地表地球物理技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

陳劍

摘要：地球物理勘探方法在巖土工程上已經(jīng)得到了很長(zhǎng)一段時(shí)間的應(yīng)用，但是其應(yīng)用效果與工程師們的期望還存在著比較大的落差，并難以在巖土工程中得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)隨著我國(guó)地表地球物理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也使得其在巖土工程中所適用的范圍得到了進(jìn)一步的增長(zhǎng)。本文就地表地球物理技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用狀況進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。

關(guān)鍵詞：地表地球物理技術(shù)；巖土工程；應(yīng)用

巖土工程的主要任務(wù)之一變得對(duì)地下水以及現(xiàn)址地下分層的分布特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研，在該工程中多采用的是鉆探以及原位貫入的方式來(lái)進(jìn)行。這種傳統(tǒng)調(diào)研方式其雖然具備有很高的分辨率，但是所受范圍的局限性比較大，因此不適用于許多巖土工程之中。而地表地球物理技術(shù)則具備有較大的調(diào)研范圍，其不會(huì)造成底殼的損壞并具備有很好的經(jīng)濟(jì)性。但是運(yùn)用該模式進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的分布特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研時(shí)，其還存在著分辨率不高等問(wèn)題，這也就需要相關(guān)技術(shù)人員能夠?qū)ΜF(xiàn)有的地表地球物理技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與完善，并使得其分辨率能夠得到有效的提升。

一、地球地表物理技術(shù)的應(yīng)用案例

（一）走時(shí)層析成像法——混凝土壩檢測(cè)

該案例應(yīng)用了走時(shí)層析成像法來(lái)對(duì)混凝土壩體的強(qiáng)度分布繼續(xù)擰了檢測(cè)，其案例水庫(kù)為一老舊的混凝土拱形重力壩，而近期進(jìn)行的水庫(kù)安全評(píng)估等結(jié)果均表明了該壩體的表面強(qiáng)度不足。為了對(duì)該老舊壩體的內(nèi)部混凝土強(qiáng)度狀態(tài)進(jìn)行有效的檢測(cè)，規(guī)劃彈性波層析成像探測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，也就需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及需求，來(lái)對(duì)共計(jì)五處彈性波層析成像勘探剖面。在本次檢測(cè)中，其震源設(shè)置在了下游壩面，接收器則置于上游的壩面。在本次檢測(cè)的壩體層析成像結(jié)果表明該壩體的整體波速約在3.0～4.2km/m這一范圍內(nèi)，其最低速區(qū)仍可達(dá)質(zhì)量分類“可”之下屆，其朝向壩體內(nèi)部弱化多而且限制在1～2m內(nèi)。此外勘察結(jié)果其波速降低多呈現(xiàn)為沿壩軸方向均勻帶狀分布，并且沒(méi)有明顯的因破裂劣化而造成的明顯內(nèi)部延伸弱帶存在。就該勘探結(jié)果進(jìn)行分析，說(shuō)明了該老舊水庫(kù)其混凝土強(qiáng)度偏低的原因在于壩體下游面表面試作，并使得整個(gè)勘探結(jié)果表示出混凝土強(qiáng)度不足這一情況。但是對(duì)于整體壩體強(qiáng)度而言還處于一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。這也就證明了借助于地表地球物理技術(shù)能夠很好的給工程師們提供土木以及巖土工程的圖像化結(jié)果，并能夠充分滿足工程師們進(jìn)行地層以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的渴求。

（二）電阻率層析成像法

某一水庫(kù)為了使得自身的庫(kù)容量增強(qiáng)而進(jìn)一步加高了壩體，但是其所加高的蓄水超過(guò)了舊壩頂高程之后，與大壩的下游坡面發(fā)現(xiàn)了數(shù)處異常滲漏的現(xiàn)象。因?yàn)樵摯髩巫笥疑郊沟牡刭|(zhì)條件并不是非常良好，而且在加高之前采用的也是隔幕灌漿的模式。首先發(fā)現(xiàn)壩面出現(xiàn)異常滲水的位置靠近與左壩座，并推測(cè)其為庫(kù)水經(jīng)過(guò)了左山脊?jié)B漏到下游殼層。該水庫(kù)管理單位為了有效解決大壩的異常滲水問(wèn)題，也就與左壩座建造了一到隔幕灌漿，但是該大壩的異常滲漏問(wèn)題并沒(méi)有得到很好的解決。為了能夠?qū)υ斐稍摯髩萎惓B漏的原因有一個(gè)企管系的認(rèn)知，相關(guān)技術(shù)人員分別在左壩座、壩頂以及下游面三處布設(shè)了三條二維ERT測(cè)線。在現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)過(guò)程中所采用的是電極間距5m的Wenner排列，可發(fā)現(xiàn)各有兩處異常低電阻區(qū)，疑似為兩處對(duì)應(yīng)的異常滲流路徑。此外因?yàn)殡娮杪嗜菀资艿降叵潞柡投鹊挠绊懀錅y(cè)試數(shù)值的高低也與地層材料其分布狀況以及粒徑分布狀況有著一定的聯(lián)系，因此也難以僅從低電阻影響的結(jié)果來(lái)對(duì)異常滲漏區(qū)域進(jìn)行判斷。本次勘測(cè)結(jié)果揭露了可能滲流路徑高出地下水位比較多，這也就說(shuō)明了下游面所產(chǎn)生的異常滲漏現(xiàn)象并非是因?yàn)樗畮?kù)的穩(wěn)態(tài)滲流而造成的。通過(guò)對(duì)滲漏量水壩的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大量的滲漏現(xiàn)象都是出現(xiàn)在降雨之后，因此就可以判定該大壩出現(xiàn)了異常滲漏到原因是因?yàn)閴误w自身材料的有水洗非均質(zhì)。

