李圣林， 胡澤安， 吳海波

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，淮南 232001)

0 引言

巖溶地區(qū)高速鐵路建設(shè)等重要民生工程面臨的巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害日益廣泛和頻繁，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響[1-4]。以往巖溶異常探測(cè)的傳統(tǒng)方法是鉆孔取芯，該方法比較直觀，但存在明顯的缺點(diǎn)，很難取得較好的效果。而物探方法具有簡(jiǎn)便、快速、成本小等優(yōu)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確確定溶洞的分布范圍[5]。就隱伏巖溶問(wèn)題，常用的物探方法有瞬態(tài)瑞雷面波法、地質(zhì)雷達(dá)、電阻率成像等[6-8]，與其他物探方法相比，瞬態(tài)瑞雷面波法具有分辨率高、受場(chǎng)地影響小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[9]。但是應(yīng)用瞬態(tài)瑞雷面波法探測(cè)隱伏溶洞能否取得理想的效果，除了需要采集到高信噪比的面波資料，對(duì)資料進(jìn)行精準(zhǔn)、高效的處理與解釋也是至關(guān)重要的。

上世紀(jì)90年代，瞬態(tài)瑞雷面波法開(kāi)始廣泛應(yīng)用于巖土工程勘察及其相關(guān)領(lǐng)域，取得了較好的應(yīng)用效果[10]。但瞬態(tài)瑞雷面波法對(duì)于隱伏溶洞的具體響應(yīng)特征研究還不成熟，迄今為止，大部分研究主要集中在方法的野外探測(cè)應(yīng)用，如李海等[11]利用瑞雷面波法在某鐵路進(jìn)行了路基隱伏溶洞探測(cè)工作方法與技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理的應(yīng)用研究，說(shuō)明了該方法應(yīng)用的可靠性；武斌等[12]利用多道瞬態(tài)面波法對(duì)某巖溶體探測(cè)工程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了瑞雷波法在解決灰?guī)r工程中的應(yīng)用效果；趙衛(wèi)楚等[13]利用瞬態(tài)瑞雷面波法結(jié)合地震映像法、高密度電法對(duì)某高速公路進(jìn)行了巖溶探測(cè)研究，有效查明了灰?guī)r地區(qū)巖溶的發(fā)育情況；密士文等[14]利用瞬態(tài)瑞雷面波法結(jié)合瞬變電磁法對(duì)某隧道進(jìn)行了隱伏洞體探測(cè)研究，取得了較好的效果；孫柏林等[15]利用TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)某隧道的充填型溶洞進(jìn)

圖1 兩層介質(zhì)起伏界面模型示意圖及模擬第二炮頻散曲線Fig.1 Schematic diagram of two-layer dielectric undulating interface model and simulation of second-shot dispersion curve(a)模型示意圖；(b)V-D曲線

行了探測(cè)應(yīng)用研究，探測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)鉆探結(jié)果吻合較好；祝建農(nóng)等[16]利用瞬態(tài)瑞雷面波法對(duì)某鐵路多個(gè)過(guò)渡段進(jìn)行了路基勘察探測(cè)研究，成功評(píng)價(jià)了過(guò)渡段路基承載力情況；劉偉等[17]利用高密度電法、高精度重力法、地震反射法和主動(dòng)源面波法對(duì)調(diào)查區(qū)土洞及淺部巖溶發(fā)育情況進(jìn)行了對(duì)比探測(cè)研究，結(jié)果表明主動(dòng)源面波法對(duì)淺部溶洞的探測(cè)效果最佳；鄭智杰等[18]利用高密度電法、主動(dòng)源面波法及微動(dòng)法對(duì)某巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行了對(duì)比探測(cè)研究，查明了該區(qū)巖溶塌陷的成因及溶洞發(fā)育狀況，結(jié)果表明主動(dòng)源面波法對(duì)淺部溶洞的探測(cè)效果最佳。但以上研究中，都未給出較為明確的隱伏溶洞瑞雷面波響應(yīng)特征。

基于此，筆者針對(duì)巖溶地區(qū)工程建設(shè)過(guò)程中面臨的巖溶塌陷問(wèn)題，利用有限差分法進(jìn)行隱伏溶洞瞬態(tài)瑞雷面波法數(shù)值模擬，并結(jié)合貴廣高速鐵路某段既有線路隱伏溶洞現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，探討了瞬態(tài)瑞雷面波對(duì)隱伏溶洞的響應(yīng)特征，為瞬態(tài)瑞雷面波法探測(cè)隱伏溶洞精準(zhǔn)解釋提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

溶洞按照填充狀態(tài)可分為兩類(lèi)：①填充型溶洞，②無(wú)填充型溶洞。本研究針對(duì)兩種溶洞類(lèi)型共設(shè)計(jì)了三種模型進(jìn)行瞬態(tài)瑞雷面波法數(shù)值模擬，模擬計(jì)算采用有限差分法。

