綜合物探技術(shù)及工程應(yīng)用0901030918馬春景

1、綜合物探技術(shù)及工程應(yīng)用姓名：馬春景學(xué)號： 0901030918專業(yè)：交通工程摘要 : 介紹了面波和折射波探測技 術(shù)各 自的 優(yōu)缺點 , 提 出了 采用面 波和 折射波 進行 工程地 質(zhì)勘 察的 綜合物 探技術(shù)。從信號數(shù)據(jù)采集、 信號分析處理及成果資 料解釋 等方面 詳細(xì)介 紹了綜 合物探技 術(shù)的基 本原理 和使用 方法。工程應(yīng)用表明 , 綜合物探測試結(jié)果與鉆孔資 料具有很好的一致性 , 不失為一種快速有效的工程勘 察手段。關(guān)鍵字：瞬態(tài)面波；折射波；綜合物探；工程勘察在公路工程勘察中 , 經(jīng)常需要準(zhǔn)確地查明第四系覆蓋層厚度及基巖埋深 ( 或土石界面 ) 。特別是近年來 , 由于交通建設(shè)投資加大

2、, 公路建設(shè)工期大大縮短 , 采用一般的鉆探方法很難保證工期。忠墊高速公路 A 合同段橋隧較多 , 地形及地質(zhì)條件復(fù) 雜, 如采用常規(guī)勘察手段 ( 鉆孔、槽探、釬探及坑探等 ) 工作量較大 , 且難以滿足業(yè)主及設(shè)計人員要求 , 為此采用了水電物探研究所生產(chǎn)的 SWS- 2 型多功能勘察與檢測儀 , 在少量的鉆探工作量配合的前提下 , 1個月內(nèi) , 對部分橋隧區(qū)進行了勘察 , 保質(zhì)保量地完成了勘探任務(wù) , 并節(jié)省資金 100 多萬元。（1）綜合物探基本原理地層表面激發(fā)產(chǎn)生的振動信號在地層中傳播會產(chǎn)生面波和體波信號 , 面波信號分為 Rayleigh 波和 Love 波 , 體波信號分為橫波 (

3、S 波 ) 和縱波(P 波) 。面波信號在分層介質(zhì)中傳播會發(fā)生頻散現(xiàn)象 , 而體波信號在特定的地層條件下會發(fā)生明顯的反射或折射現(xiàn)象。研究表明 , 面波在均勻介質(zhì)中傳播不會發(fā)生頻散 , 而在非均勻介質(zhì)中傳播會發(fā)生頻散。面波在多層介質(zhì)條件下的頻散特性具有如下規(guī)律 :( 1) ( VR - f) 曲線變化規(guī)律和層速度的關(guān)系 : 當(dāng)頻率發(fā)生變化時 , 面波速度 V R 會隨勘探深度的變化而逐漸趨近該深度地層的層速度。( 2) ( VR - f) 曲線變化規(guī)律與層厚度的關(guān)系 : 當(dāng)厚度發(fā)生變化時 , 由頻散曲線可知 , 相應(yīng)拐點位置明顯向低頻方向移動。 即拐點的位置與層厚度存在著密切的關(guān)系。地震信號在分

4、層地層中傳播 , 當(dāng)上覆層波速小于下伏層波速時 , 地震信號傳播會發(fā)生明顯的折射現(xiàn)象 ; 當(dāng)上覆層的波阻抗小于下伏層的波阻抗時 , 地震信號傳播會有反 射波產(chǎn) 生。折射 波又 可分為 2 種 : 初至折射波和對比折射波。 初至折射波只追蹤初至區(qū)的某個界面的折射波 , 因此易于辨認(rèn) , 識別的準(zhǔn)確度較高。對比折射波不僅在初至區(qū)而且在續(xù)至區(qū)追蹤折射波 , 就像反射法應(yīng)用相位對比追蹤波一樣 , 雖然初至折射波復(fù)雜 , 但能同時追蹤多個折射界面的折射波。折射波法一般 對薄層 的探測能 力很差 , 同時如果存在地質(zhì)速度逆轉(zhuǎn)層時也不適用。運用物探手段進 行忠墊高速公 路工程地 質(zhì)勘察 , 主要目的是探測橋

5、隧區(qū)的土層厚度及基巖埋深。勘察區(qū)域表層多為土層覆蓋, 局部有基巖出露 , 出露基巖存在局部風(fēng)化現(xiàn)象。 因此上覆層波速小于下伏層波速 , 但上覆層波阻抗卻不一定小于下伏層波阻抗 , 故滿足折射波的產(chǎn)生條件而不一定滿足反射波的產(chǎn)生條件。由于單一物探方法受自身特點的限制 , 存在資料解釋精度不高 , 因此提出了采用面波和折射波進行綜合探測 , 從而大大提高了物探成果解釋精度。信號數(shù)據(jù)采集1 測線布置采用綜合物探技術(shù)主要是為了能夠準(zhǔn)確地探測出表層土層的厚度 , 現(xiàn)場測線布置必須保證面波測點和折射波測點對應(yīng)一致 , 便于信號數(shù)據(jù)的綜合利用。 基于以上考慮 , 其現(xiàn)場測點及激發(fā)點布置如圖 1 所示。2 參

