高分辨率折射波層析成像法在城市物探中的應(yīng)用

王　強(qiáng)，王道光

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

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高分辨率折射波層析成像法在城市物探中的應(yīng)用

王強(qiáng)1，王道光2

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；2.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

摘要：城市現(xiàn)代化過(guò)程中，地下工程建設(shè)不斷增加，工程修建等對(duì)地下地質(zhì)體穩(wěn)定性存在一定影響，城市中莫名會(huì)出現(xiàn)一些“天坑”。為了預(yù)防及減少這些災(zāi)害發(fā)生，文章采用高分辨率折射波層析成像技術(shù)對(duì)地下地質(zhì)體進(jìn)行勘探。文章介紹了折射波層析成像的基本原理，并通過(guò)工程實(shí)例介紹了該方法的工作流程，該方法數(shù)據(jù)量大、分辨率高、結(jié)果直觀，能通過(guò)縱波速度剖面圖準(zhǔn)確確定地下地質(zhì)體物理性狀。

關(guān)鍵詞：高分辨率；地震折射波法；層析成像；城市地質(zhì)；勘探

0引言

社會(huì)在進(jìn)步，城市在發(fā)展，地上建筑越來(lái)越多，路面以下也隨著變得越來(lái)越復(fù)雜。直至近些年各地“天坑”不斷出現(xiàn)，各種“天坑”吞人、吞車現(xiàn)象偶有發(fā)生，造成經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，甚至生命代價(jià)，使得人們?cè)絹?lái)越關(guān)注城市地質(zhì)。在不破壞地表情況下，為了預(yù)防并減少這種意外損失，采用地球物理勘探是一種有效的方法，文中使用高分辨率折射波層析成像法來(lái)進(jìn)行城市地質(zhì)勘探。

1高分辨率折射波層析成像法的基本原理

層析成像(Computed Tomography簡(jiǎn)稱CT)技術(shù)在上世紀(jì)70年代末開(kāi)始被廣泛用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]，隨后在工程勘探中逐漸得到應(yīng)用。折射波層析成像就是將醫(yī)學(xué)中各種射線源換成地震波震源。

層析成像技術(shù)采用交叉射線掃描介質(zhì)內(nèi)部，根據(jù)介質(zhì)質(zhì)量與介質(zhì)中地震波傳播速度呈現(xiàn)相關(guān)性來(lái)判定介質(zhì)質(zhì)量。通過(guò)數(shù)學(xué)理論方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算、反演出介質(zhì)內(nèi)部速度分布圖，從而判定介質(zhì)內(nèi)部質(zhì)量。該勘探方法，對(duì)人體無(wú)害，數(shù)據(jù)量大，分辨率高，因此已被廣泛應(yīng)用于各類工程。

CT層析成像技術(shù)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是對(duì)模型進(jìn)行射線追蹤。將介質(zhì)劃分成若干微小單元，僅在單元中速度分布均勻，且每個(gè)單元四邊中存在一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，地震波沿單元四邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳播，惠更斯和費(fèi)馬原理，只需計(jì)算出波的傳播路徑及旅行時(shí)即可，見(jiàn)圖1。

圖1　速度單元、節(jié)點(diǎn)及炮點(diǎn)到檢波點(diǎn)間的射線路徑

本次項(xiàng)目的資料處理采用驕佳(GEOGIGA)公司軟件，使用最小2乘法對(duì)初始速度模型進(jìn)行反演，給定初始速度及模型層數(shù)后，通過(guò)反復(fù)迭代計(jì)算[2]，結(jié)果以速度譜形式呈現(xiàn)。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1工程概況

遼陽(yáng)街街道發(fā)生過(guò)一次塌陷，塌陷直徑達(dá)數(shù)米，修復(fù)后需要對(duì)修復(fù)質(zhì)量進(jìn)行檢查，避免類似災(zāi)害再次發(fā)生，現(xiàn)擬采用物探手段進(jìn)行勘探。

2.2工作布置

在遼陽(yáng)街指定范圍，采用淺層地震折射波層析成像方法進(jìn)行勘探。測(cè)線順遼陽(yáng)街方向平行布置3條勘探線，其中路中軸線1條，兩側(cè)步道板上各1條，長(zhǎng)度均為210m。本次勘探檢波器為36道，人工錘擊震源，多次垂直疊加。每個(gè)折射層析成像法排列設(shè)計(jì)7個(gè)炮點(diǎn)，每條測(cè)線完成3個(gè)層析成像法排列，共計(jì)21炮[1]。

完成工作量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　物探完成工作量統(tǒng)計(jì)表

2.3使用儀器及方法技術(shù)

