电磁波CT在工程地质岩溶勘察中的应用

陈洋 冯伟 张威

摘要：岩溶、裂隙发育带对地质工程带来了巨大的经济和安全隐患，在对探测对象不造成损伤的情况下，电磁波CT技术是工程物探中用来探测岩溶发育的一种有效方法。本文通过多个工程实例，论述了电磁波CT技术在岩溶发育规模勘察中的应用，为工程地质岩溶探测提供了重要的依据。

关键词：电磁波CT;岩溶探测;碳酸盐岩

1、前言

喀斯特地貌在中国分布非常广，其集中分布于桂、黔、滇等省区，川、渝、湘、晋、甘、藏等省区部分地区亦有分布。对于西南省份，岩溶、裂隙及岩石破碎发育带常常给地质工程带来了巨大经济和安全隐患。一般的岩溶探测，往往采用钻探工程地质勘察和其他常规物探方法。但由于钻孔布置数量和密度的影响，相邻钻孔之间或钻孔附近的岩溶往往无法被发现;采用常规物探方法时，也常常对岩溶发育的规模无法精细刻画。

20世纪80年代以来，地学层析技术的开始崭露头角，相关学者与专家的研究使得高频电磁波和地震波一样应用的层析成像观测中，通过对介质对电磁波的吸收系数和速度分布的图像构建，使的电磁波CT技术应用到工程地质勘察中来。因钻孔电磁波CT技术是对孔间介质进行全方位的扫描，具有数据量大、精度高的优点，数据成果可以清晰直观的展现钻孔之间电磁波吸收的空间规律，故电磁波CT技术在解决岩溶、裂隙及岩石破碎发育带等不良地质构造方面具有明显的优势。

2、基本原理

钻孔电磁波CT技术基本原理借助于医学CT技术。医学CT技术是利用X射线扫描人体切面，经计算机处理显示人体病灶的精确图像。电磁波CT使用的地下电磁波仪，采用对称偶极天线发射电磁波，在其辐射场中采用鞭状天线接收电磁波的幅值场强，这种天线在射线光学近似下，电磁波在有耗介质中的衰减幅值转输方程可表示为：

根据Radon变换，吸收系数β（r）可以由它的无穷多个Radon变换式（2-2）唯一重建。在观测区域进行全方位的无穷多次观测是不现实的，只能在有限的角度范围进行有限次观测，但目前的一些反演方法，仍可較好地重建岩体的吸收系数或波速图像。井间电磁波CT观测方式为，在一孔激发，另一孔单道或多道接收。采集方式有同步、钭同步、定点扇形等观测方式，当钻孔较深时，可先用同步或斜同步方式扫描测量，在发现异常孔段采用扇形测量方式确定异常的位置及规模。

通过改变激发点和接收的位置，组成密集交叉的射线网络（如图1），然后根据射线的疏密程度及成像精度划分规则的成像单元，运用射线追踪理论，采用的反演计算方法形成被测区域的吸收系数或波速图像（如图2），根据图像中吸收系数来划分岩体质量、确定地质构造及软弱岩带的空间分布。

3、资料解释

通常情况下，在岩溶发育地区，当地下洞穴为充填型洞穴时或裂隙破碎带发育时，电磁波被洞穴（含泥或充水）吸收而能量衰减，强度减弱，反映为射线强度低异常，在反演剖面上表现为高视吸收系数;反之，当地下洞穴为空洞时，反映为射线强度高异常，在反演剖面上表现为低视吸收系数;完整基岩因其完整性较好，在反演剖面上同样表现为低视吸收系数。通过钻探了解工区工程地质资料，便可有针对性的进行电磁波CT成果资料解释。

