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        綜合面波法在巖土工程中的應(yīng)用

        2022-10-24 04:31:36柴緒令
        東北水利水電 2022年10期
        關(guān)鍵詞:面波瑞利反演

        殷 成,柴緒令

        (吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

        面波勘探歷經(jīng)幾十年的發(fā)展,其技術(shù)方法已經(jīng)相當(dāng)成熟,處理方法也日趨完善。其中,主動(dòng)源面波勘探早在20世紀(jì)60年代由美國(guó)人提出,從開始的穩(wěn)態(tài)面波到瞬態(tài)面波,再到多道瞬態(tài)面波勘探,多年來不斷地提高勘探精度和效率,應(yīng)用廣泛[1];天然源面波勘探起步相對(duì)較晚,最早由Aki提出[2],但近些年發(fā)展迅速,方法也不斷成熟,如頻率波數(shù)法(F-K法)、空間自相關(guān)法(SPAC)、擴(kuò)展的空間自相關(guān)法(ESPAC)、HV譜比法等[3],從而提高了復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性和探測(cè)精度的準(zhǔn)確性[4]。人工源與天然源面波相結(jié)合的綜合面波法,對(duì)解決電磁干擾嚴(yán)重、勘探深度大、勘探精度高等復(fù)雜地區(qū)的勘探任務(wù)有明顯的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景[5]。

        1 原理

        1.1 主動(dòng)源面波勘探

        彈性波在傳播過程中,在介質(zhì)分界面處會(huì)發(fā)生反射、透射和折射現(xiàn)象,伴隨產(chǎn)生界面波。這類界面波在界面附近傳播,振幅隨深度衰減,稱之為瑞利波[6]。瑞利波的頻散特性和傳播速度特性是面波勘探的兩大關(guān)鍵,反映了不同深度介質(zhì)的地質(zhì)條件。

        主動(dòng)源面波勘探是通過錘擊、落重等震源激發(fā),產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的瑞利波,沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?。沿波的傳播方向以一定的道間距鋪設(shè)N+1個(gè)檢波器,記錄一定范圍內(nèi)的傳播信號(hào)。

        道間距△x內(nèi)瑞利波的傳播速度為

        式中:f是瑞利波的頻率;△φ是相鄰檢波器所記錄的信號(hào)相位差。

        測(cè)線N△x內(nèi)瑞利波的傳播速度為

        在地層不均勻且地下介質(zhì)變化時(shí),瑞利波會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象,得到速度與頻率(或波長(zhǎng))的變化曲線,通過反演處理,計(jì)算出不同深度對(duì)應(yīng)的面波速度,為解譯、推斷下覆地層結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

        1.2 天然源面波勘探

        天然面波實(shí)質(zhì)上是指地球表面一種連續(xù)的微弱振動(dòng),又稱微動(dòng)。微動(dòng)伴隨產(chǎn)生P波、S波和面波,其中面波能量占比總能量70%以上[6]。微動(dòng)信號(hào)的大小和形態(tài)因時(shí)間和空間的改變而發(fā)生變化,同時(shí)也具有一定時(shí)空范圍的平穩(wěn)隨機(jī)規(guī)律[7,8]。在微動(dòng)信號(hào)中,經(jīng)過空間自相關(guān)法數(shù)據(jù)處理得到面波的頻散曲線[9],選取合適的反演計(jì)算,獲取地下介質(zhì)的橫波速度[10]。結(jié)合已知地質(zhì)資料,對(duì)橫波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和解譯。

        2 工作方法

        為了查清覆蓋層厚度及結(jié)構(gòu)分層,兼顧勘探深度和精度,分別布設(shè)人工源、天然源面波測(cè)線。

        人工源面波勘探:以測(cè)點(diǎn)位置為中心,沿測(cè)線鋪設(shè)12道檢波器,其中相鄰道間距2 m,偏移距分別為4,6,8,10 m進(jìn)行重錘激發(fā),采集數(shù)據(jù)。如圖1所示。

        圖1 人工源面波勘探采集方式

        天然源面波勘探:?jiǎn)吸c(diǎn)采集以測(cè)點(diǎn)位置為中心,采用嵌套式鋪設(shè)方式,在同心圓周邊測(cè)點(diǎn)位置均勻放置儀器。如圖2所示。

        圖2 天然源面波勘探單點(diǎn)采集方式

        剖面采集方式:將單點(diǎn)采集方式沿著測(cè)線移動(dòng),相鄰單點(diǎn)采集有公共儀器點(diǎn)位置。如圖3所示。圓心處儀器到圓周上儀器的距離稱為觀測(cè)半徑R。一般有效探測(cè)深度為(3~5)R。

        圖3 天然源面波勘探剖面采集方式

        3 數(shù)據(jù)處理

        野外數(shù)據(jù)采集時(shí),盡可能保證周邊安靜,保證采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

        人工源面波數(shù)據(jù)的能量譜如圖4(A)所示,在高頻部分能量高,能量也很集中;在低頻部分能量比較低,也比較散。天然源面波數(shù)據(jù)的能量譜如圖4(B)所示,在低頻部分能量高,能量集中;在高頻部分能量低,能量分散。

        將人工源和天然源面波數(shù)據(jù),進(jìn)行整合處理,高頻部分采用人工源,低頻部分采用天然源的數(shù)據(jù),可以找到1條能量高且集中的最優(yōu)曲線,如圖4(C)所示。