本次模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：采樣時(shí)間0.5 s；采樣間隔0.2 ms；采用2 0Hz的雷克子波震源；炮間距為2 m；道間距為2 m；最小偏移距為4 m；采用彈性波動(dòng)方程進(jìn)行模擬運(yùn)算，完全匹配層(PML)吸收邊界條件。

圖2 兩層介質(zhì)起伏界面模型面波相速度剖面圖Fig.2 Surface wave phase velocity profile of two-layer fluctuating interface model

1.1 兩層介質(zhì)起伏界面模型

該模型主要針對(duì)工程實(shí)際中基巖以裂隙灰?guī)r為主，但無(wú)明顯巖溶發(fā)育的情況。模型尺寸為100 m×50 m。

該模型設(shè)計(jì)為兩層介質(zhì)類(lèi)型：粘土及裂隙灰?guī)r，主要以縱波速度、橫波速度以及密度三個(gè)物性參數(shù)對(duì)模型介質(zhì)進(jìn)行表征，具體模擬參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 兩層介質(zhì)起伏界面模型模擬參數(shù)

采用多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每一排列的中心點(diǎn)為該排列的有效觀測(cè)點(diǎn)，第二炮排列中心點(diǎn)位置為L(zhǎng)=17 m，該位置在深度10 m處介質(zhì)發(fā)生改變，選取該點(diǎn)即第二炮記錄進(jìn)行分析。圖1(b)為提取的V-D曲線，觀察圖1(b)，發(fā)現(xiàn)在深度10 m

圖3 充填溶洞模型示意圖及模擬結(jié)果Fig.3 Filling cave model diagram and simulation results(a)V-D曲線；(b)模型面波波速剖面圖

處頻散曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)(圖中方框圈定位置所示)，該處拐點(diǎn)為較為簡(jiǎn)單的“之”字型扭曲，面波傳播發(fā)生頻散，說(shuō)明該處位置介質(zhì)發(fā)生改變，與模型設(shè)計(jì)完全吻合。

圖2為兩層介質(zhì)起伏界面模型面波相速度剖面圖，顏色從冷到暖對(duì)應(yīng)為速度從低到高。將圖2與模型示意圖對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)模型中基巖面發(fā)生變化的位置剖面圖中也有相對(duì)應(yīng)的變化，分界面吻合較好，所以瑞雷面波法對(duì)不同介質(zhì)分界面反應(yīng)明顯且容易區(qū)分。

1.2 兩層介質(zhì)起伏界面充填溶洞模型

該模型主要針對(duì)工程實(shí)際中基巖下發(fā)育有隱伏充填溶洞的情況。模型尺寸為100 m×50 m，在(35,12)處設(shè)計(jì)有充填溶洞。

該模型設(shè)計(jì)為三層介質(zhì)類(lèi)型：粘土、裂隙灰?guī)r以及充填溶洞，主要以縱波速度、橫波速度以及密度三個(gè)物性參數(shù)對(duì)模型介質(zhì)進(jìn)行表征，具體模擬參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 充填溶洞模型模擬參數(shù)

觀察圖3(a)發(fā)現(xiàn)，頻散曲線深度11 m位置處頻散曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)(圖中方框圈定位置)，面波傳播發(fā)生頻散，該處位置介質(zhì)發(fā)生改變。觀察發(fā)現(xiàn)，模型1中發(fā)現(xiàn)的較為簡(jiǎn)單的“之”字型拐點(diǎn)，與該處位置出現(xiàn)的拐點(diǎn)有明顯的區(qū)別，得出溶洞位置拐點(diǎn)“之”字型更為形象明顯。圖3(b)為模型面波相速度剖面圖，圖中實(shí)線圈定區(qū)域?yàn)榈玫降奶畛淙芏次恢茫搮^(qū)域相對(duì)于周?chē)鶐r速度底，但比上覆粘土層速度高，說(shuō)明瑞雷面波法對(duì)于隱伏充填溶洞有較好的探測(cè)效果。

表3 空溶洞模型模擬參數(shù)

1.3 兩層介質(zhì)起伏界面空溶洞模型

該模型主要針對(duì)工程實(shí)際中基巖下發(fā)育有隱伏空溶洞的情況。模型在(35,12)處設(shè)計(jì)有空溶洞。

該模型設(shè)計(jì)為三層介質(zhì)類(lèi)型：粘土、裂隙灰?guī)r以及空溶洞，主要以縱波速度、橫波速度以及密度三個(gè)物性參數(shù)對(duì)模型介質(zhì)進(jìn)行表征，具體模擬參數(shù)見(jiàn)表3。

觀察圖4(a)發(fā)現(xiàn)，頻散曲線在深度10m位置處出現(xiàn)較為形象明顯的“之”字形拐曲(圖中方框圈定位置所示)，面波傳播發(fā)生頻散。圖4(b)為模型面波相速度剖面圖，實(shí)線圈定區(qū)域?yàn)榈玫降目杖芏次恢茫搮^(qū)域速度較周?chē)鶐r及上覆粘土層速度低。由此得出，隱伏空溶洞對(duì)瑞雷面波的響應(yīng)特征是較粘土層及基巖均為低速。