4、工程实例

4.1 输水隧洞工程岩溶探测

某输水工程为水环境治理及城市供水优化配置工程中的一个子工程，主要任务为调整水厂的取水水源，保障某市供水用量及质量，同时为护城河上游补水，改变护城河饮用水源作为景观用水的现状，降低下游水厂水源地环境风险，保证饮用水安全。该输水线路上碳酸盐类岩层出露面积占测区地层总出露面积的60%左右。在洞轴线桩号5+621～6+674段，隧洞埋深10～30m，埋深较浅，该段地层为三叠系中统白云岩、泥质白云岩及泥岩互层，下统厚层白云岩，隧洞穿过地区地表有泉点、水塘、水沟分布，地下水丰富，以及受岩体溶蚀风化、断层带影响，围岩稳定性差，开挖中可能出现冒顶、岩溶塌陷等现象。为查明相关地质情况，布置两对钻孔，孔间距为24m，探测结果经数据处理后得到的反演色度图见图3、图4。

图3  某输水工程CT1-CT2钻孔电磁波CT成果解释图

根据钻孔资料结合电磁波CT反演结果，吸收系数在0.01～0.4之间的岩体节理裂隙较发育，完整性较好，为背景值。吸收系数0.4～0.7之间的岩体节理裂隙、溶蚀裂隙发育，完整性较差。0.7以上的岩体溶蚀裂隙发育，岩体破碎，完整性差，局部可能发育较大规模的泥水充填岩溶。从图3中可以看出剖面CT1-CT2区间段发育两处岩石破碎带：①浅地表高程1120-1145m间，②CT2孔下方高程1100-1110段;从图4中可以看出剖面CT55-CT1区间段发育四处岩石破碎带：①CT55孔下方高程1130-1145m段，②CT55孔下方高程1100m处，③③CT1孔下方高程1145m处，④CT55孔下方高程1100-1125m段。破碎带内岩体完整性差，局部可能发育较大规模泥水充填岩溶，为隧洞安全施工提供资料依据，提前进行相关安全措施处理。

4.2 水库工程渗漏岩溶通道探测

在西南岩溶地区修库建坝，必须有完整而可靠的防渗设施，才能保证大坝的施工安全与可靠运转。帷幕灌浆技术就是水工建筑岩体处理中常用而重要的一种工程措施。但是帷幕灌浆处理过程中常常存在渗漏缺陷，使得防渗帷幕无法起到应有的作用。电磁波CT技术可以精确探测防渗帷幕线岩体完整性及岩溶破碎带、节理裂隙发育带等发育规模及分布情况，为防渗帷幕灌浆设计工作提供定量参数。

某水库2015年下闸蓄水，于2016年蓄水至高程1316m处时，左岸防渗帷幕开始渗水，为查明渗水点附近防渗帷幕的下方不良地质结构发育情况，布置四个钻孔开展电磁波CT探测，探测成果见图5。

根据电磁波CT反演色度图，剖面上出现2个电磁波高吸收系数异常带：①从钻孔ZKSII3-1深度2-5米位置，向下一直延伸至钻孔ZKSII3-4深度13-21米位置;②从钻孔ZKSII3-1深度25-32米位置，向下一直延伸至钻孔ZKSII3-2深度25-37米位置。电磁波在通过这些区域能量衰减较快，结合地质情况分析，推测这2个异常带可能发育顺层溶蚀破碎带，岩体完整性相对较差，破碎带内可能存在渗漏通道。

5、结论与认识

电磁波CT技术应用于地下岩溶探测具有良好的探测效果，弥补钻孔之间的地质信息少的缺陷，结合钻孔资料可以较为直观的查明地下岩溶、裂隙及岩石破碎发育等不良地质构造，为下一步的工程设计提供更为详尽可靠的地质资料。该方法与技术相比较与常规勘察手段具有明显的快速、省钱的优越性，且采集数据量大、分辨率高，在工程地质勘察中有广阔的应用场景。

同时在现场工作中，需先进行试验，选择合适的工作频率。在资料解释过程中，因电磁波吸收系数为相对值，异常判别时应结合钻孔资料和相关地质情况，对目标异常体表现出来的特征进行综合分析，降低物探成果的多解性。

参考文献

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