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解析地球物理精细探测技术在水电工程中的具体应用 关键词：地球物理工程质量无损检测水电工程精细探测1、研究背景自20世纪90年代以来，国内水电开发处在高峰期和黄金期在水电工程建设中，地球物理探测技术也得到了长足的发展，国内外各个领域的物探新方法和新技术层出不穷，地球物理探测已成为我国水电工程地质勘察和施工质量检测的重要手段除了传统的地球物理探测方法外，诸如像医学B超、CT等先进手段也成为地球物理探测的新兴技术手段，工程人员越来越多通过这些技术手段来解决复杂多变的地质难题目前，地球物理探测技术服务于水电工程的各个阶段在前期勘察中，利用多种地球物理探测方法可以查明许多工程地质问题，并对环境岩土体质量进行探测和评估在施工期，地球物理探测已成为施工中常用的检测手段，能较好地解决隐蔽工程的质量控制，提高隐蔽工程质量验收的可靠性和科学性，从而更好地保证工程整体的质量，实现物探无损检测技术参与工程建设质量验收的目的[1-2]以B超、CT技术等为标志的现代医学影像诊断技术，能发现人体内部的病灶等问题，给人类的健康带来的福祉地球物理精细探测技术类似于医学里的B超、CT技术，通过解释声波、电磁波、电场、磁场等物理场携带的被探测对象的信息，来判断被探测对象内部的结构或存在的隐藏问题，将在水电工程前期覆盖层及不良地质体探测、施工期质量检测、运营期精细探测等方面发挥重要的作用，为水电工程建设与运营保驾护航。

2、浅层三维地震勘探技术2.1 研究背景三维地震勘探技术兴起于20世纪70年代末，在过去的几十年里，三维地震勘探在石油、天然气、煤炭等地下天然矿产资源勘探中得到了广泛的应用，但在工程浅层勘探方面目前尚未有成功的案例同浅层地震勘探目前常用的二维地震勘探相比，三维地震勘探的精度显著提高，但其野外工作方法、资料处理及解释更加复杂[3]因此，如何有效开展水电工程三维地震勘探，既是目前国内外地球物理勘探工作者普遍关注的难题，更是我国水电工程界迫切关注的课题三维地震勘探技术在水利水电勘察领域的应用，是地震勘探方法领域的一次革命，将会为大坝选址、调水线路勘察、水库病险排查等各种复杂地质问题的探测提供有力的技术支撑，极大地改善传统地球物理方法的精度并提高信号处理效率，为工程设计和施工提供更科学更直观的决策依据[4]2.2 研究成果2.2.1 建立了水电三维地震勘探的参数采集设计及优选方法(1) 参数采集设计和优选研究建立了水电三维地震勘探的参数采集设计及优选方法(见图1)主要内容为:搜集与观测系统设计有关的靶区地球物理模型参数，如双程时、叠加速度、层速度、目的层埋藏深度、地层倾角等;从覆盖次数、面元尺寸大小、最小炮检距、最大炮检距、偏移孔径以及接收线距等方面进行定量化论证，选出合适的观测系统基本参数;建立靶区三维地震地质模型，针对该模型目标区开展多种类型的观测系统设计;通过射线照明分析和波动方程照明分析对所设计的多种观测系统进行定量化评价;分析对比不同类型观测系统从而优选出最佳的观测系统。

图1 参数采集设计和优选(2) 形成了有线/无线浅层三维地震数据采集系统融合技术与传统的有线三维地震勘探技术相比，无线三维地震勘探系统所具有的特性，更适合于水电领域在复杂的地表地质和地形条件下各种地震勘探方法的数据采集前期引进了144道有线系统，后期引进了72道无线系统，一共216道，将144道有线系统与72道无线系统进行了融合，形成了216道有线/无线通用系统，实现了有线、无线混搭的技术融合(见图2)图2 有线/无线融合的浅层三维地震勘探系统2.2.2 提出了适应水电工程的静校正和速度分析的关键处理技术(1) 静校正问题的处理技术静校正问题的有效解决，是改善原始资料的信噪比、增强同相轴的连续性、获取准确速度资料的基础针对水电工程三维地震勘探数据所存在的静校正问题，提出采用层析静校正的处理技术，将近地表结构划分为若干次级地质单元(网格划分)，根据预设的初始近地表速度模型，利用拾取的初至折射波旅行时，通过多路径射线追踪技术逐步迭代寻优，反演出合理的近地表速度结构该技术能更好地适应复杂多变的实际地质情况，是目前比较理想的静校正技术(见图3~4)图3 初至拾取及层析反演原理示意图4 初至编辑及层析反演速度体(2) 速度分析的处理技术地震资料处理流程中的速度分析和面波反演地下介质横波速度均是基于水平层状介质。

