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高精度跨孔層析成像技術在大壩注漿實時監(jiān)測中的應用

跨孔層析成像方法與原理

地震層析成像應用于最少兩個孔之間。在其中一個鉆孔中以一定的點距（視勘察所需分辨的目的體的大小而定）逐點激發(fā)地震波，而在另一個鉆孔中以相同的點距用傳感器逐點（或各點同時）接收同一震源點激發(fā)的地震波信號，并用儀器將地震波形信號記錄下來，從而構成跨孔地震 CT 成像激發(fā)、接收觀測系統(tǒng)。

跨孔層析成像系統(tǒng)

跨孔地震層析成像能夠提供高空間分辨率的P波和S波地震波速圖像，主要用來描繪地質結構，其用途包括但不限于以下領域：

探測地下巖溶、古洞、空洞、埋設物、礦區(qū)采空區(qū)；查明地下構造；滲透帶、水流通道和方位，圈定破碎帶位置和范圍；建筑物地基、鐵路公路路基等不良地質體監(jiān)測、水電站、核電站選址勘查；樁基質量檢測、庫壩灌漿幄幕和高噴防滲板墻質量檢測，水庫、壩基檢漏等

                  地下破碎帶探測                                              喀斯特巖溶探測

一般的，跨孔層析成像方法主要用于靜態(tài)探測，或者工程前后的對比監(jiān)測，但該方法在場地條件允許的情況下，是可以在保持較高精度的前提下，以較快的速度進行短時間間隔的快速時空斷面連續(xù)測量的。

以下面的案例來做說明

案例背景

某水電站位于四川省理縣境內，樞紐工程主要由礫石土心墻堆石壩、左岸旋流豎井泄洪洞及放空洞、右岸18.7公里長引水隧洞及地下廠房等組成。2008年“5.12”汶川地震后，大壩河床廊道底部出現裂縫，兩岸沉降縫產生變形并有局部滲水現象。自2012年9月開始水庫第二階段蓄水以來，大壩變形和滲漏量等明顯偏大，壩基廊道已出現偏轉和壓剪破壞且裂縫、滲水量仍在持續(xù)增大。

經過對大壩綜合勘察，對大壩壩體和壩基檢測分析，初步診斷為心墻局部存在滲漏通道，壩基灌漿廊道混凝土與防滲墻接觸部位存在滲漏通道，廊道基礎覆蓋層及周邊高塑性接觸黏土局部存在空腔。經過多次專家咨詢會商，確定了在大壩心墻內新建防滲墻，并與原壩基防滲墻通過搭接灌漿的方式形成防滲體系的治理方案。

方案設計：

根據前期物探勘測成果，認為壩體存在大量不密實區(qū)域，需要全面灌漿加固，我們的測試場地選定在左岸，計劃分兩個區(qū)塊進行，每個區(qū)塊打3個25m孔，勾三股四玄五的直角三角形排列，其中直角頂點為注漿孔，斜邊端點為測試孔，測試方法為跨孔地震層析成像和孔中雷達交替進行，注漿前和注漿后后各測量一次，注漿過程中每完成3m深度的注漿，中斷注漿，各交替測量一次。

演示過程：

因測試場地限制，我們只進行了一對孔的測量，震源孔測深為-25.5m，接收孔深度為-24m，共完成9組測量。

其中，注漿前和注漿后為精細測量，每次測量兩遍，第一次接收孔中水聽器鏈放至孔底即-24m處，震源孔中SBS42探頭從-25.5m深度每次上提0.5m至提出水面，第二次與第一次相似，但水聽器鏈較第一次上提0.5m，這樣就保證了接收端和發(fā)射端均為0.5m分辨率。

注漿過程中為監(jiān)測測量，每完成3m注漿后中斷注漿，此時進行跨孔層析成像的測量。接收孔的BHC5水聽器鏈為24道1m間隔，覆蓋深度為-24m至-1m，在注漿前后的測量中，各測量兩組，震源激發(fā)序列不變，水聽器鏈第二次上提0.5m，使接收端和激發(fā)短的覆蓋步長均為0.5m，在注漿過程中，每次測量一組，水聽器鏈不動。

