电力标准化与计量，2005（03）：21-24.