综合面波法分析地下空洞展布在水利工程中的应用

关镶锋，卢长伟，殷 成，滕兆育

（吉林省水利水电勘测设计研究院，长春130021）

我国西南和西北分布丰富的水利资源， 如云南金沙江，新疆奎屯河等各个流域，具有水利资源同时还盛产沙金等各种矿产，具有悠久历史。 近些年来，随着西南和西北水电项目的大型工程开发， 大部分流域段存在不同历史时期采矿遗留的地下空洞，这些空洞很多洞口已坍塌掩埋或被大径卵石回填，且地下空洞的空间展布多具随机性， 水利工程基础的隐患问题日益突出， 因而采用有效的物探技术手段查明地下空洞的空间展布情况具有重要意义。

1 探讨

（1） 地下空洞一般分布于河流两岸Ⅰ级和Ⅱ级阶地内古河道内， 也多分布在第四系地层与基岩接触部位。 河谷地貌多呈宽缓U型，局部为深槽V型，普遍下切深度5～80m， 工程勘探条件受河谷地形地貌约束较大。

（2） 采矿遗留地下空洞多呈方形或拱形， 洞宽一般1～2m，高度一般1～2.5m，规模不大，分布纵横交织且有支洞、竖井连接，洞底两侧有时候多用漂卵石支护，一般埋深在0～100m范围，规律性极差。

（3） 地球物理特性看， 地下空洞主要位于河流冲积物中，部分洞室被地下水淹没，洞室所在处冲积层多被扰动，形成坑道洞、坍塌区、回填区等复杂存在形式， 洞与周边的原态岩层存在巨大的物理密度差异［1］（回填部分要小些）。

目前能采纳的工程物探有效方法主要有：

探地雷达法：目前有效探测深度0～20m［2］，浅层探测效果较好。低频强功率发射天线效果不明显，如果探测目标规模小，旁侧影响会掩盖掉目标体信号，且缺乏有力的数据处理方法，连测数据采集速度一般，成像数据图像不精细。

高密度多波列地震影像法： 勘测深度与排列长度呈正比，目前有效探测深度0～20m，范围圈定有较好效果。 抗干扰能力弱，很难获得定量深度解释，暂时只能进行相关分析、频谱分析等，还没有非常有效的数据处理与反演方法。

高密度电阻率法：目前有效探测深度0～100m之间，地形影响、体效应影响仍明显存在［3］。 由于是直流电法，探测低阻（地下空洞被水填充时）异常时，受一定高阻屏蔽影响［4］。 断面也可能是因地形起伏太大、测线盲区等影响因素，反演结果因此可能未能反演出真正地下空洞分布情况和规模。

微重力探测：目前探测到地表深度0～200m空洞（溶洞、地下空洞等），探测大于20m2以上规模空洞效果较好。运输和野外操作不方便，地球重力场不均匀性的影响有时会超越观测的允许误差， 目前缺乏有效的校正措施。

大地电磁测深： 经过人工场源解决了场源弱和多变性问题，但增加了工作难度［5］，探测浅层上存在盲区， 深层效果较好且对低阻（地下空洞被水填充时）异常反应较敏感，但较粗糙和体积效应明显。 对高阻地下空洞（不被水填充），也具有较好的探测效果， 目前探测深度20～500m之间有效， 因分别率较低，规模太小效果不佳。

瞬变电磁法：（Transient Electromagnetic Method，简称TEM法），目前经常用于浅部10～150m之间探测，野外发射圈单匝一般小于4万m2范围。 对低阻（地下空洞被水填充时） 异常反应敏感， 对高阻地下空洞（不被水填充），也具有较强的探测能力，对野外场地要求较高，且分别率较低。

地震层析成像技术：（地震CT（Computerized Tomography）技术）自1971年Bois等作了井间地震波透射成像的研究［6］以来，已取得了很大进展。 目前对探测空洞（溶洞、地下空洞等）有较好效果，但是深度由钻井深度控制，且井间距不宜大于20m，不宜大规模布置。

浅层地震反射法：目前锤击有效的探测深度0～80m之间， 再深如果没有好的激震源也不会取得令人满意的探测效果（尤其在第四系松散层中）。 仪器设备还有待进一步改进，如尽可能采用附有压制干扰结构的高灵敏度检波器，并采用各种有效的组合方式等；目前该方法数据处理的软件很多，但如何有效排除干扰，提高有效反射信号，取得理想的地质效果，是控制浅层地震反射法能成功应用的关键环节。

2 数据处理和质量控制

数据处理同地震背景噪声处理一致， 包括每一台数据的预处理（如图1）、计算和叠加各台之间互相关函数、提取相应的频散曲线（如图2）、每台数据的H/V约束曲线（如图3）、误差分析、S波相速度的层析成像［7，8］和最后进行二维结构反演（如图4）。

图1 数据预处理—恢复高频信号、压制低频信号

图2 提取频散曲线

图3 H/V约束曲线

图4 S波相速度层析成像和二维结构反演

数据质量控制主要有仪器采集前同步一致性试验 （如图5）、H/V数据1，2，4，8h，5d稳定性对比观测（如图6）、分辨可恢复性试验（如图7）及数据处理的人工筛选和误差分析、残差情况（如图8）等。

3 工程实例

某大型水利工程根据地质测绘统计， 坝址区右岸古河道发现14条地下空洞，其中9条位于坝基轮廓线范围内，主洞长度15～171m，最长424m，有支洞或竖井。 地下空洞多呈方形或拱形，洞宽一般1～2m，高度一般1～2.5m，多采用漂卵石支护方式，且大部分洞段存在垮塌，分布规律性极差。

图5 仪器一致性观测

图6 H/V数据稳定性观测

图7 理论模型恢复模型

图8 数据残差

图9 工程天然面波测网和S波相速度层析成像和二维结构反演

在已知钻孔信息的测线中， 如图9推测地下空洞的异常区同钻孔异常区吻合（如图10）。 根据异常区的分析，推测出7处可能存在地下空洞的位置及其影响范围如表1。

图10 测线工程地质剖面

表1 可能存在地下空洞的位置及其影响范围单位：m

4 结语

（1）地下空洞经过多次不确定采矿遗留，其开挖过程，回填，坍塌，形成影响区的范围和空间展布，有其复杂性和随机性， 工程中要了解清楚有很大技术难度。 面对水利工程中的类似工程地质问题我们同时探讨了八种工程物探技术方法， 每一种技术方法有其独特的技术应用边界条件， 有其能解决的问题范围同时又具有其局限性。 目前综合面波法具有野外作业便捷，两侧盲区小；受地形地貌，场地电磁，地下水和噪音等干扰极少；数据完整分辩率高，有效探测深度0～200m。 就天然地质条件、埋深、规模及地球物理特性等边界条件进行比较， 本文采用技术方法较理想。

（2）数据处理通过各测站数据进行二维S波相速度的联合反演，突破了以往面波一维S波速反演获取层速度，采用H/V约束，获得更有效的地层界面数据，更可靠地划分沉积基底和沉积层结构， 以及沉积层中地下空洞的空间分布特征。

（3）系统介绍了综合面波法并通过探测地下空洞空间展布的实例，体现该方法优越性、 准确性， 分析结果同已有钻孔信息对比， 得到了较好验证， 获得较好的探测效果。 该方法可适用于地下管廊、巨型管道、废矿坑巷道、岩溶溶洞、地下河、孔穴、煤矿等采空区及规模较小的软岩夹层、地质构造断裂、断层、破碎带等S波速度异常体的勘察和研究。