水利水电工程设 ＤＷＲＨＥ・２０１０年第２９卷第２期 地震波ＣＴ及其应用 刘康和 摘要段伟 地震波Ｃｒ是地球物理勘探新技术新方法之一，它借鉴医学Ｃｒ之原理，利用计算机辅助层析成像技术 （Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｔ０ｍｏ ａ１）ｈｙ）来求解工程中的疑难问题，现已在许多领域得到应用，并取得了良好的应用效果。介绍了 地震波 技术的基本原理、测试技术及资料处理和成果分析等，最后给出了地震波Ｃｒ勘察的一个实例。 关键词地球物理勘探Ｐ６２ 地震波层析成像 工程勘察 Ａ 文章编号 １００７—６９８０（２０１０｝０２—００４４—０３ 中图分类号文献标识码地震波层析成像（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）技术 是现代地震数字观测技术与计算机技术相结合的产 Ｓ１ Ｓ２ 物，具有分辨率高、成果直观等特点，现已成功地 应用于岩土工程地质勘察、地下精细结构和目标体 的探测、混凝土构件和堤坝防渗墙质量检测、地基 处理或加固效果评价、铁路和高速公路路基病害探 测等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济 效益。 １Ⅳ１ ｌＮ２… 儿．ＳＭＪ Ｌ ｔ』ｖ 式中，ｆ 伪第 条射线在第． 个单元内的路径长度； Ｓ，＝１／ 为第 个单元的慢度值；ｔ 为第ｉ条射线 的走时值。 式（１）中ｆ ｔ 为已知，需要求解｜ｓ ，进而 以某水库坝址岩基勘察为实例，说明地震波 ＣＴ技术在岩体质量勘察中的应用情况，以此与同 行进行切磋，推动地震波ＣＴ技术的发展，不妥之 求得 ，即波速分布。实际上，地震波ＣＴ技术相 当于把洞间或孔间测得的首波走时，按照地震波传 播断面所划分的很小单元进行重新分配（每个单元 视为均质体），此过程相当于微分化。 处，敬请批评指正。 １基本原理 解方程（１）的方法很多，主要有以下方法：联 地震波层析成像（ＣＴ）就是用地震波数据来反 演地下介质的物质属性，并逐层剖析绘制其图像的 技术，从而达到确定大地内部的精细结构。 地震波ＣＴ成像物理量包括波速、能量衰减、 合迭代法（ＳＩＲＴ）、代数重建法（ＡＲＴ）、奇异值分解 （ＳＶＤ）、共轭梯度法（ＣＧ）、最小二乘矩阵分解 （ＬＳＱＲ）等。 由于联合迭代法（ＳＩＲＴ）收敛性好，无论方程组 超定还是欠定，都可以使用该方法求解，所以应用 较为广泛。下面主要介绍联合迭代法（ＳＩＲＴ）计算过 程。 泊松比等各种类型，成像方法可以利用直达波、反 射波、折射波、面波等各种组合，可利用钻孔、探 洞、隧道、边坡、山体、地面等各种观测条件，进 行二维、三维成像。 本文主要介绍利用波速测量进行地震波层析成 （１）用直射线方法计算各单元平均慢度值Ｓ∞’。 设某一单元内有 条射线通过，Ｚ 是其中第ｍ条 像（ＣＴ）的方法和反演原理。该法首先通过一定的 观测系统测试探洞之间或钻孔之间地震波在地质体 中的传播时间，获取大量的首波走时数据（ｔ ），然 后通过求解大型矩阵方程来获取两洞或两孔之间速 通过单元的射线长度，且其射线总长为 ，走时为 ，则通过单元所用的时间分配ｔ ＝ＴｍＺ ／Ｌ ， ｍ＝１ 条射线通过单元的总时问分配为ｆ ＝∑ｔ ，总长度 分配为ｚ ＝∑ｆ ，则该单元的平均慢度Ｓ：￡ ／１ 。 （２）用联合迭代算法（ＳＩＲＴ）校正各单元慢度值 （Ｓ）。设某一单元内共有 条射线通过，ｒ，ｍ 、 度剖面图像，根据速度剖面图像可以直观准确地判 定洞间或孔间岩体波速分布。 设在成像剖面内共测有Ⅳ条射线，首先根据 测试精度把剖面分为 个单元（网格），以射线理 论为基础的成像方法归结为求解如下方程： 分别是通过该单元的第ｍ条射线的计算走时和实 测走时，ｆ 是射线通过该单元内的长度。