第４８卷第３期 ２ ０ １ ７年２月 文章编号：１００１—４１７９（２０１７）０３—００５７—０４ 人 民 长 江 Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｖ０１．４８．Ｎｏ．３ Ｆｅｂ．，２０１７ 微动勘探技术在水库大坝隐患探测中的应用 程建设 ，李 鹏２ （１．江西省瑞昌市水利局，江西瑞昌３３２２００； ２．长江勘测规划设计研究院长江地球物理探测（武汉）有限 公司，湖北武汉４３００１０） 摘要：微动探测可用于探测目标区域的地下空洞、活动断裂、覆盖层厚度、基岩面形态以及溶洞等。以江西九 江高泉水库为例，详细介绍了现场微动勘探的测线布置、数据采集、数据处理分析、成果解释。实践表明：微动 勘探技术是一种简便、快捷、对观测环境无特殊要求同时又不破坏环境的地球物理勘探方法，能够对病险水库 大坝的隐患进行及时和有效的探测，并对堤坝隐患治理提供精确指导。 关键词：微动勘探技术；大坝隐患；病险水库 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１６２３２／ｊ．ｃｎｋｉ．１００１～４１７９．２０１７．０３．０１２ 中国法分类号：ＴＶ６９７ 水库大坝是重要的挡水建筑物，大致可分为混凝 问题造成防渗体渗水，坝下涵管管壁与坝体接触部位 土坝和土石坝，其中土石坝主要依靠坝体自重维持稳 定，并在防渗体的防护下减少渗透水量。然而由于自 然的原因或者施工中的质量问题等，会引发各种各样 的大坝隐患，比如生物破坏造成的洞穴、空隙、裂缝等， 或者由于技术落后造成选址不当，在不适合建坝的地 区（如岩溶发育区）建设大坝形成天然的隐患，这些都 由于设计或施工等原因发生接触冲刷，浆砌石坝砌体 不密实，上游防渗面板混凝土裂缝、止水破坏等，或者 是坝体处于岩溶发育区等，这些隐患的物性差异不尽 相同，单独采用一种物探方法进行探测，都可能会造成 误诊或者漏诊，因此对于水库大坝的隐患探测，需要采 用多种地球物理方法进行综合的数据分析和解释。 在这些地球物理方法技术中，微动勘探技术是一 种在国内来说比较新型的物探技术。该技术在国外的 历史比较久，早在２０世纪５０年代，Ａｋｉ（１９５７）就利用 会致使水库大坝不能够安全有效运行。如何快速有效 地探查隐患，有的放矢地对水库大坝进行除险加固处 理，一直是物探工作的重要内容。 我国水库大坝隐患排查的方法主要有地质钻探、 人工探视和地球物理探测３种。地质钻探只是一孔之 见，人工探视观察的是大坝表象，难以达到隐患排查目 的。地球物理探测具有快速、连续扫描、代表性广等优 点，因而受到广泛重视。针对大坝隐患探测，国内许多 单位和学者做了大量的相关工作，采用电法、电磁法、 空间自相关法从微动信号中提取面波频散曲线…。 Ｃａｐｏｎ（１９６９）使用频率一波数法从微动数据中提取面 波频散曲线 。随后在接下来的几十年中，微动的研 究与实际应用联系了起来，研究目标也逐渐从浅部延 伸到地球深部。如今，在美洲、欧洲和日本等国家和地 区，微动勘探在无损检测和场地评价中的应用日益广 弹性波法、流场法及放射性等地球物理探测已取得了 大量的应用成果。研究和实践表明，水库大坝的隐患 泛。近年来，国内微动勘探方法也逐渐得到应用。 ２００９年，徐佩芬等把微动技术应用到煤矿采空区陷落 柱的勘探 ；刘永勤等（２０１０）利用微动技术在北京地 类型多种多样，如防渗体不满足规范要求或施工质量 收稿日期：２０１６—０９—０９ 基金项目：２０１６年湖北省博士后创新岗位基金“水库大坝渗漏精细探测方法技术研究”；中国地质大学（武汉）地球内部多尺度 成像湖北省重点实验室２０１６年度开放基金（ＳＭＩＬ一２０１６—０４）；长江地球物理探测（武汉）有限公司自主科研项目 （ＷＴＣＸ２０１５Ｚ０４） 作者简介：程建设，男，主要从事水库运行与水利工程建设与管理工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉｅｅｈｊｊ＠１６３．ｔｏｍ 通讯作者：李 鹏，工程师，博士，主要从事地震资料处理和解释工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｐｅｎｇ２＠ｃｊｗｓｊｙ．ｔｏｍ．ｃｎ ５８ 人 民 长 江 铁９号线、昌平线及济南地区拟规划地铁进行了地下 空间自相关系数为空间自相关函数在所有方向上 的平均，即 １ ： 空洞、活动断裂、孤石等方面的勘察 ；张建清等 （２０１６）在武汉地铁利用二维微动剖面探测覆盖层厚 度及基岩面形态 。可以看出，微动勘探技术在工程 勘察领域具有广泛的应用前景。 微动勘探技术的特点是快速、便捷，尤其是不需要 采用额外的震源，只需要采集得到自然界和人类的生 Ｐ（ ） Ｊ （ｒ， ， ）ａｏ 上式的积分结果可表示为 ｐ（ ）＝ （ ） （２） （３） 产活动等产生的震动，并从这些震动信息中提取出有 用的信息用于地球物理数据反演和处理，从而推断出 式中，Ｊ。（ ）是第一类零阶贝塞尔函数，／３（ ）为面波 相速度。从式中可见，空间自相关系数是面波相速度 地下介质的速度结构。本文以江西九江高泉水库为 例，运用微动勘探技术对缺陷进行探测。 １测区概况 高泉水库位于江西省九江市，介于瑞昌市和德安 县之间。高泉水库始建于１９６９年，１９７７年开始蓄水 投入运行，是一座以灌溉为主，兼顾防洪调蓄、水力发 电等功能的中型水库。大坝为土石坝，轴线上游侧为 均质土体，下游为堆石体，坝坡为干砌块石护坡。溢洪 道位于大坝右岸，为开敞式，坝下放空涵管位于坝右 端，灌溉发电隧洞位于大坝左岸山体内，放空泄洪隧洞 位于大坝左岸山体灌溉发电隧洞左侧。 坝体或坝基中存在渗流的部位通常含水量较大， 渗流流经部位通常是不良地质体或工程隐蔽缺陷导致 的，而不良地质体和工程隐蔽缺陷与周围介质存在明 显的波阻抗差异。这种差异是地球物理勘探与检测的 必要物理前提，针对这种物性差异采用微动法进行探 测，再通过综合对比分析，可对大坝隐患分布特征进行 解释、判定。 ２微动勘探技术方法原理 ２．１ 空间自相关法提取相速度频散曲线 从微动数据中提取频散曲线的方法主要有频率波 数法（Ｆ—Ｋ法）和空间自相关法（ＳＰＡＣ法和ＥＳＰＡＣ 法）等。其中ＳＰＡＣ法仅适用于圆形台阵（如图１，位 于圆心的接收点为中心点，其余接收点等角度分布于 圆周上）观测，而ＥＳＰＡＣ法结合了ＳＰＡＣ法和Ｆ—Ｋ法 的优点，适用于任意形状的台阵（图２）。 Ａｋｉ在１９５７年提出了ＳＰＡＣ方法，根据空间自相 关系数和零阶第一类贝塞尔函数的关系计算面波相速 度。其基本原理是¨ ，对于一个圆形台阵，其中心点 Ｃ（０，０）与圆周上的任一接收点 （ｒ，０）接收的角频 率为 的面波信号分别为 （０，０，Ｗ， ）和 （ｒ，０，Ｗ， ｔ），则其空间自相关函数为 （ｒ，０，纠）＝Ｍ（０，０，Ｗ，ｔ）ｕ（ｒ，０，Ｗ，ｔ） （１） 和频率的函数，通过拟合可以导出面波相速度。 一。： ．．．． ・．’‘ ． ．／ ＼ 。‘’・＇ｒ检波点 ． ．● ／ － ’‘ 图１圆形台阵 ，检波点 ● Ｉ ’检波点 ‘。。’———＇ ——‘－一一’ ●．一．一，一．一．十一．一．， ．一．一， 图２非圆形台阵 ＥＳＰＡＣ法和ＳＰＡＣ法的数据处理流程相同，只是在用 第一类零阶Ｂｅｓｓｅｌ函数拟合时，ＥＳＰＡＣ法是通过台阵 关系与空间自相关系数进行拟合获得频散曲线。 ２．２频散曲线反演 和主动源面波法一样，一旦从微动面波中提取了 频散曲线，接下来就可对频散曲线进行反演以获取横 波速度结构。 ３野外数据采集 在大地电磁法和高密度电法的整体探测前提下， 确定了左坝区为渗漏探测重点区域。因此，微动法的 测区主要集中在左坝区，分别在左坝区上游马道、坝顶 以及下游马道布置了多条测线。试验采用美国ｓＩ公 司的Ｓ—ＬＡＮＤ高保真度三维地震勘探数据采集系统 和２．５ Ｈｚ低频检波器，使用一个３６道检波器的数据 采集节点。测线布置情况如图３所示，根据现场条件 ６０ 人 民 长 江 ４ ６ ８ ０ ２ ４ ６ ８ ２０１６丘 。； 蚋 ４．２微动探测目标区域隐患 ２３５ ２３０ ２２５ ８为使用圆形台阵对目标区域溶洞进行探测的 成果，视Ｓ波速度剖面 中黑色圆圈区域为一个低速 ｛２２０ 坦２ｌ５ 异常区，推断该异常为溶洞，经钻孔验证与本结论相 符。 ２１０ ２Ｏ５ ５ 结论 ５ １０ １５ ２０ ２５ ｘ／ｍ ２ｏ０ ３０ ３５ ４０ ４５ ／（ ｓ 本文使用微动勘探技术在水库大坝进行了隐患探 测，针‘对现场地质条件设置了不同的观测台阵，分析了 探区已知目标和未知目标在微动视ｓ波速度剖面上的 图６微动探测视ｓ波速度剖面图【放空泄洪洞） 反映。分析结果表明，微动勘探技术是一种简便、快 ｆ二＝＝ ■■■■■■■■■ —ｊ Ｕ ｌ、ｉ● 捷、对观测环境无特殊要求同时又不破坏环境的地球 ｉ ｜、ｉ● ２２０ Ｅ ㈨＇ｊ ９＿、 ３ ０ 物理勘探方法，能够对病险水库大坝的隐患进行及时 Ｏ 掣 恒 瓣嚣 豁 一 和有效的探测。 参考文献： ［１］ Ａｋｉ Ｋ．Ｓｐａｃｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｗａｖｅｓ，ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｍｉｅｒｏｔｒｅｍｏｒｓ［Ｊ］．Ｂｕｌ１．Ｅａｒｔｈｑ．Ｒｅｓ．１ｎｓｔ．，１９５７， ３５：４１５—４５６． 图７ 微动探测视ｓ波速度剖面图（灌溉发电洞） ［２ ｊ Ｃａｐｏｎ Ｊ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｔｉ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｔｌ】ｌａｒｇｅ ａｒｒａｙ 距离／珂 ｓｅｉｓｍｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，１９６９。５８：７６０—７７０． ［３］ 徐佩芬，李传金，凌蛙群，等．利用微动勘察方法探测煤矿陷落柱 三 詈三三品暑暑三暑暑暑詈 暑蠹暑詈Ｉ２＝霉 器是磊罱 导吊器器鐾蓦２ ＇ｓ（ｍ／ｓ ［Ｊ］．地球物理学报，２００９，５２（７）：１９２３一Ｉ９３０． ［４］ 刘永勤，廖远国，李学专，等．微动探测技术在轨道交通工程勘察 中的应用研究［Ｊ］．