其中，速度分析得到的是地下介质层位的反射时间和叠加速度，而面波反演地下介质横波速度得到的是地下层位的深度和横波速度对于浅层地震记录，在进行速度分析处理时，速度谱的拾取通常效果不好，甚至有的浅层地震资料处理流程不进行速度分析，直接使用常速度进行数据处理，从而严重影响了成像效果[5]另一方面，速度分析是对每一个共中心点进行的，浅层介质的横向速度变化大，因此速度分析的共中心点组合及间隔都不能太大，这样就造成需要分析的共中心点很多，严重降低了数据处理的效率将浅层三维地震中的面波与体波进行联合反演得到高精度的速度体，并将该数据体直接用于速度分析，不仅可以提高资料处理的效率，还能够提高地震资料处理的准确度(见图5)图5 将面波反演速度体用于反射地震资料速度分析2.3 堤防应用三维地震勘探数据采集工区位于长江某堤防该堤段在历年的大洪水中曾发生过多次重大险情，是历史上有名的险段之一该堤段除险加固工程包括垂直防渗隐蔽工程和抛石护岸工程，三维地震勘探的目的是查明基岩面形态观测系统参数为:2m道间距，6m接收线距，6条接收线，每线36道，6m炮点距，2m炮线距，总炮数为315炮三维地震勘探得到的速度体如图6所示，从图中可以看出速度体较平滑，堤身中间防渗墙清晰可见。

图6 三维地震多切面显示示意3、超声横波反射成像技术3.1 技术背景医学上采用X射线、超声波和核磁共振等方法可精确获得人体内部的图像，在工业领域中也常使用类似的方法获得高质量的无损探伤结果尽管工程领域的无损检测技术改变了隐蔽工程质量难以查明的状况，提供了一种快速、全面了解工程质量的方法，但其检测成果精度还不尽如人意目前，超声反射法是通过分析超声脉冲在缺陷表面产生的反射波来探测混凝土结构内部缺陷，并根据反射波的走时来确定缺陷的位置，但应用效果不如医学领域成熟[6]随着大体积混凝土工程的逐渐增多，对混凝土质量无损检测提出了更高的要求，传统超声波穿透法无法满足该要求，而超声反射法具有明显的优越性然而，由于混凝土材料的复杂性，超声反射法在混凝土质量检测中的应用还存在技术上的障碍，主要有以下几点:混凝土是一种极为复杂的物理介质，内部还可能含有钢筋或钢结构;混凝土结构复杂、多样，被测目标体的几何尺度很小由于换能器发射的超声波束存在一定的扩散角，而混凝土中强烈的散射使入射波束进一步发散在波束发散严重的情况下，判断反射波的传播方向十分困难，而仅凭反射波走时无法在三维空间中对缺陷进行准确定位，而超声横波反射成像技术成功解决了上述难题[7]。

3.2 检测手段在超声波法检测中，超声横波法因其指向性好、分辨率高、检测灵敏度高而被作为一种广泛使用的检测方法横波是质点振动方向与波的传播方向相垂直的一种振动，是因介质在受到交变的剪切力的作用下发生剪切形变而产生的在横波传播时，物体中质点要产生剪切变形，由于液体和气体中没有剪切弹性，因此，横波只能在固体中传播，所以当超声横波在传播过程中遇到固体－液体界面或者固体－气体界面时，不能发生透射而只在该界面发生全反射横波的速度通常约为纵波的一半，因此，相同频率时横波的波长约为纵波波长的一半，其分辨能力较纵波要高超声横波反射成像技术的基本原理是超声波在混凝土中传播时遇到了波阻抗有差异的物体，如钢筋、水体、空洞或欠密实区域等，就会产生反射波用换能器将脉冲超声波发射到混凝土中，再检测反射脉冲，就可以判断混凝土中是否存在反射体通过与混凝土的设计结构比对，排除了钢筋等造成的正常反射波以后，剩下的反射波就是混凝土内缺陷的反映该方法是近些年发展起来的混凝土质量检测新方法，和传统的超声波检测方法相比优势明显[8]3.3 工程应用(1) 夹岩水利枢纽及黔西北供水工程输水隧洞混凝土衬砌质量检测夹岩水利枢纽工程主要由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程等组成，坝址位于长江流域乌江一级支流六冲河中游、毕节市七星关区与纳雍县交界的潘家岩脚处。

