擬建長江大橋橋址區(qū)水上物探方案研究

王雙六,劉長平

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 地勘分院，安徽 合肥230088)

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擬建長江大橋橋址區(qū)水上物探方案研究

王雙六,劉長平

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 地勘分院，安徽 合肥230088)

某擬建長江大橋需要采用物探方法查明橋址區(qū)范圍內(nèi)各巖土層的分布厚度及斷裂破碎帶構(gòu)造發(fā)育狀況。由于物探測量是在水面并且是在橫穿水流的條件下作業(yè)，因此選擇合適的物探方法及合適的觀測系統(tǒng)參數(shù)是獲得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)、完成勘查目標(biāo)的必要條件。在工程實(shí)踐過程中分析了地質(zhì)地球物理?xiàng)l件、勘探目標(biāo)及水上施工環(huán)境，選用了地震映像法和瞬變電磁法兩種物探方法，并根據(jù)物探理論和現(xiàn)場試驗(yàn)選擇了合適的裝置類型，計(jì)算了采集技術(shù)參數(shù)，取得了良好的勘察效果。

地震映像法；分辨率；時窗；瞬變電磁法；線圈

1　引　言

某擬建長江公路大橋，鉆探揭露橋址區(qū)地層巖性自上而下分別為粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂、卵石土和強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。為了查明各巖土層的厚度分布，進(jìn)一步查明橋址區(qū)范圍內(nèi)斷裂破碎帶構(gòu)造發(fā)育狀況，需選用適當(dāng)?shù)奈锾椒椒ㄟM(jìn)行勘探。目前能夠在水面上實(shí)施的適用于淺層工程勘察的物探方法有淺層聲納剖面、地震映像法和瞬變電磁法。

何振才等在某跨江大橋勘探中采用了水上淺層地震勘探方法，并試驗(yàn)了各種震源的頻譜特征[1]。李軍峰等在香港南部某海域應(yīng)用了單道地震反射波法，在采集參數(shù)方面討論了各種換能器的性能參數(shù)[2]。甘文兵等在應(yīng)用地震映像法勘探時，在采集參數(shù)方面主要討論了偏移距的選擇[3]。廖全濤等在武漢某過江隧道勘察中采用了地震映像法，試驗(yàn)了同一種震源改變頻譜特征的方法[4]。1999年，方根顯在某橋梁勘探中應(yīng)用了水上瞬變電磁法，但是對裝置類型和采集參數(shù)的選用沒有進(jìn)行理論計(jì)算[5]。祝杰等在某過江管線工程的勘探中應(yīng)用了水上瞬變電磁法，試驗(yàn)了兩種不同長度邊長的重疊回線裝置和采集過程中三種疊加次數(shù)的效果[6]。楊農(nóng)合等在探測水下構(gòu)造時采用了小線框(邊長3 m)的重疊回線裝置[7]。

在設(shè)計(jì)長江公路大橋的水上物探方案時需要研究勘查區(qū)的水深、各巖土層物性數(shù)據(jù)、目標(biāo)勘探深度及目標(biāo)分辨率，用以計(jì)算出合適的觀測時窗、實(shí)測信號的主頻范圍、震源的能量及頻帶寬度(包括實(shí)地試驗(yàn)方法)，并在此基礎(chǔ)上精心設(shè)計(jì)地震映像法的觀測系統(tǒng)與采集參數(shù)；對于瞬變電磁法需要計(jì)算的參數(shù)有：線框的邊長、匝數(shù)及發(fā)射電流，觀測時窗等。本文將對上述問題展開討論。

2　方法原理

2.1聲納

聲納法的工作原理為聲波測距，即通過發(fā)射超聲波并接收反射回波，直觀地識別地層的地質(zhì)構(gòu)造，如圖1所示。其使用的儀器為“淺地層剖面儀”。

圖1　聲納工作原理Fig.1　Operational principle of sonar

聲納法的主要特點(diǎn)有：儀器自動化程度高，工作效率高；工作頻率為超聲波，分辨率高；發(fā)射功率較小，穿透深度小。因此其一般用于水深及水底地形測量，不適用于長江大橋勘探。

2.2地震映像法

地震映像法的采集方式是固定偏移距離，單點(diǎn)激發(fā)單點(diǎn)接收地震波，沿測線多點(diǎn)采集形成CMP剖面(圖2)。它是繼地震反射波多次覆蓋技術(shù)后發(fā)展的一門工程物探新技術(shù)，是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種常用淺地層勘探方法，以地層的波阻抗差異為地球物理前提。

地震映像法的主要特點(diǎn)有：觀測系統(tǒng)簡單，采集速度較快，但抗干擾能力弱；采用不同的震源可以調(diào)整分辨率與勘探深度；在探測目的較單一、只需研究橫向地質(zhì)情況變化的情況下，地震映像法效果較好，而探測目的層較多時，不易確定最佳偏移距；數(shù)據(jù)處理簡單，不需做動校正(當(dāng)偏移距為零時) ，因此具有不存在由于動校正造成的波形拉伸畸變或近地表廣角反射引起畸變的優(yōu)點(diǎn)，在資料解釋中可以利用多種波的信息[8]。

圖2　地震映像法工作原理Fig.2　Operational principle of seismic imaging method

由于在水中激發(fā)地震波沒有面波、轉(zhuǎn)換波等干擾，可以方便地改變震源頻率，因此地震映像法尤其適用于水上勘探。

2.3瞬變電磁法

瞬變電磁法也稱時間域電磁法(Time Domain Electromagnetic Methods，簡稱TEM)，它是利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場，并在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。其基本工作方法是：在地面或空中設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流；斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減(圖3)。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度??；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。由于瞬變電磁所發(fā)射的階躍脈沖實(shí)際上是由各種高頻和低頻諧波疊加而成, 一次發(fā)射可以同時完成不同深度的信息探測, 所以此方法的探測效率高[5]。

瞬變電磁法的工作裝置是布設(shè)導(dǎo)線線圈，在水上可以用固定的漂浮線圈拖行測量，因此工作效率高，可以采用多匝線圈、增加發(fā)射電流的手段加大勘探深度，適用于長江大橋勘探。

圖3　瞬變電磁法工作原理Fig.3　Operational principle of transient electromagnetic method (TEM)

3　觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

工程物探能否獲得良好的效果，達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，合適的物探方法是必要前提，精確的觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和施工保證則是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的充分條件。觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)場地的工程地質(zhì)條件和地表環(huán)境，擬建長江公路大橋橋址區(qū)域江水深度約10～30 m，砂卵石層厚度約10～30 m，基巖頂面埋深約40 m。地層物性參數(shù)如表1所示。

表1　地層物性參數(shù)

橋位物探目的是探測基巖內(nèi)是否發(fā)育斷裂破碎帶構(gòu)造，因此最大勘探深度≥100 m，分辨率要求能清晰地反映10～30 m厚的松散層。

3.1地震映像法參數(shù)

地震波的雙程旅行計(jì)算公式為

(1)

式中，T為地震波雙程旅行時間(ms)；hi為第i層厚度(m)；vi為第i層中地震波傳播速度(m/s)。

在極小偏移距近似自激自收的觀測系統(tǒng)中，根據(jù)最大勘探深度及巖土層波速資料，依據(jù)公式(1)計(jì)算地震波雙程旅行時間，則觀測時窗T≥120 ms。

震源的選擇要兼顧勘探深度與分辨率，即既要考慮激發(fā)能量的大小，又要考慮激發(fā)主頻與頻帶寬度。在這里主要考慮垂向分辨率，即層厚分辨率，其計(jì)算公式為

(2)

式中，zR為層厚分辨率(m)；Δz為薄層厚度(m)；tR為時間分辨率(ms)；λ是波長(m)。公式(2)表明，反射波分辨率的極限是1/4波長，而通常認(rèn)為反射波的分辨率為1/2波長。

地震波頻率f(Hz)的計(jì)算公式為

(3)

依據(jù)公式(3)和巖土層波速資料，計(jì)算出實(shí)測信號主頻F≥(1/2)f=100 Hz。

根據(jù)何振才等的研究成果，從頻帶寬度看：雷管激發(fā)的頻譜最豐富，通帶范圍最大；其次是爆炸震源，低頻成分比雷管激發(fā)的成分少；再次是錘擊尼龍棒；錘擊震源船的頻寬最窄。從激發(fā)的主頻看：爆炸震源的主頻最高，達(dá)1 400 Hz；其次是錘擊尼龍棒，其主頻為1 200 Hz ；再次是雷管激發(fā)，其主頻為1 000 Hz；而錘擊震源船的主頻最低，約為700 Hz[1]。

為了保證地震波既有足夠的分辨率，又具有足夠的穿透深度，要求震源子波的頻帶越寬越好，因此在現(xiàn)場做了電火花震源和錘擊震源船的對比試驗(yàn)。圖4是電火花震源脈沖波形圖。由圖4可見，電火花震源余震較多，延續(xù)長度約為10 ms，能量不是很集中。分析其頻譜特征(圖5)，頻帶范圍為350～750 Hz，鼠標(biāo)所指位置的峰值頻率約為570 Hz。錘擊震源船的試驗(yàn)方法是：在距離錘擊點(diǎn)3～5 m、水深約1 m的位置放置水聽器接收，這樣在10 ms窗口內(nèi)接收到的地震子波波形畸變接近于震源脈沖波形。圖6為錘擊震源波形圖。由圖6可知，錘擊震源續(xù)至相位少、能量主要集中于一個周期內(nèi)。其頻譜圖(圖7)表明，震源頻帶較寬，能量主要分布于150～350 Hz、600～1 500 Hz頻率范圍，鼠標(biāo)所指位置峰值頻率約為985 Hz。