工程勘察，２Ｏ１０（Ｓ１）：１—１１． ［５］ 张建清，熊永红，，等．微动勘探技术在城市轨道交通勘察中 的应用［Ｊ］．人民长江，２０１６，４７（１）：３９—４２． 【６］ 赵东．被动源面波勘探方法与应用［Ｊ］ 物探与化探，２０１０，３４ （６）：７５９—７６４． 图８溶洞探测成果图 （编辑：赵凤超） Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏ ｔｒｅｍｏｒ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｎｄ ｄａｍ ｌａｔｅｎｔ ｈａｚａｒｄｓ ＣＨＥＮＧ Ｊｉａｎｓｈｅ‘ＬＩ Ｐｅｎｇ ，（１．Ｒｕｉｃｈａｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｊｉａｎｇｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｒｕｉｃｈａｎｇ ３３２２００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈａｎｇｆｉａｎｇ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ＆ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．（Ｗｕｈａｎ），Ｃｈａｎｇｆｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙ，Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｗｕｈａｎ ４３００ １ ０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｍｉｃｒｏ ｔｒｅｍｏｒ ｅｘｐｈ）ｒａｔｉｏｎ ｔｅｅｈｎｉｑｕｅ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃａｖｉｔｙ，ａｃｔｉｖｅ ｆａｕｌｔ，ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ｂｅｄｒｏｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｈａｐｅ，ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ｉｎ ｏｂｊｅｃｔ ｒｅｇｉｏｎ．Ｔａｋｉｎｇ Ｇａｏｑｕａｎ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｉｎ Ｊｉｕｊｉａｎｇ Ｃｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ｆｏｒ ｅｘ— ａｍｐｌｅ，ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｌｉｎｅ ｌａｙｏｕｔ，ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏ ｔｒｅｎｌｏｒ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．１＇ｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｍｉｃｒｏ ｔｒｅｍｏｒ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ａ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｑｕｉｃｋ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｎｏ ｓｐｅｃｉａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｃａｕｓｅｓ ｎｏ ｄａｍａｇｅ ｔｏ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｌｌ ｔｉｍｅｌｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｄｅｔｅｃｔ ｌａｔｅｎｔ ｈａｚａｒｄｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｄｅｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ａｎｄ ｄａｍｓ ａｎｄ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｈａｚａｒｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｉｃｒｏ ｔｒｅｍｏｒ；ｌａｔｅｎｔ ｈａｚａｒｄｓ ｏｆ ｄａｍｓ；ｄｅｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ
