岩溶探测的有效性研究

孙永清，楼加丁

(中国电建集团贵阳勘测设计院有限公司，贵州 贵阳 550081)

岩溶的水文地质与工程地质勘察已由原来的定性评价转向定量研究，理论研究及工作思路也在不断经历从实践到认识、从再实践到再认识，直至升华到理论的发展过程，岩溶勘察的方法和手段也在不断更新。目前，提高岩溶的探测精度已成为无法回避的岩土工程问题。岩溶在地表水和地下水的溶蚀作用下，出现不同类型的岩溶地貌和形态，在很大程度上破坏了岩石的完整性，也影响了岩石的稳定性。岩溶地区的地形条件和边界条件比较复杂，属于隐蔽工程，探测特别困难和复杂，但也有规律可遵循。一般来说，岩溶多沿地质构造裂隙面发育，发育强度与水聚集、补给、循环、排泄条件相关，且不同岩性的岩溶发育强度有明显差别，地质构造对岩溶发育起重要的控制作用。

在岩溶成库勘察及防渗工程处理中，防渗帷幕的实施往往是最重要的工程处理措施。因此，对防渗帷幕线的岩溶探测也必然成为地质勘测的重点和关键所在。利用物探先进技术方法，可探测防渗帷幕线上的洞穴、断层破碎带、裂隙透水带等渗漏隐患，以及透水地层、相对隔水地层的分布情况。随着在岩溶地区工程建筑规模的不断扩大和数量的增加，勘测人员应根据岩溶发育的特点和性质，采用科学合理的勘测手段，提高岩溶探测的质量。

1 岩溶探测方法综述

目前，岩溶探测采用的方法包括地质调查、测绘、钻探和物探方法。随着物探新技术的快速发展，越来越多的新技术、新方法运用于水电工程地质勘察测试中，较成熟的方法有电法、电磁法、探地雷达、地震勘探、地学层析成像技术(CT)、综合测井、地温法、放射性测量等[1-3]。工程地球物理勘探的基础是被探测体的物性差异，常表现为岩体的电、磁、弹性波速等物性参数。岩溶是原来的围岩经过漫长的地质过程形成的空洞或被其他物质充填，与完整围岩相比，存在较大物性差异(如电阻率、介电常数、地震波速、电磁波吸收系数等)[4]。地表浅部的岩溶往往采用高密度电法、地震反射法、探地雷达探等；大地电磁法(EH4)受场源及方法的限制，浅表异常可能会在探测盲区内而被忽视，常用于中深部岩溶探测，勘探精度受地面及空中电磁干扰影响较大；电磁波CT和弹性波CT常用于孔间剖面的探测，可避开地面及空中人为电磁的干扰，对岩溶的空间探测有较高的准确性[5]。

由于岩溶的隐蔽性、复杂性，应根据工区的地质条件、岩溶发育的特点和类型，选择合适的物探方法，提高探测的有效性及准确性。从工作效率和方法的有效性上考虑，选择电磁波CT较为合理。电磁波CT有2种成像方法：一种为绝对衰减层析成像，另一种为相对衰减层析成像。当电磁波穿越不同的地下介质，如不同的岩石、岩体及溶洞、破碎带等时，由于不同介质对电磁波的吸收存在差异，在高吸收介质背后接收到的电磁波场强小得多，呈现负异常，就像阴影一样。利用这一差异，可推断目标地质体的结构和形状。

2 岩溶探测有效性分析

岩溶在发育过程中，受到不同自然条件不确定性的影响，岩溶表面会出现石芽或溶沟，呈现出各种各样的形态，很大程度上增加了地质勘察的难度，在某种情况下可能导致较为严重的地质灾害，直接影响到水利水电、铁路公路、桥梁及建筑工程的正常施工。对以岩溶堵漏成库为目的的岩溶系统探测，应根据岩溶水文地质调查分析，勘察对象主要为可疑渗漏段的隐伏岩溶洞穴和暗河系统，针对特殊的岩溶问题需进行专题研究[6-7]。

