瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)在水庫(kù)工程勘察中的應(yīng)用

劉超英,呂 穎

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.衢州市柯城區(qū)水利局,浙江 衢州 324000)

1 問(wèn)題的提出

由于地下介質(zhì)的彈性波速反映的是其在彈性階段的力學(xué)性質(zhì),因此彈性波速分層在工程勘察工作中主要用于解決與巖土力學(xué)特征相關(guān)的問(wèn)題,主要用于區(qū)分力學(xué)性質(zhì)在彈性階段具有明顯差異的土層及巖石層。瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)是在無(wú)需鉆空的情況下可測(cè)試出層狀介質(zhì)的彈性波速,它與傳統(tǒng)的鉆空波速測(cè)試方法相比具有無(wú)損及快速的優(yōu)點(diǎn),所以瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)無(wú)論是在巖土工程勘察的初勘階段或用于宏觀(guān)劃分力學(xué)性質(zhì)差異明顯的地層、構(gòu)造,還是在詳勘階段描述基巖埋深、填土厚度等的變化趨勢(shì)的工作中都具有明顯優(yōu)勢(shì)。瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)在工程勘察領(lǐng)域的應(yīng)用范圍十分廣闊,應(yīng)用效果正日益提高。

2 瞬態(tài)瑞雷波勘探基本原理與工作方法

瑞雷波勘探可根據(jù)激振方式不同,分為瞬態(tài)瑞雷波法和穩(wěn)態(tài)瑞雷波法,兩種方法基本原理相同,但在工作方法上有所區(qū)別,本文主要介紹瞬態(tài)瑞雷波法。

2.1 基本原理

由彈性波理論可知,瑞雷波存在于自由表面附近,它是由于波的干涉而產(chǎn)生,并沿界面?zhèn)鞑?在其傳播方向的平面內(nèi),瑞雷波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡為逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的橢圓,橢圓長(zhǎng)軸垂直于介質(zhì)表面,長(zhǎng)軸與短軸之比為2∶3。瑞雷波傳播具有以下主要特性:

2.1.1 瑞雷波在層狀介質(zhì)中傳播的頻散特性[1].

在均勻介質(zhì)條件下,瑞雷波波長(zhǎng)λr與振動(dòng)頻率f無(wú)關(guān),即在均勻介質(zhì)條件下,瑞雷波傳播不具頻散性。在層狀介質(zhì)條件下,λr是f的函數(shù),即在層狀介質(zhì)條件下將導(dǎo)致瑞雷波的頻散。該特性是瑞雷波勘探的理論基礎(chǔ),由于瑞雷波法不僅利用了波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,更重要的是利用了波的動(dòng)力學(xué)特征,而常規(guī)彈性波法,主要利用波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,且要求各層的波速或波阻抗有較大差異,因此瑞雷波對(duì)介質(zhì)反映更細(xì)微。

2.1.2 瑞雷波的穿透深度與波長(zhǎng)的關(guān)系

經(jīng)計(jì)算得出瑞雷波水平振幅和垂直振幅隨單位波長(zhǎng)深度的變化規(guī)律表明,當(dāng)深度H為λr的1/2時(shí),瑞雷波有大部分能量已經(jīng)損失;當(dāng)深度與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí),其能量迅速衰減。因此,可以認(rèn)為瑞雷波的穿透深度為1個(gè)波長(zhǎng)。這一事實(shí)說(shuō)明,瑞雷波某一波長(zhǎng)的波速主要與深度小于λr/2的地層物性有關(guān),該特性為利用瑞雷波進(jìn)行淺層地質(zhì)勘探提供了依據(jù)[2].。

由λr=VR/f得知,不同的瑞雷波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于彈性波的頻率,通過(guò)探測(cè)不同頻率下介質(zhì)的彈性波速度,即可得到VR～λR曲線(xiàn),稱(chēng)頻散曲線(xiàn)。頻散曲線(xiàn)的特性及其變化規(guī)律與地質(zhì)條件密切相關(guān),通過(guò)頻散曲線(xiàn)進(jìn)行反演計(jì)算,可以得到地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況和不同深度的瑞雷波傳播速度VR值。

2.1.3 瑞雷波速度與剪切波速度的相關(guān)性

由瑞雷波速度VR與剪切波速度Vs的關(guān)系式:

計(jì)算出巖土介質(zhì)中λ與VR、Vs的關(guān)系見(jiàn)表1,利用該相關(guān)性,即可得到地層的剪切波速度。由此可見(jiàn),瑞雷波速度值的大小可以反映介質(zhì)的物理力學(xué)特性和存在狀態(tài),由此可對(duì)巖土的物理力學(xué)性質(zhì)做出評(píng)價(jià)[3].。