        圖4 測(cè)點(diǎn)的能量譜曲線

        同樣,人工源面波數(shù)據(jù)經(jīng)頻率域-波數(shù)法(FK法)得到頻散曲線,反演后轉(zhuǎn)化成深度-速度曲線。天然源面波數(shù)據(jù)經(jīng)過擴(kuò)展的空間自相關(guān)法(ESPAC法)得到頻散曲線,反演后轉(zhuǎn)化成深度-速度曲線。將人工源和天然源面波數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理后的綜合面波法,兼顧二者優(yōu)點(diǎn),滿足勘探要求。

        4 工程應(yīng)用

        4.1 工程概況

        吉林省某橋梁工程地處松嫩平原南部,地勢(shì)平坦、開闊,覆蓋層深度較厚,成分復(fù)雜,包括砂壤土、細(xì)砂、砂礫石等,勘察要求查清巖面位置、劃分地層結(jié)構(gòu)等。根據(jù)已知地質(zhì)條件,工程所在位置覆蓋層可分為中砂、粘土、粗砂,基巖為白堊系的泥巖。

        4.2 案例分析

        工作開展沿著大橋軸線分別布設(shè)面波法測(cè)線和高密度電法測(cè)線,其中選取樁號(hào)0+000~0+751 m段進(jìn)行研究和分析。在面波測(cè)線中的測(cè)點(diǎn)中,人工源面波法道間距為2 m,12個(gè)檢波器,偏移距取8 m。天然源面波法,最大觀測(cè)半徑R=50 m,滿足100 m范圍勘探深度的要求。高密度電法,最小電極距為5 m,采集層數(shù)為24層,滾動(dòng)采集。

        根據(jù)深度-速度曲線的拐點(diǎn)、疏密程度等特征,大致劃分地層結(jié)構(gòu)。根據(jù)H/V譜比法,先得到振幅最大峰值對(duì)應(yīng)頻率值,峰值頻率為1,5 Hz,根據(jù)反演結(jié)果計(jì)算出的頻散曲線,找到特定頻率對(duì)應(yīng)的橫波速度值[11]。利用半波長(zhǎng)法計(jì)算出界面深度位置[12],最終結(jié)合各個(gè)測(cè)點(diǎn),完成剖面分析和解譯。

        根據(jù)已知地質(zhì)資料和面波反演計(jì)算出波速Vr,經(jīng)分析可知,第1層為細(xì)砂,Vr=100~230 m/s;第2層為粘土,Vr=200~380 m/s;第3層為粗砂,Vr=350~480 m/s;第4層為泥巖,Vr>450 m/s。

        同樣的樁號(hào)位置對(duì)應(yīng)的高密度電法剖面如圖5所示,可以清晰地劃分地層位置,其中,細(xì)砂呈現(xiàn)高電阻率,粘土呈現(xiàn)低電阻率,粗砂呈現(xiàn)高電阻率,泥巖成巖差,呈現(xiàn)低電阻率。劃分不同地層的結(jié)構(gòu),同綜合面波法劃分結(jié)果大致相同,從而驗(yàn)證了面波方法的準(zhǔn)確性。

        圖5 高密度電法物探剖面圖

        根據(jù)表1所列鉆孔信息,覆蓋層淺層中砂深度為13.0~19.0 m,粘性土深度為13.0~35.0 m,粗砂深度為30.0~77.0 m,同綜合面波法和高密度電法聯(lián)合反演的結(jié)構(gòu)分析相一致,驗(yàn)證了兩種方法結(jié)果的準(zhǔn)確性、有效性。

        表1 鉆孔信息表m

        同時(shí),根據(jù)鉆孔信息可以更準(zhǔn)確地找到分層位置、層面對(duì)應(yīng)的波速范圍及電阻率范圍,從而完善物探成果,使得結(jié)果更準(zhǔn)確、更接近真實(shí)結(jié)構(gòu)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        該測(cè)區(qū)處于松嫩沖積平原,覆蓋層厚70.0~80.0 m,普通人工錘擊的震源產(chǎn)生能量有限,由于覆蓋層厚且松散,能量損失快,導(dǎo)致探測(cè)深度受限。微動(dòng)勘察,淺部信息少,存在盲區(qū),無法精準(zhǔn)勘察。利用人工源和天然源結(jié)合的綜合面波法,結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn),既保證了探測(cè)深度,又提高了淺部數(shù)據(jù)的分辨率,通過對(duì)面波的頻散曲線及速度范圍的分析,可以大致對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。

        利用天然源面波的H/V頻譜分析,根據(jù)H/V譜比峰值確定場(chǎng)地的卓越頻率,采用半波長(zhǎng)法計(jì)算沉積層厚度,實(shí)現(xiàn)成果再校正。通過同直流電法成果相結(jié)合對(duì)比,地層劃分一致性較好,吻合度較高,驗(yàn)證了綜合面波法成果的可靠性。通過已知鉆孔驗(yàn)證,在不同介質(zhì)界面處,綜合面波法的成果均有明顯物性差異,再次驗(yàn)證了成果的準(zhǔn)確性。綜合面波法,彌補(bǔ)了人工源和天然源面波法的缺點(diǎn),利用各自的優(yōu)勢(shì),在工程勘察中具有高效性、準(zhǔn)確性的特點(diǎn),對(duì)后期施工具有一定的指導(dǎo)意義。

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