使用炸藥震源，除了要考慮震源的頻帶分布，同時也要考慮與震源伴隨的一些現(xiàn)象，例如常規(guī)的炸藥、子彈震源不可避免地會出現(xiàn)氣泡效應(yīng)問題。這有可能將幾十毫秒內(nèi)的有用信號全部掩蓋，而如果采用非炸藥震源，如電火花震源、電脈沖震源、汽槍震源等，則會出現(xiàn)設(shè)備龐大和氣泡效應(yīng)問題，或是由于能量太小、頻帶偏高，波難以穿透深度較大和較厚的地層。

圖4　電火花震源波形Fig.4　Oscillograph of spark source

圖5　電火花震源頻譜Fig.5　Frequency spectrogram of spark source

圖6　錘擊震源波形Fig.6　Oscillograph of hammer source

圖7　錘擊震源頻譜Fig.7　Frequency spectrogram of hammer source

綜上所述，最終的震源方案是錘擊震源船，墊板為邊長(直徑40 cm)鋼板，鋼板上墊橡膠墊，墊板與船底之間用飽水細(xì)砂耦合，鐵錘敲擊。

偏移距的選擇是一個重要的問題，水底是一個強(qiáng)反射面，波以不同的入射角入射到水底界面，反射系數(shù)是不同的，反射系數(shù)越小越好。隨著入射角增大，反射系數(shù)亦增大。入射角在小于40°時，反射系數(shù)一般在0.31～0.34；當(dāng)入射角增到61°時，反射系數(shù)達(dá)到0.72；再增加入射角至61.9°時，產(chǎn)生了全反射，這時即無透射波。因此，選擇偏移距使得入射角小于40°時，一般對水底界面的穿透系數(shù)無大的影響。在水淺而又要求分辨淺部地層時，盡量采用小偏移距，以獲得較清晰的水底界面和較大的穿透系數(shù)[3]。

3.2瞬變電磁法參數(shù)

由于物探測量是橫穿江面的方式，考慮水流阻力和航行安全，瞬變電磁采用重疊回線觀測系統(tǒng)，回線邊長不能太大，現(xiàn)場與拖船配合試驗(yàn)后定為7 m。為了保證小邊長回線的探測深度，需要采用多匝線圈，大電流供電。最終參數(shù)為：回線邊長7 m，發(fā)射回線6匝，接收回線2匝，發(fā)射電流19 A。探測深度h(m)的計(jì)算公式為

(4)

式中：M為發(fā)送磁矩(A·m2)；ρ為表層電阻率(Ω·m)；η為最小可分辨信號水平(V/m2)，它的大小與目標(biāo)層幾何參數(shù)、物理參數(shù)和觀測時間段有關(guān)，在這里按儀器靈敏度與環(huán)境噪聲水平0.5 nV/m2計(jì)算。根據(jù)公式(4)計(jì)算最大探測深度h約為180 m[9-11]。

瞬變電磁場傳播速度很快，一般最長接收時窗為數(shù)十毫秒，因此能否精確確定觀測時窗是勘探成敗的關(guān)鍵因素。瞬變電磁場擴(kuò)散深度d(m)的計(jì)算公式為

(5)

式中：t為傳播時間(μs)；σ為介質(zhì)電導(dǎo)率(S/m)；μ0為真空中的磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m。

據(jù)公式(5)計(jì)算本橋位的理論模式下瞬變電

磁場傳播時間為125 μs。由于采用多匝線圈加大了線圈的電感，使得線圈過度過程延長，致使有效的最早取樣時間變大，進(jìn)而使勘探盲區(qū)變大；并且早期瞬變信號疊加了一次場的過渡過程，因而比真實(shí)的瞬變場值大。由于環(huán)境噪聲干擾的存在，所以觀測時窗至少大于雙程傳播時間250 μs。

本次物探屬于淺層精細(xì)探測，由于采用了多匝線圈，為了減少發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合感應(yīng)[12-14]、減小瞬變電磁場的早期觀測盲區(qū)[15,16]，采用圖8所示的形式對線框進(jìn)行布置。

圖8　瞬變電磁法線框布置示意圖Fig.1　Sketch map of transient electromagnetic method (TEM) line layout