表1 瑞雷波速度與剪切波速度的相關(guān)性表

2.2 基本工作方法

瞬態(tài)瑞雷波勘探是在地面上沿著瑞雷波傳播的方向布置間距相等的檢波器,震源采用錘擊或炸藥。檢波器、道間距及偏移距的選擇,以滿(mǎn)足最佳瑞雷波接收窗口和最佳探測(cè)深度為原則。利用瑞雷波處理軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所記錄的多道瞬態(tài)瑞雷波信號(hào)在時(shí)間域開(kāi)窗提取和F-K域進(jìn)行瑞雷波提取,把各個(gè)頻率的瑞雷波分離出來(lái),從而獲得瑞雷波波速隨深度變化曲線(xiàn)即瑞雷波頻散曲線(xiàn)。利用實(shí)測(cè)的各測(cè)點(diǎn)的頻散曲線(xiàn)進(jìn)行反演分析,劃分速度層位,并計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)各層介質(zhì)的剪切波速度值Vs。結(jié)合工程地質(zhì)鉆孔資料的對(duì)比分析進(jìn)行地下介質(zhì)分層[4].。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

雙溪口水庫(kù)計(jì)劃興建在余姚市大隱鎮(zhèn)章山村下游約280m處,屬甬江流域姚江的支流(俗稱(chēng)隱溪),距余姚市約30 km。壩址向東約4 km處有杭甬高速公路,交通便利。根據(jù)《余姚市江河流域綜合規(guī)劃》,該工程壩址處集雨面積40 km2,為混凝土面板堆石壩,正常蓄水位64.0m,相應(yīng)庫(kù)容2 733萬(wàn)m3,壩高47.51m,壩頂長(zhǎng)410m,主要建筑物有大壩、泄洪洞、輸水洞和溢洪道等。浙江省水利河口研究院承擔(dān)了雙溪口水庫(kù)工程規(guī)劃階段地質(zhì)勘察任務(wù),其中物探工作是地質(zhì)勘察的一部分,其主要內(nèi)容是應(yīng)用瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù),結(jié)合工程地質(zhì)鉆探資料的對(duì)比分析,準(zhǔn)確地查明第四系覆蓋層厚度及基巖埋深,為壩址的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 工作方法

3.2.1 測(cè)線(xiàn)及測(cè)點(diǎn)布置

在上、下壩址區(qū)共布置5條面波測(cè)線(xiàn),下壩址布置了4條,上壩址布置1條,瞬態(tài)瑞雷波測(cè)點(diǎn)間距約為100 m,網(wǎng)狀布置,共39個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.2.2 參數(shù)選擇

瞬態(tài)瑞雷波勘探使用的儀器是SWS-1G型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測(cè)儀。采用的道間距為2m,偏移距為15,20m。在實(shí)測(cè)工作中,把檢波器對(duì)稱(chēng)埋置在勘探點(diǎn)兩側(cè),震源點(diǎn)和檢波器排列在一條直線(xiàn)上。排列方向布設(shè)原則為在河床和階地一般順?biāo)鞣较虿荚O(shè),在兩岸山坡一般沿等線(xiàn)或順山脊布設(shè)。

儀器參數(shù)選擇為采集道數(shù)12道,全通濾波方式,采樣間隔為0.25,0.50ms,采樣點(diǎn)數(shù)為1 024,2 048個(gè)。震源采用24磅大鐵錘激振,檢波器頻率為4 Hz。

3.3 資料處理及成果分析

3.3.1 資料處理

野外用SWS-1G型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測(cè)儀采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后用與其相配的SWS處理系統(tǒng)對(duì)瞬態(tài)瑞雷波勘探資料進(jìn)行處理。利用瑞雷波處理軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所記錄的瑞雷波信號(hào)在時(shí)間域開(kāi)窗提取和F-K域進(jìn)行瑞雷波提取,把各個(gè)頻率的瑞雷波分離開(kāi)來(lái),從而獲得瑞雷波速度隨深度的變化曲線(xiàn),即瑞雷波頻散曲線(xiàn)。利用實(shí)測(cè)的各測(cè)點(diǎn)的頻散曲線(xiàn)進(jìn)行反演分析,劃分速度層位,并計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的各層介質(zhì)剪切波速度值Vs,結(jié)合上壩址壩軸線(xiàn)上地質(zhì)鉆孔資料對(duì)比分析分別對(duì)河床、階地和山坡進(jìn)行地質(zhì)分層[5].。瞬態(tài)瑞雷波勘探資料處理流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 瞬態(tài)瑞雷波勘探資料處理流程示意圖

