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高精度跨孔层析成像技术在大坝注浆实时监测中的应用

跨孔层析成像方法与原理

地震层析成像应用于最少两个孔之间。在其中一个钻孔中以一定的点距（视勘察所需分辨的目的体的大小而定）逐点激发地震波，而在另一个钻孔中以相同的点距用传感器逐点（或各点同时）接收同一震源点激发的地震波信号，并用仪器将地震波形信号记录下来，从而构成跨孔地震 CT 成像激发、接收观测系统。

跨孔层析成像系统

跨孔地震层析成像能够提供高空间分辨率的P波和S波地震波速图像，主要用来描绘地质结构，其用途包括但不限于以下领域：

探测地下岩溶、古洞、空洞、埋设物、矿区采空区；查明地下构造；渗透带、水流通道和方位，圈定破碎带位置和范围；建筑物地基、铁路公路路基等不良地质体监测、水电站、核电站选址勘查；桩基质量检测、库坝灌浆幄幕和高喷防渗板墙质量检测，水库、坝基检漏等

                  地下破碎带探测                                              喀斯特岩溶探测

一般的，跨孔层析成像方法主要用于静态探测，或者工程前后的对比监测，但该方法在场地条件允许的情况下，是可以在保持较高精度的前提下，以较快的速度进行短时间间隔的快速时空断面连续测量的。

以下面的案例来做说明

案例背景

某水电站位于四川省理县境内，枢纽工程主要由砾石土心墙堆石坝、左岸旋流竖井泄洪洞及放空洞、右岸18.7公里长引水隧洞及地下厂房等组成。2008年“5.12”汶川地震后，大坝河床廊道底部出现裂缝，两岸沉降缝产生变形并有局部渗水现象。自2012年9月开始水库第二阶段蓄水以来，大坝变形和渗漏量等明显偏大，坝基廊道已出现偏转和压剪破坏且裂缝、渗水量仍在持续增大。

经过对大坝综合勘察，对大坝坝体和坝基检测分析，初步诊断为心墙局部存在渗漏通道，坝基灌浆廊道混凝土与防渗墙接触部位存在渗漏通道，廊道基础覆盖层及周边高塑性接触黏土局部存在空腔。经过多次专家咨询会商，确定了在大坝心墙内新建防渗墙，并与原坝基防渗墙通过搭接灌浆的方式形成防渗体系的治理方案。

方案设计：

根据前期物探勘测成果，认为坝体存在大量不密实区域，需要全面灌浆加固，我们的测试场地选定在左岸，计划分两个区块进行，每个区块打3个25m孔，勾三股四玄五的直角三角形排列，其中直角顶点为注浆孔，斜边端点为测试孔，测试方法为跨孔地震层析成像和孔中雷达交替进行，注浆前和注浆后后各测量一次，注浆过程中每完成3m深度的注浆，中断注浆，各交替测量一次。

演示过程：

因测试场地限制，我们只进行了一对孔的测量，震源孔测深为-25.5m，接收孔深度为-24m，共完成9组测量。

其中，注浆前和注浆后为精细测量，每次测量两遍，第一次接收孔中水听器链放至孔底即-24m处，震源孔中SBS42探头从-25.5m深度每次上提0.5m至提出水面，第二次与第一次相似，但水听器链较第一次上提0.5m，这样就保证了接收端和发射端均为0.5m分辨率。

注浆过程中为监测测量，每完成3m注浆后中断注浆，此时进行跨孔层析成像的测量。接收孔的BHC5水听器链为24道1m间隔，覆盖深度为-24m至-1m，在注浆前后的测量中，各测量两组，震源激发序列不变，水听器链第二次上提0.5m，使接收端和激发短的覆盖步长均为0.5m，在注浆过程中，每次测量一组，水听器链不动。

                               注浆前测量排列                                                                                             注浆后测量排列                                                                     注浆中测量排列（5次测量）
                            

数据处理与成果分析

跨孔地震层析数据流程如下图所示，本次数据处理中，所有剖面的边界条件均相同，成图规格和显示等级均统一。

本次测试所获得7幅波速剖面如下所示，依次进行分析：

说明：所有波速剖面呈不规则四边形，左侧为接收测，右侧为激发侧，两侧有效范围取决于接收有效波形的深度与震源最大提升高度。

注浆前该波速剖面整体呈X状分布，左侧（接收测）-19m至-22.5m处和右侧（激发侧）-10m至-17m存在大范围低速团块，核心区波速范围在900m/s左右，其面积约占整个剖面的三分之一，左上角和右下角存在高速区，核心区波速范围在1700-1800m/s左右，其余区域为低速区和高速区的过渡区。

分析：上述现象可能的原因如下：1. 相关位置确实存在空洞或不密实区；2. 套管与孔壁接触不密实；3. 两者皆有。

注浆过程中共完成4次测量，随着注浆工作的进行，原有波速剖面低速区范围，由左向右逐渐缩小，波速提升， 原有低速区由左向右逐渐消失。

分析：浆液在左侧注入，由左向右逐渐渗透，渗入区域密度增大，波速上升，尚未渗入的不密实区范围减小，随着时间推移，已经注浆的区域浆液凝固，波速上升。

注浆后12小时，此时速度剖面整体形态与注浆前相似，呈X状分布，但左侧低速区接近消失，右侧低速区核心波速升高至1100m/s左右，原有高速区形态基本没变，但核心波速降低至1500m/s左右。

分析：左侧浆液沉淀并凝固，右侧浆液可能有部分流失，在一定程度上也起到了填充作用，但效果不如左侧部分。

总结与展望

1. 本次测试突破了0.5m步长跨孔层析成像的施工和数据处理方法，掌握了准实时监测灌浆的理论和方案设计。

2. 通过对注浆前后反演速度剖面的分析，注浆前观测区存在两块低速区，注浆后低速区面积大大减小，波速升高；

3. 通过对注浆过程中反演速度剖面的分析，可清晰地观察到注浆的过程，流向，效果等表征，可较好的掌握注浆进度；

4. 跨孔地震层析成像技术一般用于静态检测，本次实验证明该手段在外界条件的辅助下，确实可以达到动态监测的效果，如果能够广泛的总结经验和规律，可开创一种全新的注浆实时监测方法。

使用设备：

本案例中所使用的设备为德国Geotomographie出品的IPG跨孔层析成像系统，主要由IPG5000震源供能器，SBS42孔中P波震源及BHC5水听器链组成，该系统在400m以浅范围的充水孔内实现高精度跨孔层析成像探测。

其中，IPG5000脉冲发生器和SBS42孔中P波震源组成的震源系统，具有1.快速测量（每分钟10次以上）；2.信号稳定性（重复性）；3.安全性好；4.可操作深度较大（400m）等特点。而BHC5水听器链，具有精度高，频带宽，可订制参数，内置合成信号测试等特点，近年来在国内有较好的接受度。

IPG5000脉冲发生器                                                                                

                                                                                                       SBS42孔中P波震源         

BHC5水听器链