水库总库容13.25亿m3，最大坝高154m为了解该工程隧洞衬砌施工质量，对黔西北供水工程总干2标、北干2标、北干4标及北干6标隧洞衬砌质量进行随机无损检测，查明隧洞衬砌质量本次采用阵列超声横波反射成像法开展隧洞衬砌混凝土回填灌浆质量调查，能反映出回填灌浆质量、新浇衬砌混凝土厚度情况及衬砌混凝土缺陷情况根据超声横波反射成像结果，验证部位出现连续横波强反射界面，异常解释为防水板表面根据BZK2钻孔录像成果及深度测量结果，在孔深31cm处孔壁见防水板材料，钻孔验证强反射界面为防水板，埋深与实际相符(见图7)图7 钻孔BZK2处检测成果图与孔内录像成果截图(2) 某渡槽混凝土空鼓深度检测某调水工程渡槽波纹管注浆不密实部位有积水，冬季水结冰后体积膨胀，在冰冻膨胀应力作用下，混凝土产生近似平行的纵向裂缝，出现空鼓现象先后有多家检测单位对空鼓进行检测，但均未成功采用超声横波成像法对指定的3个空鼓部位进行检测，检测空鼓深度分别为5，11.2cm和13.3cm经现场监理监督取芯验证，取芯结果分别为5.2，11.0cm和13.5cm，检测结果误差仅为2mm，其中第二处检测成果及取芯验证结果见图8图8 某渡槽混凝土空鼓深度检测成果及取芯验证结果4、高精度CT探测技术4.1 技术背景CT探测技术就是依据在物体外部观测到的数据建立起物体截面的图像，CT技术最先用于医学，随后拓展到其他领域。

应用地球物理领域对CT技术的研究开始于20世纪70年代初，最初是利用井下—地面、地面—井下以及井间地震观测的三维地震数据来获取砂体性质20世纪80年代初期，海湾石油公司与美国加州大学合作利用地震反射数据重建地下速度结构，在1984年亚特兰大第45届SEG(Society of Exploration Geophysicists)年会上公布了地震CT技术的研究成果过去40a中，各类CT方法及技术的发展异常迅猛，取得了一系列重大进展地球物理领域内CT主要研究如何利用弹性波(声波、地震波)、电磁波或其它场的数据对地球内部成像，其理论基础是Radon变换，从层析的意义上看，沿射线路径传播的信号累加起来了模型的某些性质，如慢度、衰减等，当多道射线路径从许多方向上传经该模型时，就可以提供出足以重建出该模型的信息[9]综观国内外研究现状，射线追踪方法的一个共同点是，首先将速度模型用矩形网格离散化，然后进行最短路径的射线追踪然而，该技术针对矩形网模型剖分适应性差、射线追踪误差较大，还有诸多缺点:模型剖分的灵活性差;对速度界面的描述精度差，速度模型和界面模型不一致;正演模拟时存储量大，计算时间长;正演模拟难度增大，误差增大，效率降低;用于层析反演时存储量大，计算时间长，方程性态差，求解困难[10]。

4.2 方法技术笔者团队研究了三角网的最小走时射线追踪算法及成像方法，克服了矩形网格参数化的一些缺点，提出了三角形网格参数化的思想，实现了高精度CT探测技术[11]相对于矩形网络参数化，三角网格参数化具有如下优点1) 模型剖分的灵活性强剖分方式非常灵活，网格大小和形状可根据探测区域外部几何形状及地下不同区域构造的复杂程度而灵活设置，构造简单的区域采用大网格剖分，。