6、數(shù)設(shè)計測試參數(shù)的設(shè)計是為了保證現(xiàn)場采集到的信號數(shù)據(jù)能夠真實準(zhǔn)確地反映土石地層的物理力學(xué)性質(zhì) ,現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時盡量避免噪聲信號的干擾?，F(xiàn)場測試參數(shù)的設(shè)計原則如下 :( 1)采集道數(shù)選擇要求測震儀具有多通道接受端口,一般為 12通道和 24通道。由于上覆土層厚度有可能較小 , 因此應(yīng)在場形條件允許的情況下盡可能采用 24 道信號數(shù)據(jù)采集 , 以保證足夠的空間分辨率。( 2)檢波器選擇根據(jù)現(xiàn)場踏勘及地質(zhì)調(diào)查 , 預(yù)估土層的厚度 , 確定探測深度 , 選用檢波器的頻率可利用下述公式進行估算 :f= VR/ H式中檢波器的頻率 ; VR 地層面波速度 ; H 探測深度。用于面波檢測的檢波器一般有 2 種

7、型號 : 4 Hz和 10 Hz 檢波器 , 按照上式估算出頻率 f 后 , 再選擇固有頻率比較接近的檢波器。( 3) 激震方式選擇激震方式也即激發(fā)震源 , 采集工作中使用錘擊、落重或炸藥的激發(fā)作為震源。3種激震方式的最大勘探深度分別為 : 錘擊震源的勘探深度可以達到20 30 m;落重震源的勘探深度可以達到30 50 m; 炸藥震源的勘探深度可以達到50150 m。激震點土質(zhì) 松軟程度影響 震源所能激 發(fā)的頻率 ,土質(zhì)松軟激發(fā)出的頻率偏低 ,土質(zhì)堅硬激發(fā)出的頻率偏高。 同時 , 激發(fā)頻率與墊板尺寸有關(guān) ,墊板尺寸越大 ,所能激發(fā)出的頻率越大。( 4) 偏移距選擇移距為排列長度 L 的 1/

8、8至1/2,其中排列長度 L為整個排列檢波器布置的長度 , 即 L = ( n- 1) dx, n為采集道數(shù) , dx為道間距。如果土層很薄時 , 則偏移距可以選取排列長度的L/ 8,以避免偏移距過大 ,面波信號傳至最后一道檢波器因衰減而太弱。如土層很厚時, 那么要求面波傳播深度較大 ,此時偏移距選擇為排列長度的 L/2 左右。( 5) 道間距選擇對于面波法來說 ,由公式 dx 道間距應(yīng)小于等于最小波長厚。在事先普查時,主要分析時域信號傳播特征 , 道間距不必滿足上式 ,可以將道間距選大一些。 如果待測試區(qū)域較大 ,可以選擇道間距為 2 m, 采集道數(shù)設(shè)為24 道 , 以利于分析時域信號傳播特

9、征。 在現(xiàn)場正式采集時 ,對于事先不能確定土層的可能厚度,那么可以將道間距設(shè)置得小些 ,以免探測不到較薄的土層 ,推薦選取 0. 5 m 或 1m。對于折射波法 , 一般地 , 道間距小 ,測量精度高 , 但要兼顧施工效率 ,道間距不應(yīng)小于目的層深度和新鮮基巖深度的1/10 。( 6) 采樣點及采樣率選擇在現(xiàn)場進行面波數(shù)據(jù)采集時 ,一般選取采樣點數(shù)為 1 024點或 2048 點。記錄長度為 采樣點 和采樣間隔 的乘積 , 通過改變采樣時間間隔改變記錄長度以保證信號質(zhì)量。一般對于土石分界的信號采樣率一般選擇為0. 20或 0. 25 ms。記錄長度確定的原則 : 視最大源檢距道面波初動時間為記