1.4 瑞雷面波的隱伏溶洞響應(yīng)特征

經(jīng)過(guò)以上模擬結(jié)果可以看出，瞬態(tài)瑞雷面波法對(duì)基巖面以及隱伏溶洞有較好的探測(cè)效果，得出瑞雷面波對(duì)兩種隱伏溶洞的響應(yīng)特征(表4)。

圖4 空溶洞模型模擬結(jié)果Fig.4 Cavity model simulation results(a)V-D曲線；(b)模型面波波速剖面圖

類(lèi)別瑞雷面波響應(yīng)特征充填溶洞速度響應(yīng)由溶洞中充填介質(zhì)的物性決定,一般為低速反映;頻散曲線在溶洞位置出現(xiàn)較形象明顯“之”字形拐曲?？杖芏此俣容^粘土層及基巖均為低速反映;頻散曲線在溶洞位置出現(xiàn)較形象明顯“之”字形拐曲。

圖5 觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)及測(cè)線布設(shè)示意圖Fig.5 Observation system layout and survey layout

2 工程實(shí)例

貴廣高鐵地處西南復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)，是我國(guó)巖溶最為發(fā)育的地區(qū)，線路途徑大量隱伏溶洞，且一直不斷有新的溶洞產(chǎn)生，所以貴廣高鐵也被稱(chēng)為“穿越喀斯特的超級(jí)鐵路”。為保證貴廣高鐵既有線路的安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)某段線路路基隱伏溶洞進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)瞬態(tài)瑞雷面波檢測(cè)試驗(yàn)。

2.1 儀器及參數(shù)選擇

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選用GeoPen公司生產(chǎn)的Miniseis24工程地震儀，4.5 HZ低頻檢波器，使用18磅鐵錘作為敲擊震源。排列參數(shù)設(shè)計(jì)為接收道數(shù)R為12道、道間距I為2 m、偏移距O為5 m、移動(dòng)步距P為2 m。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布置

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域巖溶的發(fā)育情況，本次研究選擇K579+186 ～ K579+743巖溶檢測(cè)里程段為試驗(yàn)測(cè)區(qū)。為精確探測(cè)鐵路路基隱伏巖溶，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合雙線鐵路共設(shè)計(jì)三條測(cè)線。

2.3 結(jié)果分析

對(duì)探測(cè)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，圖7是選取的設(shè)計(jì)三條測(cè)線中200 m低速異常顯現(xiàn)明顯區(qū)域的面波相速剖面圖。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探可知，該地區(qū)隱伏溶洞為填充型溶洞，內(nèi)部填充為強(qiáng)溶蝕灰?guī)r與泥水混合物，速度與密度較低，另外，該區(qū)域上覆粘土層因鐵路修建時(shí)被強(qiáng)擊夯實(shí)，速度和密度會(huì)比溶洞大，結(jié)合數(shù)值模擬研究結(jié)果，該區(qū)域隱伏溶洞對(duì)瑞雷面波會(huì)有低速響應(yīng)特征，把速度低于450 m/s定為低速異常。

觀察圖6，橫向?qū)嵕€為基巖面，發(fā)現(xiàn)三條測(cè)線基巖面位置一致性較好，與地質(zhì)資料較為吻合。圖中實(shí)線圈定區(qū)域?yàn)槊娌ㄏ嗨俣鹊陀?50 m/s的區(qū)域，判斷這些區(qū)域?yàn)殡[伏溶洞所在的位置，對(duì)比三條測(cè)線，發(fā)現(xiàn)三條測(cè)線探測(cè)出的低速異常區(qū)域一致性較好。探測(cè)結(jié)果證明瞬態(tài)瑞雷面波法在溶洞探測(cè)中具有較好的應(yīng)用效果和分辨率。

圖6 測(cè)線面波波速剖面圖Fig.6 Surface wave phase velocity profile of surveying line

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)際工程驗(yàn)證，研究得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)對(duì)模型的數(shù)值模擬研究表明，瑞雷面波法對(duì)面波相速度差異反映敏感，精度較高，對(duì)基巖面和兩種類(lèi)型隱伏溶洞分辨率高。

2)經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐研究，得出瞬態(tài)瑞雷面波法對(duì)隱伏溶洞的響應(yīng)特征為：對(duì)于填充溶洞，速度響應(yīng)由溶洞中充填介質(zhì)的物性決定，一般為低速反映，對(duì)于空溶洞，速度較粘土層及基巖均為低速反映；兩種溶洞探測(cè)面波頻散曲線在溶洞位置都出現(xiàn)較為形象明顯的“之”字形拐曲。

3)研究取得的結(jié)果可為工程應(yīng)用提供有效指導(dǎo)。