地震映像法在巖溶地基初步勘察中的工程應(yīng)用

張向陽(yáng) 吳文斌

(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

地震映像法在巖溶地基初步勘察中的工程應(yīng)用

張向陽(yáng) 吳文斌

(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

敘述了地震映像法的工作原理和資料處理解釋方法，以及溶洞在地震剖面上的各種不同波形特征反映，并通過大連市大窯灣某場(chǎng)區(qū)巖溶地基的初步勘察實(shí)例說明了采取地震映像法進(jìn)行巖溶地基勘察的方法的有效性和實(shí)用性。

巖溶，淺層地震勘探，地震映像法，初步勘察

0 引言

巖溶在我國(guó)是一種相當(dāng)普遍的不良地質(zhì)作用，往往對(duì)工程安全造成不利影響。在巖溶區(qū)進(jìn)行建設(shè)，需要重點(diǎn)查明工程穩(wěn)定性問題，一般需要先對(duì)巖溶區(qū)場(chǎng)地進(jìn)行初步勘察。為避免盲目布置鉆孔，可先采用物探方法，在探測(cè)目的明確，只需要研究橫向地質(zhì)變化的情況下，地震映像法能取得較好的效果。初勘前首先通過野外踏勘和區(qū)域地質(zhì)資料對(duì)比，采取地震映像法對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行探測(cè)，并在對(duì)地震映像探測(cè)成果分析基礎(chǔ)之上，合理布置鉆孔對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行驗(yàn)證；經(jīng)對(duì)鉆探、物探等資料綜合分析后，提交場(chǎng)區(qū)的初勘資料，從而指導(dǎo)下一步工程建設(shè)。下面結(jié)合大連市大窯灣某場(chǎng)區(qū)巖溶地基初步勘察中地震映像法探測(cè)實(shí)例進(jìn)行說明。

1 地震映像法探測(cè)基本原理

在工程勘探中，地震映像法采用單道激發(fā)、單道接收(激發(fā)點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的檢波點(diǎn)之間的距離稱之為偏移距)，激發(fā)一道后，激發(fā)點(diǎn)S與檢波點(diǎn)R同時(shí)沿著測(cè)線移動(dòng)固定點(diǎn)距(道間距)，再次激發(fā)采集(見圖1)，最后形成的是共偏移距時(shí)間剖面(見圖2)，由于在工程中使用的偏移距約0 m～5 m，所以它是一個(gè)近自激自收的地震時(shí)間剖面，而且實(shí)際測(cè)量點(diǎn)是激發(fā)點(diǎn)與檢波點(diǎn)之間的中點(diǎn)，因此實(shí)際上此地震時(shí)間剖面反應(yīng)的是該偏移距范圍內(nèi)的地下巖土層及地質(zhì)情況的變化(見圖2)。

地震映像法中，常用反射波作為主要的有效波。對(duì)采集的地震映像時(shí)間剖面分析，當(dāng)界面水平時(shí)，反射點(diǎn)的位置正好在記錄點(diǎn)上，每次激發(fā)的反射波傳播時(shí)間不變，同相軸為直線(見圖2)。當(dāng)界面深度發(fā)生變化時(shí)，反射波的傳播時(shí)間會(huì)發(fā)生變化，同相軸相應(yīng)發(fā)生變化；當(dāng)在介質(zhì)中存在局部異常體或斷層的斷點(diǎn)、巖性分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射波，同相軸亦產(chǎn)生變化，圖3、圖4分別為巖溶塌陷地震映像探測(cè)示意圖及地震時(shí)間剖面圖。

2 地震映像法中不同巖溶溶洞類型的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析

巖溶地區(qū)在地下水等各種地質(zhì)條件作用下，場(chǎng)地一般會(huì)出現(xiàn)隱伏土洞、溶洞以及巖溶塌陷等三種巖溶現(xiàn)象，下面重點(diǎn)就兩種常見溶洞進(jìn)行特征分析。