10、錄長度的1/ 2左右為宜 , 最大源檢距道為距離震源最遠的信號數(shù)據(jù)道。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計原則 ,再結(jié)合現(xiàn)場試驗可以得到如表 1所示的綜合探測參數(shù)推薦值。3 測試步驟現(xiàn)場測試過程中無論測點布置有多密 , 但測點始終是對測試區(qū)域的局部抽樣 , 需要了解整個測試區(qū)域的普遍情況 , 即先要進行現(xiàn)場普查 , 確定最終的測試點。然后根據(jù)前述的原則分別確定面波和折射波的現(xiàn)場測試參數(shù) , 然后再根據(jù)情況進行詳細(xì)探測。整個探測流程如圖 2 所示。測試步驟如下 :( 1)根據(jù)探測任務(wù)確定探測目的( 2)擬定測試區(qū)域 ,進行現(xiàn)場踏勘及地質(zhì)調(diào)查在進行現(xiàn)場踏勘及地質(zhì)調(diào)查時考察土層的可能厚度,并考慮附近是否有鉆孔或測試數(shù)據(jù)

11、可供參考,以利于對比測震結(jié)果的正確性。( 3)規(guī)劃測線位置及測線方向,規(guī)劃測線位置和測線方向時要注意以下幾個方面的問題:在規(guī)劃測線時 ,應(yīng)盡量避免測線橫跨經(jīng)過落差或間隔過大的溝渠或土堤,測線不至于產(chǎn)生不連續(xù)配置幾何的情形; 測線不能太靠近有根基的結(jié)構(gòu)物或樹根使蔓延的地方 , 以避免側(cè)向反射波及噪聲的干擾 ; 地表面以愈平坦愈堅硬且有些潮濕者愈佳 , 應(yīng)盡量避免地表面為松軟的回填土層 , 不使反演分析結(jié)果被表面土層所影響 ; 測線需避開高壓電線或電波發(fā)射臺 , 以避免造成感應(yīng)電壓的影響。為了分析數(shù)據(jù)的方便 , 測線方向選擇正向測線方向。( 4) 初步設(shè)置測試參數(shù)依照現(xiàn)場的地質(zhì)情況及測試需求 ,

12、預(yù)估土層厚度 , 確定探測深度 , 參照表 1 推薦的測試參數(shù)值來配置測線。如果面波法和折射波法都選用同型號的檢波器 , 那么現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集就可以應(yīng)用同一排列進行數(shù)據(jù)采集如果 2 種方法選用的傳感器不同 , 那么要求 2 個排列對應(yīng)的測點一致 , 道間距盡可能選用一致。( 5) 安置好檢波器 , 連接測震電纜保證檢波器的尾錐能與地表牢固安裝。 特殊情況下 , 如在介質(zhì)松散的地表應(yīng)改換長尾錐來保證檢波器與地表牢固插接 ; 在堅硬的地表條件下 , 可采用托盤或單向磁座使檢波器 與被測介質(zhì)有 可靠的接觸 ; 在風(fēng)噪音大或松散耕植土地表 , 采用挖深 2030 cm 埋植檢波器 , 可大大改善接收條件。

13、 隨后將接合于地表面的檢波器 , 依照接頭的大小依序連接至測震電纜 , 最后再視野外測試的需求 , 連接至轉(zhuǎn)換器或測震儀。( 6)試驗采集 ,檢查儀器的一致性儀器各道的一致性檢查 , 將儀器輸入端短路 , 采集與工作記錄長度相同的記錄并存儲 , 利用軟件分析頻響與幅度的一致性。 檢波器的一致性檢查 , 選擇介質(zhì)均勻的地點 , 將檢波器密集地安插牢固 , 在大于 10 m 外激振 , 采集面波記錄并存儲 , 利用軟件分析頻響與幅度的一致性。 儀器信道和檢波器的頻響與幅度特征 , 在測深需要的頻率范圍內(nèi)應(yīng)具有一致性。( 7)進行震源激發(fā)并采集數(shù)據(jù)采用選定的激震方式進行激發(fā),進行現(xiàn)場信號數(shù)據(jù)的采集。

14、( 8)分析時域信號 ,減小噪聲干擾對采集到的時域信號進行分析 , 如噪聲干擾太大 , 分析噪聲產(chǎn)生的原因 , 若為隨機噪聲 , 則可以通過現(xiàn)場多次信號疊加采集減小其干擾 ; 否則 , 查找噪聲源 , 若附近有工廠或工程正在進行 , 則需避開此人為噪音 , 以減少噪聲對震波信號的干擾 , 若附近車流量或人潮太大時 , 則需考慮在夜間測試 , 以盡量降低背景噪音的影響。(9)分析采集到的信號數(shù)據(jù)質(zhì)量該步驟主要考察信號數(shù)據(jù) 2 個方面 : 一是是否存在削波 , 理想的信號數(shù)據(jù)記錄上近震源道不應(yīng)削波 ; 二是記錄長度是否合適 , 要求信號記錄上視最大源檢距道面波初動時間為記錄長度的 1/ 2 左右為

