高精度跨孔層析成像技術(shù)在大壩注漿實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
跨孔層析成像方法與原理
地震層析成像應(yīng)用于最少兩個(gè)孔之間。在其中一個(gè)鉆孔中以一定的點(diǎn)距（視勘察所需分辨的目的體的大小而定）逐點(diǎn)激發(fā)地震波，而在另一個(gè)鉆孔中以相同的點(diǎn)距用傳感器逐點(diǎn)（或各點(diǎn)同時(shí)）接收同一震源點(diǎn)激發(fā)的地震波信號(hào)，并用儀器將地震波形信號(hào)記錄下來，從而構(gòu)成跨孔地震 CT 成像激發(fā)、接收觀測(cè)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(zhì)結(jié)構(gòu)，其用途包括但不限于以下領(lǐng)域：
探測(cè)地下巖溶、古洞、空洞、埋設(shè)物、礦區(qū)采空區(qū)；查明地下構(gòu)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(zhì)體監(jiān)測(cè)、水電站、核電站選址勘查；樁基質(zhì)量檢測(cè)、庫壩灌漿幄幕和高噴防滲板墻質(zhì)量檢測(cè)，水庫、壩基檢漏等
地下破碎帶探測(cè) 喀斯特巖溶探測(cè)
一般的，跨孔層析成像方法主要用于靜態(tài)探測(cè)，或者工程前后的對(duì)比監(jiān)測(cè)，但該方法在場(chǎng)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(jìn)行短時(shí)間間隔的快速時(shí)空斷面連續(xù)測(cè)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(nèi)，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(xiàn)裂縫，兩岸沉降縫產(chǎn)生變形并有局部滲水現(xiàn)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(xiàn)偏轉(zhuǎn)和壓剪破壞且裂縫、滲水量仍在持續(xù)增大。
經(jīng)過對(duì)大壩綜合勘察，對(duì)大壩壩體和壩基檢測(cè)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(chǔ)覆蓋層及周邊高塑性接觸黏土局部存在空腔。經(jīng)過多次專家咨詢會(huì)商，確定了在大壩心墻內(nèi)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(shè)計(jì)：
根據(jù)前期物探勘測(cè)成果，認(rèn)為壩體存在大量不密實(shí)區(qū)域，需要全面灌漿加固，我們的測(cè)試場(chǎng)地選定在左岸，計(jì)劃分兩個(gè)區(qū)塊進(jìn)行，每個(gè)區(qū)塊打3個(gè)25m孔，勾三股四玄五的直角三角形排列，其中直角頂點(diǎn)為注漿孔，斜邊端點(diǎn)為測(cè)試孔，測(cè)試方法為跨孔地震層析成像和孔中雷達(dá)交替進(jìn)行，注漿前和注漿后后各測(cè)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(cè)量一次。
演示過程：
因測(cè)試場(chǎng)地限制，我們只進(jìn)行了一對(duì)孔的測(cè)量，震源孔測(cè)深為-25.5m，接收孔深度為-24m，共完成9組測(cè)量。
其中，注漿前和注漿后為精細(xì)測(cè)量，每次測(cè)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(cè)測(cè)量，每完成3m注漿后中斷注漿，此時(shí)進(jìn)行跨孔層析成像的測(cè)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(cè)量中，各測(cè)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(cè)量一組，水聽器鏈不動(dòng)。
注漿前測(cè)量排列 注漿后測(cè)量排列 注漿中測(cè)量排列（5次測(cè)量）
數(shù)據(jù)處理與成果分析
跨孔地震層析數(shù)據(jù)流程如下圖所示，本次數(shù)據(jù)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(jí)均統(tǒng)一。
本次測(cè)試所獲得7幅波速剖面如下所示，依次進(jìn)行分析：
說明：所有波速剖面呈不規(guī)則四邊形，左側(cè)為接收測(cè)，右側(cè)為激發(fā)側(cè)，兩側(cè)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(cè)（接收測(cè)）-19m至-22.5m處和右側(cè)（激發(fā)側(cè)）-10m至-17m存在大范圍低速團(tuán)塊，核心區(qū)波速范圍在900m/s左右，其面積約占整個(gè)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?yàn)榈退賲^(qū)和高速區(qū)的過渡區(qū)。
分析：上述現(xiàn)象可能的原因如下：1. 相關(guān)位置確實(shí)存在空洞或不密實(shí)區(qū)；2. 套管與孔壁接觸不密實(shí)；3. 兩者皆有。
注漿過程中共完成4次測(cè)量，隨著注漿工作的進(jìn)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(cè)注入，由左向右逐漸滲透，滲入?yún)^(qū)域密度增大，波速上升，尚未滲入的不密實(shí)區(qū)范圍減小，隨著時(shí)間推移，已經(jīng)注漿的區(qū)域漿液凝固，波速上升。
注漿后12小時(shí)，此時(shí)速度剖面整體形態(tài)與注漿前相似，呈X狀分布，但左側(cè)低速區(qū)接近消失，右側(cè)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(cè)漿液沉淀并凝固，右側(cè)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(cè)部分。
總結(jié)與展望
1. 本次測(cè)試突破了0.5m步長跨孔層析成像的施工和數(shù)據(jù)處理方法，掌握了準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌漿的理論和方案設(shè)計(jì)。
2. 通過對(duì)注漿前后反演速度剖面的分析，注漿前觀測(cè)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(duì)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(jìn)度；
4. 跨孔地震層析成像技術(shù)一般用于靜態(tài)檢測(cè)，本次實(shí)驗(yàn)證明該手段在外界條件的輔助下，確實(shí)可以達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的效果，如果能夠廣泛的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，可開創(chuàng)一種全新的注漿實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。
使用設(shè)備：
本案例中所使用的設(shè)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(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度跨孔層析成像探測(cè)。
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(cè)量（每分鐘10次以上）；2.信號(hào)穩(wěn)定性（重復(fù)性）；3.安全性好；4.可操作深度較大（400m）等特點(diǎn)。而BHC5水聽器鏈，具有精度高，頻帶寬，可訂制參數(shù)，內(nèi)置合成信號(hào)測(cè)試等特點(diǎn)，近年來在國內(nèi)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