2.1 封閉型溶洞的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析

對(duì)于內(nèi)封閉型的溶洞，由于內(nèi)部沒有固體填充物，因此通常把其頂部的分界面當(dāng)作自由表面來處理。由于地震映像法使用的偏移距通常較小，地震波入射角也較小，所以在該種情況下地震波發(fā)生負(fù)反射，在時(shí)間剖面上會(huì)出現(xiàn)同相軸與同一地層兩邊不夠連續(xù)，甚至完全錯(cuò)位的現(xiàn)象。甚至當(dāng)入射角為0時(shí)，反射波與入射波出現(xiàn)半波損失。因此當(dāng)?shù)卣鸩?主要為P波)入射到溶洞頂部自由反射界面上只有反射，不存在透射，沒有透射損失，振幅方面，在總能量一定的情況下，反射能量相對(duì)增強(qiáng)了，所以在地震剖面上會(huì)出現(xiàn)振幅凸起部分，與同一反射層相比出現(xiàn)了強(qiáng)反射。由于是空溶洞，因此溶洞頂部的反映在地震時(shí)間剖面上就是強(qiáng)反射之下幾乎沒有反射波[5]。

2.2 含有充填物的溶洞的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析

對(duì)于含有充填物的溶洞，尤其是含有松散粘土或是碎石填充物，其反射界面的也是負(fù)波阻抗界面。此時(shí)地震波發(fā)生負(fù)反射，而溶洞兩邊由于發(fā)生正反射，在地震剖面上也發(fā)生同相軸不連續(xù)的現(xiàn)象。由于含有填充物的溶洞頂部出現(xiàn)透射現(xiàn)象，因此透射波傳到溶洞底部時(shí)，由于底部的反射界面的波阻抗比洞中填充物大，出現(xiàn)比較明顯的相對(duì)強(qiáng)勢(shì)反射，振幅高于中間填充物的反射振幅，且由于地震波穿過填充物時(shí)能量損失較多，底部的反射波的振幅會(huì)比兩邊小。在有松散填充物的溶洞中，地震波的傳播速度相對(duì)要小，穿越同樣距離所需的旅行時(shí)增加，在時(shí)間剖面上表現(xiàn)為同相軸凹陷[1]。

3 數(shù)據(jù)處理

由于地震映像法采集的是共偏移距剖面，偏移距小，且地震記錄上的時(shí)間變化主要為地下地質(zhì)體的反映，因此在資料解釋上有很大的便利，可直接對(duì)資料進(jìn)行分析解釋。一般的處理流程如圖5所示。

4 淺?；靥顓^(qū)工程初步勘察實(shí)例分析

4.1 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況及初步勘察目標(biāo)

本工程工作區(qū)位于大連市大窯灣某一物流園區(qū)，場(chǎng)地屬濱海潮間帶，西側(cè)及南北側(cè)為丘陵帶，東部為黃海，場(chǎng)地經(jīng)人工整平作為建筑用地，場(chǎng)地較平整。場(chǎng)地地面高程5 m～6 m，高差為0.68 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆探，場(chǎng)地地層由上至下依次為：素填土、礫砂夾淤泥、礫石混土、基巖(灰?guī)r)共計(jì)四層。各鉆孔均有地下水被揭露，水位受潮汐影響不大。地下水位埋深5.6 m～6.5 m。

根據(jù)臨近場(chǎng)地的勘察報(bào)告顯示，臨近場(chǎng)地巖溶發(fā)育，風(fēng)化灰?guī)r及下覆的中風(fēng)化灰?guī)r中均見溶洞發(fā)育。為查明擬建場(chǎng)地巖溶發(fā)育規(guī)律和巖溶形態(tài)的分布規(guī)律，本次勘察確定在野外踏勘和收集區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)勘察目標(biāo)，首先采取地震映像法對(duì)整個(gè)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行探測(cè)，然后在對(duì)地震映像探測(cè)成果分析基礎(chǔ)之上，合理布置鉆孔及對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行一定的驗(yàn)證；經(jīng)對(duì)鉆探、物探等資料綜合分析后，提交場(chǎng)區(qū)的初勘資料，從而指導(dǎo)下一步工程建設(shè)。