则分配 刘康和等・地震波ＣＴ及其应用 给该单元的走时误差ｅ ＝（ —Ｔｍ ）ｚ ／Ｌ ，ｎ条 射线通过单元内总走时误差为 ｅ ，总射线长度 ｍ：ｌ 为∑ｚ ，单元慢度．ｓ用下式校正： ｔｒｔ＝１ ｎ ｎ ５ 川＝Ｓ ＋ ￡ ／∑ｆ （２） 计算时可根据测区性质加一限制条件，使（１／ ～）＜Ｓ 川＜（１／Ｖ ）提高计算精度。 （３）重复步骤（２）并用平均相对误差 ＝（∑ ｌ —ｒ，ｍ Ｉ／ ）／ｎ×１００％来判断其收敛程度，当 很小或不在减小时即可停止计算，这时所得图像即 为地震波ＣＴ成像结果。 地震波ＣＴ的应用条件主要为：①被探测目标 体与周边介质存在波速差异；②成像区域周边至少 两侧应具备钻孑Ｌ、探洞及临空面等探测条件；③被 探测目的体应相对于扫描断面的中部，其规模大小 与扫描范围具有可比性；④异常体轮廓可由成像单 元组合构成。 ２工程实例 ２．１概况 某水电站拟建混凝土拱坝，最大坝高１８０ ｍ， 正常蓄水位８９２ ｍ，总库容４．７７６×１０８ ｍ３。坝址所 处区段河道曲折，谷底狭窄，岸坡高陡，河谷呈Ｖ 字形。谷底宽度１５～３０ ｍ，８９０ ｍ高程处宽度１８０～ ３６０ ｍ；两岸坡度大于４ｏ。～６０。，部分为陡壁，岸 高一般为２００ ２８０ ｍ，最高可达３００ ｍ。坝区断续 分布有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级侵蚀基座型阶地，沉积有冲洪 积砂卵砾石，其上多被厚度不大的风积黄土覆盖。 受构造作用影响，地层走向多变，倾向各异。 两岸岩体卸荷作用强烈，尤以近坝地段为甚，山体 上部可见有大量卸荷松动岩体，加上构造作用影 响，不利结构面相互组合，边坡稳定性不佳。 测试区内基岩岩性以中厚层灰岩为主，其节 理、裂隙密集带、构造破碎带及边坡卸荷带较为发 育。为查明坝肩岩体的质量状况，分别在坝肩开挖 有多个探洞供勘察、现场地质描述和科学试验之 用。 ２．２测试技术及资料处理 为取得洞间岩体的地震波传播时间，分别在２ 个探洞内布置地震波激发点和接收点，具体布置是 在ＰＤ１（高程８０２ ｍ）洞中每隔５ ｍ设置１个激发点， 而在ＰＤ２（高程８４０ ｍ）洞中每隔２ ｍ设置１个接收 点，完成该半边观测后，更换激发和接收探洞，并 按上述激发点和接收点距布设，直至完成另半边的 地震波测试。由野外获得的原始波形曲线资料，在 波形、相位对比的基础上，读取地震波由激发点至 接收点的传播时间，然后对全部观测时间进行系统 排列，以便进行分析反演。 由于野外开挖的探洞高程和洞身方位不同，使 得洞间地震波的传播路径可能产生很大的变异，所 以应在数据反演之前对地震波的传播路径和传播断 面进行校正计算，即首先计算２探洞激发和接收点 的空间坐标，然后校正两个不同高程、不同方位的 探洞，形成１个地震波穿透平面，进而应用联合迭 代法（ＳＩＲＴ）（即ＷＹＳ２００５工程ＣＴ反演软件）进行分 析计算，求取洞问岩体的地震波速度分布，以供地 质分析之用。 ２．３成果分析 通过实测数据的整理分析，采用直射线联合迭 代算法（ＳｍＴ）对该坝址右岸坝肩ＰＤ１～ＰＤ２（其中 ＰＤ２方位不变，ＰＤ１方位在洞深６２ ｍ处变化）洞间岩 体地震波数据进行反演计算，岩体空间成像网格单 元划分为２ ｍ×２ ｍ，迭代次数为３０次，计算残差 小于５．０％。反演结果见图１。 由洞间地震波速等值线分布图１，结合洞问岩 体地质情况，可得如下基本成果。 （１）由洞口至洞底地震波速度一般逐渐变大。 （２）洞口附近（深度一般小于１０ ｍ）地震波速度 多小于２ ０００ ｍ／ｓ，此段岩体卸荷裂隙张开、密集， 属于较破碎岩体。 （３）洞深１０～２８ ｍ地震波速度一般２ ０００～ ３ ０００ ｒｎ／ｓ，此段岩体卸荷裂隙发育，属于卸荷岩 体。 （４）洞深大于２８ ｍ至洞底，地震波速度一般 ３ ０００～６ ０００ ｍ／ｓ，属于较完整一完整岩体。 （５）在较完整一完整岩体中，由ＰＤ１（高程低） 洞深浅部一Ｐ１）２（高程高）的洞底深部存在波速相对 较低连续带，波速一般为３ ０００～４ ０００ ｍ／ｓ。而高 波速（大于５ ０００ ｒｎ／ｓ）岩体出现洞深处或两洞壁处， 呈断续分布，说明坝肩岩体的不均一性。 （６）由该对探洞地震波ｃＴ分析成果并结合洞 壁岩体地震波测试结果，判定洞问岩体风化卸荷深 度约为２８ ｍ。 ３结语 理论与实践证明，地震波ｃＴ技术在探测岩体 构造破碎带、裂隙密集带、溶蚀发育带及溶洞等地 ・４６・ 水利水电工程设计ＤＷＲＨＥ・２０１０年第２９卷第２期 ７０ ６０ ５０ 毒４Ｏ 瞑 ３０ ２Ｏ １ｏ Ｏ ０ １ｏ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ １ｏｏ １１０ Ｉ２０ 洞深／ｍ 图１ ＰＤ１～ＰＤ２洞间岩体地震波ｃＩ１成果图（单位：ｍ／ｓ） 质现象时能够发挥重要作用，不但具有快速、非破 损、高精度等优点，而且还可形象地揭示上述地质 现象的空间展布规律，取得较好的应用效果。但实 际工作中，还应注意以下几点：①探洞深度尽量大 于两探洞之间距，有利于洞间地震波激发和接收的 有效利用；②最大源检距宜小于２００ １１１，此时不但 宜过小，扇形扫描的最大角度以不产生明显断面外 绕射为原则。 参考文献 １ ＳＬ３２６－－２００５，水利水电工程物探规程［ｓ］． ２王时平．地震波层析成像技术在观音岩水电站坝址勘察中的应 用［Ａ］．工程物探论文集［Ｃ］．昆明：云南科技出版社，２００６．２６０— ２６３． 激发接收相对简单，地震波的传播路径也不复杂， 有利于反演分析；③当激发点间距大于接收点间距 时，应采用两洞互换观测系统，并保持一定数量的 ３刘康和．物探技术在水利水电工程中的应用简介［Ｊ］．水利水电 科技进展，１９９９，１９（４）：５１—５３． 作者简介 发射接收点互换；④根据地质地球物理条件、观测 系统、成像精度、分辨率和任务要求选择和建立数 学物理模型。网格单元尺寸不应小于测点间距，单 元总数不宜大于射线条数；⑤实施地震波ＣＴ时， 宜采用扇形扫描方式，射线分布均匀，交叉角度不 讯・ 刘康和 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责 任公司 天津 ３ 段伟 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责 任公司 天津３００２２２ （收稿日期２０１０—０２—２１） 欢迎订阅《灌溉与水工建筑物》 由中水北方勘测设计研究有限责任公司张宝瑞等翻译的《灌溉与水工建筑物》一书现已出版发行。本书 是巴基斯坦水资源技术委员会委员，原拉合尔工程技术大学教授，现任卡拉奇工程技术大学教授的Ｉｑｂａｌ Ａｎ 博士根据多年的科研及工程经验，为灌溉工程专业的学生、设计人员编写的一本内容全面的综合性参考书。 全面介绍了巴基斯坦现代灌溉系统工程设计的经验，较完整地反映了其灌溉设计水平，论述的范围包括灌溉 系统基本理论、设计原理和工程实践。从灌溉水源和基本水文原理开始，论述了灌溉系统中的水工建筑物以 及灌溉系统与农田管理等内容。在书的最后一章，从环境影响角度讨论了水涝、盐碱化及其应对措施。本书 定价：４９．００元，预购者，直接邮汇至《水利水电工程设计》编辑部，地址：天津市河西区洞庭路６０号，邮编： ３００２２２，联系电话：０２２－－２８７０２８５４。