2.1 基本要求

在工程地质勘测过程中，确定岩溶的位置及形状等要素非常关键。首先，要分析洞内填充物形状、塌落程度等；其次，根据岩溶的发育程度，分析地层的性质、结构及厚度，从而确定不同的岩溶组合对工程结构的影响，为工程施工处理方案提供基础。地表的物探手段往往受到各种条件的限制，探测的精度满足不了施工要求。复杂岩溶洞穴的精确定位，需要钻探工作的配合，钻孔是开展岩溶精确探测的基础和前提，也是验证物探成果正确性的有力法宝。钻探一方面可验证地质成果推断的合理性及预测地层的正确性；另一方面可为物探在井中开展精确探测工作提供有利条件。工区中有了钻孔，物探设备可深入孔中，更近接近目标物，避开一些不必要的干扰因素，对有效信号的提取更加有力。因此，岩溶的探测应遵循“效果明显、工作高效、费用经济”的原则，综合勘测技术的应用是提高岩溶探测精度最为有效的途径。

2.2 精确探测技术

岩溶地区可溶岩岩石相对介电常数ε变化不大。电磁波工作频率不变的情况下，影响介质吸收系数大小的是介电常数ε，同一套地层中介电常数ε变化不大，岩石对电磁波的吸收(衰减)非常少。因此，电磁波有较强的作用距离，这是开展电磁波CT工作的良好前提。电磁波的作用距离受岩体中的构造、断层、破碎带、泥质含量的影响，在泥质含量高的岩石中，由于岩体对电磁波强烈吸收，作用距离和分辨率大大降低，这就是电磁波CT探测的局限性。弹性波CT工作条件则更为苛刻和复杂，不仅需要震源，而且在钻孔中还需要井液耦合；其次，弹性波CT工作效率也比电磁波CT低，但两者存在互补作用，针对特殊情况可采用综合的方法加以解决。

电磁波CT或弹性波CT的工作频率选择依据如下：探测精度越高、地层地质情况越复杂时，孔间距应相对小一些，宜选用较高的工作频率；剖面间的地质及地球物理条件较简单时，可适当增大孔间距，宜选用相对较低的工作频率。在选择工作方法时，应从工程的有效性、实效性、经济性角度考虑，根据精度与分辨率的要求，确定测量点间距；再根据水平同步测量和交叉斜同步测量，初步确定异常体的存在和大致位置；根据异常体所在位置，确定扇形测量的密度，保持测量数据在钻孔之间具有最大的观测方位。

3 岩溶探测工程实例

3.1 窄巷口水电站

窄巷口水电站是乌江支流猫跳河6个梯级电站中的第4个梯级，位于喀斯特地区的深山峡谷及岩溶强烈发育区，客观条件造成电站建成后水库严重渗漏，漏水量之大足以影响该电站的发电生产及大坝安全。大坝建成后，对该电站渗漏原因研究分析从未间断。为从根本上解决渗漏问题，根据水文地质调查和分析，以及漏水量的观测与水工建筑物的关系，基本确定渗漏分为3个区，分别为左岸渗漏区、坝基渗漏区和右岸渗漏区。其中，左岸河间地块岩溶最发育，是渗漏的主要通道。在左岸灌浆廊道中又分4个渗漏带，灌浆廊道桩号0+100～0+0280为第2渗漏带，也是最严重的渗漏区。

在第2渗漏区的中轴线上选定2个地质钻孔ZK1和ZK2，孔深达160 m，剖面距为16 m，在这2个钻孔间先开展电磁波CT探测，选用32 MHz和16 MHz这2种工作频率，截取异常孔段的成果。部分孔段电磁波CT探测图像见图1。2孔之间岩性为二叠系下统栖霞组灰岩，吸收系数β介于0～0.5 db/m为正常岩体，β介于0.5～1.5 db/m及β大于1.5 db/m表示强吸收异常区，可推断为溶蚀破碎和溶洞。ZK1和ZK2没有揭示到溶洞的存在，钻孔取芯率很高，岩性也很完整，但从层析成像看，溶洞段边界岩体吸收系数较大，给人以错觉感，这就是两边观测系统测量造成的，在钻孔中不可能全方位布置观测系统，导致某个方向上反演计算的异常往往比实际偏大，通过一些特殊成像技术处理，能消除部分假异常。16、32 MHz电磁波成像结果基本相同，高吸收异常位置基本一致，形态略有差异；采用频散成像效果最佳，异常轮廓最清晰，16 MHz层析图次之，32 MHz层析图稍差些。说明并非频率越高，分辨率就越高，成像的效果与频率、孔距、数据质量之间的关系非常复杂，但数据质量与成像精度影响最大。电磁波频率越高越容易产生震荡，测量信号的线性段越窄，对有效信号的提取更加复杂，进而影响到数据质量。因此，孔间CT的探测，对寻找隐伏岩溶管道，确定岩溶管道的具体位置和规模具有较好的效果。

图1 部分孔段电磁波CT探测图像

为进一步验证异常的存在，在ZK1和ZK2中再进行大功率声波CT成像，速度成像结果见图2。对比图1、2可知，2种不同成像方法异常的深度、形态基本一致，进一步证实异常的存在。同时，在大功率声波CT数据采集过程中发现，水平同步、斜同步和定点接收波列图中有波阻抗异常现象。通过对震源和接收点的相互关系分析，当声波通过一个波阻抗较大的界面时，就会出现波的转换。转换波的特点是：能量大、频率低、首波相位反相、在波阵列图上呈现较好的对称性，这种转换波的形成机制尚未有确切的解释理论。声波在没有阻抗的条件下，不产生转换波；如遇到有溶洞、断层、裂隙等情况下则会产生转换波。经过对波列合成的细致观测和分析，穿过溶洞的首波是转换波，首波没有纵波，与正常情况的纵波相比，相位反向；没有穿过溶洞的首波是纵波，纵波相位正向。

图2 部分孔段大功率声波CT探测图像

图3为实测波形图，图中的“人”字形结构的波就是转换波，转换波是以波阻抗(溶洞)为新的波源向四周传播所形成的。图4是经过连续小波变换后得到的波形图，处理的意义主要是突出转换波的特性，在溶洞异常上给人以清晰感。从图3～ 4中可以清晰知道溶洞的大体轮廓和深度位置，精确定位还需速度层析成像反演计算。从图2中可知，溶洞高度约13 m，沿洞轴线宽度约7 m。在异常的中心部位布置验证孔，钻探验证溶洞高12.98 m，宽7.8 m，与层析成像反演结果非常吻合，同时，对验证孔进行溶洞水流速测试，确定溶洞水流速、流量，最后由施工方进行高流速、大水流地下溶洞堵截工作。通过近2年的施工，完成该溶洞的封堵工作，确保了大坝的安全运行。

图3 实测波形排列

图4 处理后的波形

3.2 善泥坡水电站

善泥坡水电站位于北盘江干流中游河段，是北盘江流域综合规划中的第8个梯级电站，工程枢纽主要由碾压混凝土拱坝、坝身泄洪系统、右岸引水系统及地下厂房和生态流量小机组引水发电系统等组成。该工程防渗帷幕线长超过2 km，帷幕线出露地层主要为二叠系下统梁山组(P1l)石英砂岩夹泥页岩、栖霞组第一段(P1q1)灰岩夹泥页岩、栖霞组第二段及茅口组(P1q2+P1m)厚层至块状灰岩。其中，P1q2为强可溶岩，P1q1为弱可溶岩。

帷幕灌浆前，在帷幕线上先布置先导孔，在先导孔中采用电磁波CT实施岩溶探测，其目的是对探测到的强溶蚀带提前设计，并进行专项处理，避免施工过程中遭遇岩溶风险耽误工期。同时，也为设计确定帷幕灌浆的底界提供依据。

电磁波CT探测在中层廊道桩号0+080埋深近10 m处发现电磁波吸收系数β明显异常(β≥0.8 db/m)，判定为溶洞引起的异常。为验证异常的存在，在异常的中部位置进行竖井开挖，开挖近10m遇到溶洞，验证的结果与成像结果非常吻合。电磁波CT探测结果及现场照片见图5。

图5 电磁波CT探测结果及现场照片

4 结 语

本文通过2个典型工程实例，提出了“以钻孔电磁波CT法为主，大功率声波CT为辅” 的岩溶精确探测的方法，得到以下几点体会：

(1)受钻孔内空间的限制，钻孔电磁波仪器的功能未能做到场强和相位的全波列测量，只能进行综合场强测量，测量数据不精确，主要体现在初始场强的取值、电磁频散效应、地表侧面波校正、二次场校正等几个方面。

(2)地学层析成像技术是借鉴医学CT原理，根据射线扫描，对所得到的信息进行反演计算，重建被测范围内岩体弹性波和电磁波参数分布规律的图像，从而达到圈定地质异常体的一种地球物理反演解释方法。孔间CT属于不完全成像观测系统，测量方向仅仅限于2孔内，精度较医学CT低。

(3)由于岩溶地区的复杂性，应根据勘察性质、地质条件、技术经济等综合因素，合理制定勘测方案。物探方法只是一种间接地质勘察方法，地下岩溶地质情况还需通过钻孔来验证。传统勘测手段费时、费力、控制点稀少、信息量小，物探方法能补充传统钻探的不足，是地质勘测方法的延展。