本次使用儀器為美國(guó)SI公司全數(shù)字化地震勘探采集系統(tǒng)，該地震采集系統(tǒng)具有高精度、高保真度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)選擇如下：

1)道距：3m

2)采集通道：36道

3)采樣率：0.5ms

4)記錄長(zhǎng)度：512ms

5)炮點(diǎn)距：全排列放炮

6)檢波器：數(shù)字化寬頻檢波器

本次野外施工采用65 kg夯錘錘擊厚鐵板作為震源，每個(gè)記錄進(jìn)行多次錘擊疊加，直至記錄清晰。施工炮點(diǎn)與檢波器位置排列如圖2所示，每個(gè)排列≥7炮，排列長(zhǎng)度為105 m，滾動(dòng)向前施工。施工中檢波器與地面采用特制底座連接，耦合情況良好，每個(gè)檢波器接收效果良好。

圖2　激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)排列方式

2.4資料解釋

各測(cè)線淺層地震折射波層析成像成果如下：

測(cè)線L1淺層地震折射波層析成像剖面圖見(jiàn)圖3。

圖3 L1測(cè)線(0～210m)淺層地震折射波層析成像剖面圖

由圖3可以看出：在測(cè)線的10～36 m，52～78 m，深度約18m，76～94 m，136～148 m，深度約7～9 m，及154～169 m，深度約12m處出現(xiàn)了5個(gè)明顯的縱波低速異常區(qū)域，根據(jù)波速與介質(zhì)密度的關(guān)系，推測(cè)這些區(qū)域?yàn)椴幻軐?shí)區(qū)。

測(cè)線L2淺層地震折射波層析成像剖面圖見(jiàn)圖4。

圖4L2測(cè)線(0～210m)淺層地震折射波層析成像剖面圖

由圖4可以看出：在測(cè)線的58.5～88.5 m，深度約21m，94～112 m，深度約6m，及153～172 m，深度約10m處出現(xiàn)了3個(gè)明顯的縱波低速異常區(qū)域，根據(jù)波速與介質(zhì)密度的關(guān)系，推測(cè)這些區(qū)域?yàn)椴幻軐?shí)區(qū)。

測(cè)線L3淺層地震折射波層析成像剖面圖見(jiàn)圖5。

圖5L3測(cè)線(0～210m)淺層地震折射波層析成像剖面圖

由圖5可以看出：在測(cè)線的34～76 m，深度約18m，82～100 m，深度約12m，及136～167 m，深度約9m處出現(xiàn)了3個(gè)明顯的縱波低速異常區(qū)域，根據(jù)波速與介質(zhì)密度的關(guān)系，推測(cè)這些區(qū)域?yàn)椴幻軐?shí)區(qū)。

為了驗(yàn)證勘探成果，選取測(cè)線L2進(jìn)行淺層地震反射波法校核，其反射波法速度譜剖面圖見(jiàn)圖6。

圖6　L2測(cè)線(210m)淺層地震

由圖6可以看出：在測(cè)線的34～55 m，深度約12～15 m；在測(cè)線的51～63 m、在測(cè)線的68～118 m，深度約7～10 m；在測(cè)線的145～152 m、在測(cè)線的160～167 m，深度約8～12 m；在測(cè)線的152～160 m、在測(cè)線的167～180 m，深度約7～10 m，這幾處出現(xiàn)了明顯的異常區(qū)域，同相軸發(fā)生錯(cuò)位、不連續(xù)，推測(cè)在該區(qū)域地下介質(zhì)不密實(shí)[2]。

遼陽(yáng)街探測(cè)異常統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

本次物探共在遼陽(yáng)街3條測(cè)線中發(fā)現(xiàn)異常11處，并對(duì)L2測(cè)線進(jìn)行了其他方法驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果基本一致。

3結(jié)論

本次物探工作采用了淺層地震折射層析成像方法與淺層地震反射波法相結(jié)合，兩種方法中得到的異常點(diǎn)位置清晰、一致，能夠互相印證，充分證明本方法在城市物探中的適用性與準(zhǔn)確性。

表2　物探異常點(diǎn)匯總

參考文獻(xiàn)：

[1]和銳，楊建思，張翼.地震層析成像方法綜述[J].北京：Ct理論與應(yīng)用研究，2007，16(1)：35-48.

[2]莊天戈.CT原理與算法[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992：77-97.

中圖分類號(hào)：P631.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

[作者簡(jiǎn)介]王強(qiáng)(1985-)，男，黑龍江綏濱人，工程師；王道光(1981-)，男，四川內(nèi)江人，工程師。

[收稿日期]2015-11-28

文章編號(hào)：1007-7596(2016)01-0091-03