3.3導(dǎo)航定位

將GPS岸臺架于基點(diǎn)上， GPS天線固定在測量中心，采用動態(tài)GPS系統(tǒng)導(dǎo)航實(shí)時定位，每2 s定點(diǎn)。外業(yè)工作時，將地震數(shù)據(jù)采集儀器、GPS測量及導(dǎo)航儀器置于測量船上，并由該船牽引水上電纜及震源船。地震記錄與GPS以時間相聯(lián)系。工作之前，將地震儀與GPS測量時間校核一致，工作系統(tǒng)在GPS導(dǎo)航指引下，沿測線緩行。工作船沿測線連續(xù)緩慢從江邊駛向?qū)Π?，即可完成工程物探勘察及測量。當(dāng)工作船在GPS指導(dǎo)下行駛時，地震勘探工作即可保證勘探點(diǎn)位落在測線上。在數(shù)據(jù)采集的同時，水位觀測站同時進(jìn)行水位觀測。

圖9　瞬變電磁法江面探測現(xiàn)場Fig.9　Probe site of transient electromagnetic method

4　工程實(shí)踐

根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算的采集參數(shù)在橋址區(qū)做了地震映像法和瞬變電磁法勘探，達(dá)到了預(yù)期的效果。

本次勘探地震映像法采用壓電式水聽器接收，水聽器拖放于船尾，與震源間偏移距離約10 m，此次作業(yè)區(qū)域水深一般10～30 m，通過現(xiàn)場多參數(shù)試驗(yàn)確定偏移距為10 m，完全符合入射角小于40°的要求。

本次勘探瞬變電磁法采用GDP-32瞬變電磁系統(tǒng)，采集參數(shù)如表2所示。

表2　瞬變電磁時窗參數(shù)

圖10　瞬變電磁和地震映像勘探成果Fig.10　The exploration results of transient electromagnetic method and seismic imaging method

圖10是本次勘探的部分成果。

勘探結(jié)果表明：江水深度在1.7～31 m，覆蓋層為粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂、卵石土和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，厚度在21～40 m，平均厚度約為32 m，基巖為泥質(zhì)粉砂巖，基巖面標(biāo)高在-45～-35 m；相位連續(xù)平穩(wěn)，未見明顯斷點(diǎn)異常。

5　結(jié)　語

物探勘察效果的好壞決定于原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，其關(guān)鍵是具有精確的觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。本文總結(jié)研究了一套適合于水域物探方案設(shè)計(jì)的方法與流程：通過收集工區(qū)水深、各巖土層厚度、波速與電阻率等數(shù)據(jù)，查明儀器性能參數(shù)，確定目標(biāo)勘探深度與目標(biāo)分辨率，計(jì)算地震映像法觀測時窗、地震記錄主頻范圍和震源頻帶范圍，進(jìn)行震源試驗(yàn)；根據(jù)現(xiàn)場施工條件選擇合適大小的瞬變電磁線框，然后計(jì)算線框匝數(shù)與發(fā)射電流大小，計(jì)算觀測時窗。

地震映像法施工所用的船舶動力噪聲是比較明顯的， 為了獲取更高的地震資料品質(zhì)和更高的采集作業(yè)效率，可控震源在長江水域的地震映像法勘探中的應(yīng)用值得進(jìn)一步研究。

水面施工時常縮小瞬變電磁線框，為了保證勘探深度，必然要加大線框匝數(shù)，為此需要對瞬變電磁法發(fā)射與接收線圈的大小、匝數(shù)及其相互耦合效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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Over-water Geophysical Scheme Study of Some Yangtze River Bridges

Wang Shuangliu，Liu Changping

(GeologicalSurveyBranch,AnhuiTransportConsulting&DesignInstituteCo.,Ltd.,HefeiAuhui230088,China)

The geophysical prospecting method for a proposed Yangtze River bridge is needed to detect distribution thickness of rock and soil layers and the structural development status of fracture. Because of over-water and crossing-over-water geophysical survey, the selection of suitable geophysical method and observation system parameters is an essential prerequisite for obtaining high quality raw data and completion of exploration targets. In the course of engineering practice, based on the analysis of the geological and geophysical conditions, exploration target, over-water construction environment, the author chose seismic imaging method and transient electromagnetic method(TEM). Meanwhile, the suitable geophysical method and device type has been selected according to the theory of geophysical prospecting and field test, and the collected technical parameters are processed, which obtained good prospecting effect.

seismic imaging method; resolution; time window; transient electromagnetic method; coil

1672—7940(2016)04—0546—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.024

王雙六(1968-)，男，高級工程師，主要從事工程物探工作。E-mail:tj_66@sina.com

P631.4

A

2016-03-11