3.3.2 成果分析

瞬態(tài)瑞雷波勘探的典型成果如下:下壩址1#測(cè)線(xiàn)8#測(cè)點(diǎn) (山坡)剪切波波速分層見(jiàn)圖2,下壩址1#測(cè)線(xiàn)8#測(cè)點(diǎn)(山坡)瞬態(tài)瑞雷波勘探成果見(jiàn)表2,下壩址1#測(cè)線(xiàn)(河床、階地)瞬態(tài)瑞雷波勘探剖面見(jiàn)圖3。

表2 下壩址1#測(cè)線(xiàn)8#測(cè)點(diǎn) (山坡)瞬態(tài)瑞雷波勘探成果表

圖2 下壩址1#測(cè)線(xiàn)8#測(cè)點(diǎn) (山坡)剪切波波速分層圖

圖3 下壩址1#測(cè)線(xiàn)(河床、階地)瞬態(tài)瑞雷波勘探剖面圖

根據(jù)瞬態(tài)瑞雷波勘探結(jié)果,結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料的對(duì)比分析,上、下壩址地質(zhì)分層如下:

(1)下壩址河床、階地地質(zhì)分層

①粗砂混卵石:分布于河床階地,厚度2.1～9.8m,比較松散,剪切波波速 Vs=187～508m/s。

②全風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度0.00～11.90m,頂板埋深2.1～8.5m,底板埋深4.5～13.9m。剪切波波速 Vs=381～655m/s。

③強(qiáng)風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度1.7～10.8 m,頂板埋深2.2～13.9 m,底板埋深 4.8～21.7 m。剪切波波速 Vs=580～ 1 148m/s。

④弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度9.6～25.0m(推斷),頂板埋深4.8～21.7m,剪切波波速 Vs=1 016～1 772m/s。

⑤微風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:剪切波波速Vs=2102～2389m/s。

(2)下壩址山坡地質(zhì)分層

①粉質(zhì)黏土:灰黃、黃色,厚度0.0～5.0m,剪切波波速 Vs=140～472m/s。

②全風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度0.0～8.4 m,頂板埋深0.0～3.3m,底板埋深2.6～10.7m,剪切波波速 Vs=321～463m/s。

③強(qiáng)風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度2.3～10.2 m,頂板埋深0.0～13.2 m,底板埋深3.0～18.9 m,剪切波波速 Vs=552～ 1 140m/s。

④弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度4.8～13.9 m,頂板埋深3.0～18.9 m,底板埋深13.6～33.9 m,剪切波波速 Vs=1 002～ 2 092m/s。

⑤微風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:剪切波波速Vs=2 100～3 330 m/s。

(3)上壩址壩軸線(xiàn)河床地質(zhì)分層

①粗砂混卵石:厚度3.2～5.1m,比較松散,剪切波波速 Vs=308～463m/s。河床表層有0.30～0.50m耕土。

②全風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度4.8～7.0m,頂板埋深3.2～5.1 m,底板埋深8.5～10.2m。剪切波波速 Vs=476～619m/s。

③強(qiáng)風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度3.9～10.0 m,頂板埋深8.5～10.2m,底板埋深14.1～18.6m。剪切波波速Vs=766～1 015m/s。

④弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:頂板埋深14.1～18.6 m,剪切波波速 Vs=1 682～1 857m/s。

4 結(jié) 語(yǔ)

從瞬態(tài)瑞雷波勘探工程實(shí)踐,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)瞬態(tài)瑞雷波勘探能準(zhǔn)確反映和區(qū)分地下不同巖層的界面,指出其精確厚度和各層的波速,探測(cè)深度能夠滿(mǎn)足水利水電工程的需要。

(2)瞬態(tài)瑞雷波勘探量大面廣,勘探成果具有較強(qiáng)的代表性,是一種快速、無(wú)損、經(jīng)濟(jì)的原位檢測(cè)方法。既能解決工程勘察中實(shí)際地質(zhì)問(wèn)題,又能對(duì)工程鉆探起到前期指導(dǎo)作用。

(3)瞬態(tài)瑞雷波勘探所測(cè)波速能夠直接反映巖土的物理力學(xué)性質(zhì),即通過(guò)測(cè)試的波速可以計(jì)算場(chǎng)地的類(lèi)型類(lèi)別、卓越周期以及各層的標(biāo)準(zhǔn)貫入、承載力等。因此,瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)不僅大大節(jié)省投資,而且明顯簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)工作程序,縮短勘察周期,提高了工作質(zhì)量和效率,必將在諸多工程勘察領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

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