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        地球物理測井在福州地鐵2號線勘察中的應用

        2016-11-17 08:50:55楊文明
        福建交通科技 2016年5期
        關鍵詞:伽馬波速號線

        ■楊文明

        (福建省交通規(guī)劃設計院,福州 350004)

        地球物理測井在福州地鐵2號線勘察中的應用

        ■楊文明

        (福建省交通規(guī)劃設計院,福州350004)

        地球物理測井是在地鐵勘察中配合鉆探及土工試驗劃分地層,確定地層物理特性的有效手段。本文結合福州地鐵2號線勘察,列舉了剪切波測井、電阻率測井、井溫測井、自然伽馬測井四種方法的基本原理、使用方式、成果處理及效果。

        測井地鐵勘察剪切波電阻率井溫自然伽馬

        0 概述

        福州市位于福建省東南沿海,經(jīng)濟發(fā)展迅速,城市交通壓力大,在建的地鐵1號線南北方向貫穿城區(qū),擬建控制性的福州地鐵2號線與1號線相交,近于西北至東南方向,沿線場地地貌單元主要為沖、淤積平原地貌,工程地質(zhì)分區(qū)屬沖、淤積區(qū),存在較厚的軟土淤泥及砂層,局部還存在卵石層,因而勘察要求較高,需要多種勘察手段配合完成。筆者在福州地鐵2號線勘察中采用地球物理綜合測井方式并取得了良好的效果。

        下面按采用測井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分述如下:

        1 剪切波測井

        其主要目的是配合鉆探劃分場地土類型和類別。

        剪切波測井常規(guī)是采用單孔檢層法(扣板法):即利用放置到鉆孔中的傳感器接收由地面敲擊扣板產(chǎn)生的P、S波信號到達時間(初至),來確定鉆孔所處地層波速的一種方法。該方法需配備地面振源,受場地條件限制,在城市堅硬地面(水泥地面、公路等)、水上和水田內(nèi)開展工作有一定難度;測試較深鉆孔時,由于波傳播距離長,信號衰減嚴重,有時多次疊加也難以取得滿意的測試結果;由于施工場地干擾較多,使得波形復雜,對非專業(yè)技術人員來說,資料處理工作有一定的難度。為降低上述環(huán)境干擾,本工程的剪切波測井采用XG—I懸掛式波速測井系統(tǒng),如 圖1所示。

        懸掛式波速測井方式所測波速對應于兩道接收檢波器(相距1m)所在的平均深度,儀器的工作過程如下:將震源和接收檢波器置于鉆孔中,以井液作為耦合劑,用電磁震源垂直于井壁作用一瞬時沖擊力,經(jīng)過井液耦合,此時在井壁地層中產(chǎn)生兩種類型質(zhì)點振動,一種是質(zhì)點振動方向垂直于井壁,沿井壁方向傳播,稱為剪切波 (橫波);另一種是質(zhì)點振動方向與傳播方向相同,稱為壓縮波(縱波),位于震源下方的兩個相距1m的檢波器接收沿井壁地層傳播的剪切波信號并轉換成電信號,主機對信號進行數(shù)據(jù)處理后采用兩道互相關分析方法,自動判讀剪切波在兩道檢波器間傳播的時間差,從而計算出兩道間的剪切波傳播速度。同時原始波形圖及自動計算的結果顯示在微機顯示屏上[1],如圖2所示。

        圖1 XG—I懸掛式波速測井系統(tǒng)

        圖2 試驗孔現(xiàn)場波速測試結果

        懸掛式波速測井由于震源靠近接收檢波器,信號較強,可有效地壓制其它干擾波,采用一發(fā)兩收裝置,避免了震源——儀器系統(tǒng)的延時引起的波速計算誤差,提高了波速測試的精度。

        表1為本工程各土層的剪切波速統(tǒng)計表,表2及表3為部分鉆孔分別按《建筑抗震設計規(guī)范》和《鐵路工程抗震設計規(guī)范》標準判斷的場地類別。

        表1 各巖土層剪切波速表

        表2 部分鉆孔場地類別判定表(《建筑抗震設計規(guī)范》)

        表3 部分鉆孔建筑場地類別判定表(《鐵路工程抗震設計規(guī)范》)

        2 電阻率測井、井溫測井、自然伽馬測井

        這三種測井方式采用JGS-1B智能工程測井系統(tǒng),其系統(tǒng)構成及連接示意圖如圖3所示。

        JGS-1B綜合數(shù)字測井系統(tǒng)由測井主機、手搖絞車、探管、電腦連線組成。各部分作用如下:

        測井主機:提供井下探管的工作電流,記錄和處理測井的深度信號及探管的測量信號。

        圖3 JGS-1B智能工程測井系統(tǒng)構成示意圖

        探管:測量地層的物性參數(shù)并將其轉化為電信號。手搖絞車:控制絞車做測井探管的下降和提升。

        筆記本電腦:用作測井參數(shù)的設置和測井曲線的實時顯示及后續(xù)的各種曲線處理。

        2.1電阻率測井

        其目的是測定地層的視電阻率,為供電等專業(yè)提供設計依據(jù),同時視電阻率也是判定土體對金屬腐蝕性的輔助參數(shù)。

        廣義的電阻率測井是指以巖石、礦石電性為基礎的一組測井方法,包括視電阻率測井、微電極測井、側向測井等測井方法。本工程采用的測井方式為普通電阻率測井中的倒裝電位電極系,示意圖見圖4。視電阻率:

        圖4 倒裝電位電極系

        當MN→∞,AN→∞,則可看做AN=MN,且VN=0,ΔVMN=VM-VN=VM

        所以

        AM、I一定后,Ra與M的電位VM成正比,因此該電極系稱為電位電極系。

        值得注意的是:在實際測量中M與N的距離不可能為無窮大,但如果MN/AM≥19時,這樣的電極系與理想電位電極系之間的誤差小于5%,仍可近似看做理想電位電極系[2]。

        2.2井溫測井

        其目的是提供地鐵設計時結構溫度應力、暖通設計等所需的溫度參數(shù)。

        井溫測井采用電阻式溫度儀,其傳感器為鉑金屬熱敏電阻,它由于其物理、化學性質(zhì)非常穩(wěn)定,其線性度最好,能把溫度變化引起的電阻變化轉換成電壓信號輸出。

        式中,K為儀器常數(shù),表示電阻每變化一個單位時,溫度的變化值。測出的曲線也叫梯度井溫曲線,即溫度隨深度的變化曲線。

        本次采用的電阻式溫度計所測溫度的絕對精度為

        0.2℃,分辨率高,完全滿足規(guī)范0.5℃的要求。

        2.3自然伽馬測井

        其目的是測定地層的天然放射性輻射參數(shù)。

        自然伽馬測井原理如圖5所示,其測量過程如下:

        圖5 自然伽馬測井原理圖

        圖6 鉆孔MBZ2-A11綜合測井成果曲線

        (1)γ射線探測器探測到地層的γ射線,并將γ射線變換成電脈沖信號 (每一道γ射線變換成一個負脈沖信號)。

        (2)此脈沖信號送入井下放大器進行放大。

        (3)井下放大器放大的脈沖信號送入地面的放大器再進行放大 (原因是脈沖信號通過電纜之后會有些衰減)。

        (4)由于脈沖信號中混合一些干擾信號,需經(jīng)過鑒別器進行鑒別,排除干擾。

        (5)將一些畸變的脈沖信號送入整形器進行整形。

        (6)歸一化的波形送入計數(shù)電路記錄單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)。

        本工程采用二級刻度的R411自然伽馬探管,其探測器為碘化鈉晶體,提供成果的測量單位為API。

        JGS-1B智能工程測井系統(tǒng)采集的原始曲線數(shù)據(jù)經(jīng)記錄點對齊 (將所測參數(shù)的記錄點位置由參考深度移到真實深度)及數(shù)值計算(通過相應探管的標定系數(shù)將測井的原始數(shù)據(jù)轉換成標準單位的真實值)兩個主要處理步驟,最終成果以CAD輸出成圖。

        圖6為鉆孔MBZ2-A114的綜合測井成果曲線,其中電阻率測井、井溫測井、自然伽馬測井測點距為0.1m,剪切波測井測點距為1m。

        由圖6可以看出,井溫曲線變化平緩,其數(shù)值與地層無關;電阻率、自然伽馬、剪切波速三條曲線的變化趨勢與各地層深度對應良好,但由于不同的的測井方式反映不同的地層物性指標,其變化趨勢又不盡相同。

        3 結語

        (1)地球物理測井在地鐵勘察中是一種有效的勘察手段,可以為設計提供可靠的地層物性參數(shù)。

        (2)電阻率測井對地層電阻率細微變化反映敏感,可以輔助鉆探進行巖性分層。

        (3)地表一定深度范圍內(nèi)土體溫度主要受大氣影響,井溫在地表以下10m范圍內(nèi)受大氣溫度影響較為敏感,因此變化幅度較大,10m以后趨于穩(wěn)定。

        (4)由于放射性元素的衰變規(guī)律:同一地層測得的放射性強度不會恒定,在放射性源強度不變、測量條件不變的情況下,在相等的時間間隔內(nèi),重復觀測放射性強度,每次記錄的數(shù)值不同,總是在某一數(shù)值(平均值)上下波動,即放射性漲落現(xiàn)象。

        [1]梅新忠,王振德,王晨光.工程勘察中懸掛式波速測井方法的應用.工程勘察,2006(S1).

        [2]潘和平,馬火林,蔡柏林,等.地球物理測井與井中物探.科學出版社,2009,4.

        [3]GB 50307-2012,城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范[S].中國計劃出版社,2012.

        圖4 優(yōu)化后的綜合布置三維建模效果圖

        圖4中放樣管路數(shù)量少且布置緊湊,整體布局上有條不紊。設備的操作、維修空間均留出了足夠的距離,且有三個人員通道可以直接到達任何一臺設備附近。只在原布置圖上稍做調(diào)整,優(yōu)化后的設備布置圖卻給管系放樣帶來了相當大的自由度,完全解決了圖2中存在的問題。

        優(yōu)化機艙綜合布置是一個反復調(diào)整的過程,管系放樣與設備布置需緊密銜接,相互協(xié)調(diào),發(fā)現(xiàn)問題相互反饋,對可預見性的隱患及時進行清理,使優(yōu)化效果螺旋上升,逐步得到比較合理的布置方案。

        5 結束語

        通過對實船優(yōu)化機艙綜合布置前后的分析對比,論述了設備間相互關系分析對優(yōu)化機艙綜合布置的影響及優(yōu)化方案的可行性,并取得了良好的實際效果。機艙綜合布置不僅受主觀因素影響,而且還隨著船型的變化而變化,但萬變不離其宗,只要掌握相應的分析的方法,積累一定的對比分析經(jīng)驗,找到便捷、可靠的優(yōu)化方案還是有章可循。

        參考文獻

        [1]朱樹文.船舶動力裝置原理與設計.上海交通大學出版社,1985.

        [2]中國船舶工業(yè)總公司.船舶設計實用手冊(輪機分冊).國防工業(yè)出版社,1999.

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