黃鳳林

卡拉水電站上壩址平洞地震波CT探測(cè)

黃鳳林

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司 浙江杭州 310030）

采用平洞地震波CT探測(cè)方法，可以查明平洞間裂隙特征、形態(tài)、強(qiáng)卸荷位置以及拉裂縫是否連通等，為地質(zhì)人員處理壩址基礎(chǔ)提供依據(jù)。

平洞地震波CT探測(cè) 觀測(cè)系統(tǒng) 地震波波速 炸藥 破碎巖體

雅礱江卡拉水電站位于四川省木里藏族自治縣西北部的雅礱江上，壩址距木里縣城120km，距西昌市365km?？ɡ娬境鯏M上、中、下三個(gè)壩址，壩段長(zhǎng)約17.5km。工程區(qū)對(duì)外交通極為不便，沿雅礱江右岸上、中、下壩址間有新建勘測(cè)公路相通。

我公司于2010年5月2日至2010年5月16日，對(duì)卡拉水電站上壩址上壩線壩址區(qū)PD39～PD40、PD39～PD43、PD39～PD44三組平洞進(jìn)行地震波CT探測(cè)，獲得地震波射線5544條。

1 工程區(qū)地形、地質(zhì)條件

工程區(qū)位于康藏高原東南，工程區(qū)內(nèi)山川地勢(shì)呈北高南低狀，屬于大雪山脈，山峰高程多在5000m左右，相對(duì)高差多大于1000m，屬高山地貌。雅礱江在本區(qū)自北向南流，江水水面寬大（在60m以上），水流較急，河谷及其支流強(qiáng)烈侵蝕切割。

卡拉水電站上壩址上壩線基巖以變質(zhì)砂巖為主，部分測(cè)段有砂質(zhì)板巖、大理巖和含炭質(zhì)板巖。為了查明平洞間裂隙特征、形態(tài)、強(qiáng)卸荷位置以及拉裂縫是否連通等，特布置平洞地震波CT探測(cè)。

2 探測(cè)儀器、探測(cè)原理及方法

2.1探測(cè)儀器

平洞地震波CT探測(cè)使用美國的SE-24工程地震儀及配套設(shè)備。該儀器具有分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，符合物探規(guī)程對(duì)儀器參數(shù)的要求。

2.2探測(cè)原理及方法

地震波速度層析成像技術(shù)（地震波CT）是基于地震波射線理論，通過測(cè)量地震波的旅行時(shí)間，研究地震波在地層中速度場(chǎng)的變化，對(duì)地震波射線進(jìn)行追蹤反演，重構(gòu)地層數(shù)據(jù)模型。由于其原理與醫(yī)用CT相仿，故簡(jiǎn)稱地震波CT。

平洞地震波CT探測(cè)是利用位于同一平面上的兩個(gè)平洞，一個(gè)平洞激發(fā)地震波，另一個(gè)平洞接收地震波。在兩個(gè)平洞間作出大量交叉的地震波射線，讀取每條射線的地震波初至?xí)r間。把兩平洞間的斷面劃分為M個(gè)小單元，依據(jù)每一條射線的激發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)、接收點(diǎn)坐標(biāo)、地震波初至?xí)r間，遵循Fermat原理計(jì)算射線路徑，建立大型線性方程組，采用重構(gòu)模型反演擬合算法求解每一個(gè)單元地震波速度。

本次探測(cè)具體采用方法為：

（1）在PD40平洞左壁風(fēng)鉆孔孔內(nèi)激發(fā)，激發(fā)點(diǎn)距一般為2.0m，風(fēng)鉆孔孔深一般為1.5m，放炮洞段為洞深1.0～100.0m。在PD39平洞左壁接收，道間距為2.0m，接收洞段為洞深0～100.0m。

（2）在PD43平洞左壁風(fēng)鉆孔孔內(nèi)激發(fā)，激發(fā)點(diǎn)距一般為2.0m，風(fēng)鉆孔孔深一般為1.5m，放炮洞段為洞深1.0～80.0m。在PD39平洞左壁接收，道間距為2.0m，接收洞段為洞深0～100.0m。

（3）在PD44平洞左壁風(fēng)鉆孔孔內(nèi)激發(fā)，激發(fā)點(diǎn)距一般為2.0m，風(fēng)鉆孔孔深一般為1.5m，放炮洞段為洞深1.0～108.0m。在PD39平洞左壁接收，道間距為2.0m，接收洞段為洞深0～92.0m。