二、 地表地球物理技術(shù)在巖土工程應(yīng)用中的挑戰(zhàn)以及對(duì)策

（一）反演的非唯一性

有很大一部分物探方法且需要通過(guò)反演的方式來(lái)求得待測(cè)物體的參數(shù)或者影像剖面，其主要采取的是誤差成本函數(shù)的優(yōu)化方法，但是該過(guò)程并不具備有唯一性。并導(dǎo)致了許多工程師因?yàn)槿狈υ摲矫娴闹R(shí)，并缺乏對(duì)反演結(jié)果中可能存在有限制性這一認(rèn)知。一般情況下導(dǎo)致反演非唯一性的原因可以歸納為以下三類：①物理現(xiàn)象本身的非唯一性；②量測(cè)信息在空間以及頻率內(nèi)涵的局限性；③反演的過(guò)度收斂以及局部的優(yōu)化問(wèn)題。

因此說(shuō)物探方法的反演受到了含誤差的有限量測(cè)資料以及收斂的限制等諸多問(wèn)題，因此其結(jié)果也表現(xiàn)為非唯一性。而在對(duì)反演的結(jié)果進(jìn)行詮釋的過(guò)程中，還要求工程師們必須報(bào)以謹(jǐn)慎的態(tài)度，并盡可能的避免施測(cè)結(jié)果的過(guò)度解讀現(xiàn)象。因此說(shuō)在地球物理技術(shù)的研究上，可以朝著搭配不同物探方法來(lái)進(jìn)行聯(lián)合反演，并在此基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行施測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)與分析。

（二）勘測(cè)的深度以及分辨率

近年來(lái)我國(guó)的地表地球物理技術(shù)在勘探的深度以及解析能力這兩個(gè)方面都有著非常明顯的發(fā)展，但是其與工程師們的認(rèn)知以及期待還存在著較大的落差，這也就需要借助于進(jìn)一步的研究與教育來(lái)降低因?yàn)槲锾椒椒ㄟ^(guò)度承諾以及工程師的過(guò)度期待等問(wèn)題。比如電阻率層析成想法較之其他的勘探深度能力較之于其他的地面方法為佳，但是隨著深度的增加其分辨率也會(huì)得到一定程度的下降，而且對(duì)于低電阻率區(qū)域的下方以及周邊也存在著簡(jiǎn)析能力過(guò)差這一問(wèn)題。而主動(dòng)式瞬態(tài)面波法其勘探的深度與測(cè)線的展距呈現(xiàn)出正比的關(guān)系，主要適用于30m以內(nèi)的地層勘探，在該勘探方法中期淺層約為最小波長(zhǎng)的一半，但是會(huì)隨著深度的增加而出現(xiàn)一定程度的下降。工程師一般對(duì)于分辨率都有著較高的要求，因此在巖土工程的勘探過(guò)程中也可以借助于鉆孔的方式來(lái)增加勘探的深度以及深層的分辨率。但是這種跨孔走時(shí)層析成像探測(cè)的簡(jiǎn)析能力其在矩形區(qū)域內(nèi)并非是呈現(xiàn)均勻分布的形式，其中間區(qū)域上方與下方的解析能力也存在著較大的差異性，因此說(shuō)兩孔之間的間距應(yīng)當(dāng)保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)木嚯x內(nèi)。

此外電阻率勘探也可以采用跨孔或者孔對(duì)地面的方式，較之于走時(shí)層析成像探測(cè)方法，其施測(cè)方式無(wú)一致性的做法，雖然說(shuō)能夠借助于鉆孔的方式來(lái)增加其勘探的深度以及深層的分辨率，但是如何對(duì)有跨孔所構(gòu)成的矩形區(qū)域的分辨率進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，也就需要工程師進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

結(jié)束語(yǔ)：

物探方法的反演經(jīng)常會(huì)受到含有誤差的有限量測(cè)數(shù)據(jù)以及收斂上的限制等諸多問(wèn)題，因此并不具備有唯一性，因此工程師對(duì)于反演的結(jié)果詮釋需要保有足夠的謹(jǐn)慎，并需要盡量避免對(duì)施測(cè)結(jié)果進(jìn)行過(guò)度解讀這一情況出現(xiàn)。因此工程師就可以度不同的反演初始模式進(jìn)行測(cè)試，來(lái)朝著多種物探方法聯(lián)合反演的方向進(jìn)行發(fā)展。此外現(xiàn)階段的巖土工程應(yīng)用對(duì)于地球地理物理技術(shù)的探測(cè)分辨率要求也變得越來(lái)越高，這也就需要在土木工程中應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，就可以借助于鉆孔輔助的方式來(lái)使得其探測(cè)的分辨率得到進(jìn)一步的增加，并需要借助于進(jìn)一步研究以及教育訓(xùn)練的模式來(lái)降低對(duì)地物探測(cè)方法的過(guò)度承諾以及工程師的過(guò)度期待等問(wèn)題。因此說(shuō)只有不斷對(duì)地表地球物理技術(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化與完善，也能夠使得其勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性以及分辨率得到進(jìn)一步提升，并使得其能夠在巖土工程中得到更加廣泛的應(yīng)用。

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