                               注漿前測量排列                                                                                             注漿后測量排列                                                                     注漿中測量排列（5次測量）
                            

數據處理與成果分析

跨孔地震層析數據流程如下圖所示，本次數據處理中，所有剖面的邊界條件均相同，成圖規(guī)格和顯示等級均統(tǒng)一。

本次測試所獲得7幅波速剖面如下所示，依次進行分析：

說明：所有波速剖面呈不規(guī)則四邊形，左側為接收測，右側為激發(fā)側，兩側有效范圍取決于接收有效波形的深度與震源最大提升高度。

注漿前該波速剖面整體呈X狀分布，左側（接收測）-19m至-22.5m處和右側（激發(fā)側）-10m至-17m存在大范圍低速團塊，核心區(qū)波速范圍在900m/s左右，其面積約占整個剖面的三分之一，左上角和右下角存在高速區(qū)，核心區(qū)波速范圍在1700-1800m/s左右，其余區(qū)域為低速區(qū)和高速區(qū)的過渡區(qū)。

分析：上述現象可能的原因如下：1. 相關位置確實存在空洞或不密實區(qū)；2. 套管與孔壁接觸不密實；3. 兩者皆有。

注漿過程中共完成4次測量，隨著注漿工作的進行，原有波速剖面低速區(qū)范圍，由左向右逐漸縮小，波速提升， 原有低速區(qū)由左向右逐漸消失。

分析：漿液在左側注入，由左向右逐漸滲透，滲入區(qū)域密度增大，波速上升，尚未滲入的不密實區(qū)范圍減小，隨著時間推移，已經注漿的區(qū)域漿液凝固，波速上升。

注漿后12小時，此時速度剖面整體形態(tài)與注漿前相似，呈X狀分布，但左側低速區(qū)接近消失，右側低速區(qū)核心波速升高至1100m/s左右，原有高速區(qū)形態(tài)基本沒變，但核心波速降低至1500m/s左右。

分析：左側漿液沉淀并凝固，右側漿液可能有部分流失，在一定程度上也起到了填充作用，但效果不如左側部分。

總結與展望

1. 本次測試突破了0.5m步長跨孔層析成像的施工和數據處理方法，掌握了準實時監(jiān)測灌漿的理論和方案設計。

2. 通過對注漿前后反演速度剖面的分析，注漿前觀測區(qū)存在兩塊低速區(qū)，注漿后低速區(qū)面積大大減小，波速升高；

3. 通過對注漿過程中反演速度剖面的分析，可清晰地觀察到注漿的過程，流向，效果等表征，可較好的掌握注漿進度；

4. 跨孔地震層析成像技術一般用于靜態(tài)檢測，本次實驗證明該手段在外界條件的輔助下，確實可以達到動態(tài)監(jiān)測的效果，如果能夠廣泛的總結經驗和規(guī)律，可開創(chuàng)一種全新的注漿實時監(jiān)測方法。

使用設備：

本案例中所使用的設備為德國Geotomographie出品的IPG跨孔層析成像系統(tǒng)，主要由IPG5000震源供能器，SBS42孔中P波震源及BHC5水聽器鏈組成，該系統(tǒng)在400m以淺范圍的充水孔內實現高精度跨孔層析成像探測。

其中，IPG5000脈沖發(fā)生器和SBS42孔中P波震源組成的震源系統(tǒng)，具有1.快速測量（每分鐘10次以上）；2.信號穩(wěn)定性（重復性）；3.安全性好；4.可操作深度較大（400m）等特點。而BHC5水聽器鏈，具有精度高，頻帶寬，可訂制參數，內置合成信號測試等特點，近年來在國內有較好的接受度。

IPG5000脈沖發(fā)生器                                                                                

                                                                                                       SBS42孔中P波震源         

BHC5水聽器鏈