本次所用CT軟件采用最短路徑射線追蹤法計(jì)算理論射線，以最小二乘共軛梯度法（LSQR法）進(jìn)行反演解釋。LSQR法具有收斂快、穩(wěn)定性好、分辨率高等特點(diǎn)，而且易于用阻尼因子控制其反演成果質(zhì)量，可較準(zhǔn)確地反演出各地層的形態(tài)以及巖體中的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

地震波CT反演擬合計(jì)算結(jié)果，得到每個(gè)地層單元的波速值以及整個(gè)斷面的地層波速等值線圖。結(jié)合已有地質(zhì)資料，對(duì)斷面波速等值線圖作出合理的地質(zhì)解釋，可繪制地震波CT波速-地質(zhì)解釋成果剖面圖。平洞地震波CT探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 平洞地震波CT探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

3 資料整理及成果分析

3.1資料整理方法

（1）記錄整理。現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)做了大量的準(zhǔn)備工作，采取各項(xiàng)有效措施，使用炸藥爆破能量充足，獲得了大量的地震波原始記錄。要求原始記錄初至值清晰，質(zhì)量?jī)?yōu)良。

（2）讀取射線旅行時(shí)間。剔除個(gè)別較差的初至值，準(zhǔn)確地讀取每條有效射線的旅行時(shí)間。

（3）探測(cè)資料解釋。根據(jù)外業(yè)所取得的地震波初至?xí)r間，把每一條射線的激發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)、接收點(diǎn)坐標(biāo)和地震波初至?xí)r間輸入計(jì)算機(jī)，使用CT專用處理軟件，選取適當(dāng)?shù)膯卧叽?、擬合次數(shù)、阻尼系數(shù)等參數(shù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)多次迭代擬合運(yùn)算，最終得到合理的、擬合效果較佳的斷面地震波CT探測(cè)波速等值線分布圖，然后根據(jù)巖體完整性分類，結(jié)合平洞資料，分析兩平洞間地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，繪制平洞地震波CT探測(cè)成果解釋剖面圖。

3.2成果分析

（1）PD40～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果分析。PD40～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果波速等值線圖如圖2所示。圖3為PD40～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果解釋剖面圖。由圖3可知，PD40平洞洞深21.0～40.0m段與PD39平洞洞深0～26.0m段的較破碎巖體相連通。

圖2 PD40～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果波速等值線圖

圖3 PD40～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果解釋剖面圖

（2）PD43～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果分析。PD39～PD43平洞地震波CT探測(cè)成果波速等值線圖如圖4所示。圖5為PD39～PD43平洞地震波CT探測(cè)成果解釋剖面圖。由圖5可知，PD43平洞洞深0～23.0m段與PD39平洞洞深36.0～51.0m段的較破碎巖體相連通。

圖4 PD43～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果波速等值線圖

圖5 PD40～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果解釋剖面圖

（3）PD44～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果分析。PD44～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果波速等值線圖如圖6所示。圖7為PD44～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果解釋剖面圖。由圖7可知，PD44平洞洞深0～78.0m段與PD39平洞洞深0～ 42.0m段的較破碎巖體多處相連通。

圖6 PD44～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果波速等值線圖

圖7 PD44～PD39平洞地震波CT探測(cè)成果解釋剖面圖

4 結(jié)語

卡拉水電站壩址區(qū)平洞間拉裂縫是否連通，用平洞地震波CT探測(cè)方法取得了較好的成果資料，為地質(zhì)人員選擇壩址基礎(chǔ)處理方案提供了依據(jù)，取得了滿意的工程效果。

需要指出的是，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)用風(fēng)鉆孔放置炸藥爆炸作為震源，測(cè)試時(shí)風(fēng)鉆孔要注滿水，這樣爆炸產(chǎn)生的能量大，原始記錄初至清晰。另外，使用的炸藥要用防水炸藥，不要用硝銨炸藥，因?yàn)橛孟蹁@炸藥爆炸，洞中會(huì)有硝煙，工作環(huán)境會(huì)變壞，人在洞中無法長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，工作效率會(huì)降低。炸藥的藥量不要太大，用75g半支炸藥，如果藥量太大，風(fēng)鉆孔會(huì)炸塌，堵孔，影響下次使用。如果藥量太少，地震波原始記錄初至不清晰，會(huì)影響測(cè)試成果。

激發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)、接收點(diǎn)坐標(biāo)要準(zhǔn)確無誤，否則探測(cè)成果會(huì)影響壩址區(qū)基礎(chǔ)處理方案。另外，對(duì)于三維的平洞，兩平洞間的距離計(jì)算要用準(zhǔn)確的三維公式來計(jì)算。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.003

P631.4

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1672-2469（2014）02-0005-03

黃鳳林（1963年- ），男，高級(jí)工程師。