4.2 地震映像法數(shù)據(jù)采集

根據(jù)測(cè)區(qū)的地質(zhì)概況布置縱、橫測(cè)線；采用單邊放炮、單道接

收方式，采樣間隔為0.1 ms，采樣點(diǎn)數(shù)為4 096,偏移距5 m，道間距1 m；震源采用錘擊墊板的方式；為壓制干擾，采用多次震源激發(fā)疊加與最佳反射接收技術(shù)。

4.3 探測(cè)成果分析

1)異常判定。地震映像法在資料解釋中利用多種地震波的信息，由于每個(gè)紀(jì)錄道都采用相同的偏移距，地震記錄上的時(shí)間變化為地下地質(zhì)體的反映，這樣通過對(duì)地震波同相軸連續(xù)性的判斷可解釋地下地質(zhì)賦存情況。通過對(duì)地震映像數(shù)據(jù)的濾波處理，進(jìn)行交互式對(duì)比分析，利用溶洞的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，判斷出同相軸斷開和雜亂處為地下溶洞的反映。

2)深度解釋。根據(jù)對(duì)工區(qū)地形條件的分析，深度解釋采用的速度值分兩段計(jì)算。第一段即表層填土和原灘涂地層，0 ms～100 ms(即0 m～20 m)，速度值按400 m/s計(jì)算；第二段為100 ms以下(即20 m以下)，為風(fēng)化基巖，速度值按1 000 m/s計(jì)算，從而對(duì)溶洞的規(guī)模進(jìn)行推測(cè)，形成初步解釋成果。

4.4 鉆孔布置及驗(yàn)證

根據(jù)地震映像法的初步解釋成果，調(diào)整優(yōu)化初步勘察鉆孔平面布置，并在物探巖溶探測(cè)異常區(qū)位置布置部分鉆孔，一方面對(duì)物探初步解釋成果進(jìn)行驗(yàn)證，另外也為地震映像法的再解釋工作提供依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本次勘察在對(duì)地震映像探測(cè)成果分析基礎(chǔ)之上，通過進(jìn)一步合理布置鉆孔并對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行一定的驗(yàn)證；經(jīng)對(duì)鉆探、物探等資料綜合分析后，提交場(chǎng)區(qū)的初勘資料，基本查明了場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律和巖溶形態(tài)的分布規(guī)律，勘探精度滿足初步設(shè)計(jì)階段的要求，確保了后續(xù)勘察及工程建設(shè)的持續(xù)進(jìn)行。由此可見，淺層的地震映像法是工程物探中一種較有效的探測(cè)方法，在以后的工程勘察中會(huì)發(fā)揮越來越廣泛的作用。

[1] 吳有亮，雷 宛.溶洞的淺層地震反射特征及工程應(yīng)用[J].工程勘察，2006(4)：73-76.

[2] 單娜琳，程志平.地震映像方法及其應(yīng)用[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，23(1)：36-40.

[3] 王林飛，薛榮俊.淺?；靥顓^(qū)域的地震映像效果分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，36(sup)：185-188.

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[5] 陸基孟.地震勘探原理(下冊(cè))[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1993.

[6] 鐘世航.淺層高分辨率勘查中的陸地聲納法[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2004，1(1)：31-37.

Application of seismic imaging method inpreliminary geotechnical investigation of the karst foundation areas

Zhang Xiangyang Wu Wenbin

(ChinaInstituteofGeotechnicalInvestigationandSurveyingLimited,Beijing100007,China)

The paper introduces the working principle of seismic imaging method and data processing and interpretation methods and the karst cave in various waveform features on seismic time section. We are going to show the validity and practicability of the seismic imaging method in the preliminary investigation of karst foundation by a district example in Dayaowan, Dalian.

karst, shallow seismic exploration, seismic imaging method, preliminary geotechnical investigation

2015-02-05

張向陽(yáng)(1983- )，男，碩士，工程師; 吳文斌(1986- )，男，工程師

1009-6825(2015)11-0074-02

P642.25

A