15、宜。如存在噪聲信號干擾或數(shù)據(jù)質(zhì)量較差時 , 應(yīng)調(diào)整測試參數(shù) , 重新回到步驟 ( 7) 繼續(xù)進行。( 10)面波和折射波信號數(shù)據(jù)采集確定面波的激發(fā)點和折射波的5個激發(fā)點 ,分別進行激發(fā)并采集信號數(shù)據(jù),在信號采集過程中要盡可能地保證現(xiàn)場采集到高質(zhì)量的信號數(shù)據(jù) , 以利于以后進行信號數(shù)據(jù)的處理與分析。( 11) 最后視現(xiàn)場測試需求 ,移動排列的位置 , 并重復(fù)進行步驟 ( 3) 到步驟 ( 10) ,以采集另一個激震點位置或另一組檢波器配置的測震信號數(shù)據(jù) , 直到所有測線量測范圍測試完畢為止。信號分析與資料解釋1 信號數(shù)據(jù)的分析信號數(shù)據(jù)的分析包括兩方面的內(nèi)容 : ( 1) 面波信號數(shù)據(jù)的分析 ;

16、( 2) 折射波號數(shù)據(jù)的分析。面波信號數(shù)據(jù)分析主要包括以下幾個過程:( 1) 面波有效信號的提取 , 設(shè)置合理的時間窗在時域信號窗口提取有效面波信號數(shù)據(jù) ;( 2) 面波頻散曲線的求取 , 根據(jù)有效面波時域信號求取面波基階模態(tài)的頻散曲線 , 進行深度轉(zhuǎn)換 , 得到深度 - 波速曲線 ;( 3) 利用空 間相似性 原理進行 測點間數(shù) 據(jù)插值 , 得到測線面波波速云圖 ; ( 4) 面波頻散曲線的遺傳反演分析 , 得到面波頻散曲線的反演分層結(jié)果。折射波信號數(shù)據(jù)分析主要包括以下幾個過程 :( 1)信號初至的提取 ,在信號的時域窗口里 ,拾取信號的初至?xí)r間。采用自動追索容易受隨機干擾信號影響,初至往往

17、會出現(xiàn)較大的跳躍。 故常采用的人工拾取每道同一子波的初至?xí)r間。( 2)相遇端點蓋點分層。( 3)相遇追蹤底層數(shù)據(jù)獲取。( 4) 層深度及底層波速走時數(shù)據(jù)獲取。層深度及底層波速走時數(shù)據(jù) , 反映了排列方向上的縱波速度與深度的對應(yīng)關(guān)系。2 成果資料處理與解釋通過現(xiàn)場信號數(shù)據(jù)的分析處理得到面波頻散曲線及折射波法的縱波速度與深度的關(guān)系曲線 , 為了綜合利用兩者的處理結(jié)果 , 需要進行綜合解釋。資料綜合解釋流程如圖 3 所示。( 1)折射波的結(jié)果處理折射波法得到的結(jié)果為排列長度方向上的縱波速度與地層深度的二維結(jié)果圖,即 Vp 與深度的關(guān)系圖。它反映了地層 深度方向 上的縱 波速度變 化情況 , 得到土層

18、和巖石層的縱波速度 , 也得到了土層的埋深。( 2) 面波頻散數(shù)據(jù)插值處理面波頻散數(shù)據(jù)插值處理包括 : 單測點頻散數(shù)據(jù)插值 ( 連續(xù)化 ) 和多測點頻散數(shù)據(jù)插值 ( 網(wǎng)格化 ) 。面波數(shù)據(jù)分析結(jié)果為實測頻散曲線反演結(jié)果 , 主要利用實測頻 散曲線的結(jié) 果數(shù) 據(jù) ( 面 波相速度 VR- 深度 ) ,其數(shù)據(jù)為一系列離散的數(shù)據(jù)點 ,為了得到一條光滑的頻散曲線,對其采取了連續(xù)化處理。( 3)初步確定土石分層界限根據(jù)測點處折射波的土層埋深數(shù)據(jù) , 在面波相速度波速云圖中的對應(yīng)測點處確定出土層的埋深 , 得到各個測點的土石分界點 , 然后根據(jù)各個測點確定出的土石分界點的埋深情況進行 Kriging 插值

19、 , 將每個測點的土石分界點連線即可初步得到土石分層剖面。( 4) 對比鉆孔點的地質(zhì)分層 ,進行土石分界線的調(diào)整將第( 3) 步得到的初步土石分界結(jié)果 , 將對應(yīng)綜合測點的分層結(jié)果與鉆孔的 土石分層結(jié)果進 行對比 , 調(diào)整初步土石分界結(jié)果和判定速度標(biāo)準(zhǔn) , 確定土石分界的最終結(jié)果。參考文獻 1楊成林 瑞雷波勘探 M 北京 :地質(zhì)出 版社 , 1993 2王振東淺層地震 勘探應(yīng)用 M北京 : 地 質(zhì)出版 社 ,1988出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體