延遲時(shí)法地震折射波勘探在某高速公路深挖段風(fēng)化層探測(cè)中的應(yīng)用

趙 祥，王 萍，黃 勇，張宏兵>

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

1 引 言

國(guó)家經(jīng)濟(jì)經(jīng)過(guò)幾十年的高速增長(zhǎng)，已經(jīng)進(jìn)入了中速增長(zhǎng)加高質(zhì)量增長(zhǎng)的新階段，到2035年基本建成交通強(qiáng)國(guó)，既要保證增長(zhǎng)速度，又要保證質(zhì)量，既要節(jié)約成本，又要提高工作效率，達(dá)到又好又快的發(fā)展目標(biāo)。因此，在高速公路建設(shè)過(guò)程中，如何保質(zhì)保量保生產(chǎn)是工程人員最關(guān)心的問(wèn)題。在高速公路建設(shè)期間，將會(huì)遇到各類(lèi)工程地質(zhì)問(wèn)題，利用地球物理勘探的手段，對(duì)高速公路深挖段進(jìn)行有效的勘查，包括覆蓋層厚度、基底風(fēng)化程度、巖體性質(zhì)等問(wèn)題[1-5]。勘探結(jié)果可以為設(shè)計(jì)提供有效方案，更有利于工程成本的節(jié)省。如何準(zhǔn)確查明巖土體分層厚度，埋深、邊界和形態(tài)，是高速公路地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須解決的問(wèn)題，也是設(shè)計(jì)部門(mén)最為關(guān)心的問(wèn)題之一[6]。

折射波勘探方法主要被用來(lái)解決覆蓋層厚度、基巖風(fēng)化程度等問(wèn)題，是工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用較為廣泛的一種勘察方法[7]。通過(guò)追逐相遇折射波觀測(cè)方式，利用延遲時(shí)法來(lái)處理野外獲得的波形資料[8]，通過(guò)處理軟件解譯出地下風(fēng)化層埋深及形態(tài)。最后通過(guò)與鉆孔資料比對(duì)，表明該方法可行、效果良好，為設(shè)計(jì)方和施工方提供了有效的參數(shù)，達(dá)到了預(yù)期目的。

2 折射波法

淺層地震折射波法是通過(guò)人工震源激發(fā)的地震波在地下介質(zhì)中傳播，當(dāng)下層介質(zhì)的波速大于其上層介質(zhì)波速以及地震波的入射角等于臨界角的情況下，地震波就會(huì)沿著速度界面?zhèn)鞑?，產(chǎn)生折射波，由于折射波引起界面各點(diǎn)的振動(dòng)，并以新的形式傳至地面，在地面通過(guò)檢波器觀測(cè)其到達(dá)的旅行時(shí)間，經(jīng)過(guò)計(jì)算，就可求出各介質(zhì)的波速及折射界面的埋藏深度[9-11]。

覆蓋層與基巖之間具有較為強(qiáng)烈的速度差異，而且自上而下基巖風(fēng)化程度一般逐漸變輕，波速相應(yīng)地會(huì)漸漸增大，下伏介質(zhì)的速度大于上伏介質(zhì)的速度，折射波的形成機(jī)理得以滿足，故因利用折射波勘探方法來(lái)解決覆蓋層厚度和基巖風(fēng)化程度等問(wèn)題是切實(shí)可行的。

折射波傳播示意圖見(jiàn)圖1，其中圖1(a)表示時(shí)距曲線圖，圖1(b)表示速度模型圖。

圖1 折射波傳播示意圖Fig.1 Lay out of refraction wave propagation

折射波模擬圖見(jiàn)圖2。直達(dá)波最先為檢波器接收，折射波存在折射盲區(qū)，在直達(dá)波后到達(dá)[9]。

T1=x/V1

(1)

(5)

(6)

根據(jù)Snell’s Law(斯奈爾定理)

(7)

將公式(7)代入公式(6)得，

(8)

其中，T1表示直達(dá)波傳播時(shí)間;T2表示折射波傳播時(shí)間;V1表示第一層速度;V2表示第二層速度;h表示界面深度;ic為入射角。

(紅色表示直達(dá)波，藍(lán)色表示折射波)圖2 折射波傳播模擬圖Fig.2 Simulated diagram of refraction wave propagation(red: direct wave; blue: refraction wave)

3 延遲時(shí)法

延遲時(shí)法是針對(duì)相遇時(shí)距曲線采集系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的求解界面深度法，是國(guó)內(nèi)工程物探較為廣泛應(yīng)用的方法之一。它有以下特點(diǎn)：①可以計(jì)算每個(gè)檢波器下面的深度；②要求從相反的方向到達(dá)每個(gè)檢波器；③要求至少兩個(gè)激發(fā)點(diǎn)；④數(shù)據(jù)冗余很重要(激發(fā)點(diǎn)越多，精度越高)。

圖3中，A、B均是激發(fā)點(diǎn)，P為排列中的某一接收點(diǎn)(檢波器)

圖3 延遲時(shí)法示意圖Fig.3 Lay out of delay time method

從圖3中可以得到：

(13)

公式(12)可以寫(xiě)成：

(14)

P點(diǎn)的延遲時(shí)記為：

(15)

圖4 延遲時(shí)折射波時(shí)距曲線模擬Fig.4 Time-distance curve simulation diagram of delay time refracted wave

P點(diǎn)的減少的走時(shí)記為T(mén)AP′，即

整理公式(15)、式(16)、式(17)得：

(18)

V1可以由式(1)計(jì)算得到。V2可以通過(guò)延遲時(shí)計(jì)算得到。從式(16)可以看出TAP’與x的關(guān)系圖大致呈線性，基本不受層厚變化的影響，斜率為1/V2。

通過(guò)計(jì)算在P1,P2,P3…Pn各點(diǎn)的延遲時(shí)，再計(jì)算各點(diǎn)的深度，將各個(gè)深度點(diǎn)連接起來(lái)便可得到界面埋深曲線。

上述公式的推導(dǎo)是建立在二層介質(zhì)條件下的，對(duì)于三層或多層介質(zhì)而言，公式推導(dǎo)過(guò)程是類(lèi)似的。首先需要計(jì)算折射波的總傳播時(shí)間，并結(jié)合Snell’s Law(斯奈爾定理)計(jì)算P點(diǎn)延遲時(shí)，然后計(jì)算P減少的走時(shí)，最后得到P點(diǎn)的深度。

4 工程實(shí)例

4.1 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工程折射波法勘探不僅要探明風(fēng)化層厚度及埋深情況，也要求取基巖的彈性波速度；不僅要滿足道間距要求，也要滿足炮檢距要求。因此觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。本次折射波法勘探，使用采集儀器及參數(shù)如下：

本次折射波法勘探選用青島驕鵬生產(chǎn)的Miniseis24綜合工程探測(cè)儀，該儀器性能穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)可靠。采用的工作參數(shù)如下：相遇+追逐觀測(cè)系統(tǒng)，每排列設(shè)置3炮。錘擊震源，疊加次數(shù)12～14次(提高信噪比)[12]，采樣間隔為0.5 ms，記錄長(zhǎng)度為512 ms,采用的道間距為5 m，24道接收，零偏移距。觀測(cè)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖5。這種觀測(cè)系統(tǒng)用于野外工作時(shí)，操作方便，提高了采集效率。

圖5 觀測(cè)系統(tǒng)Fig.5 Observation system chart

圖6 原始單炮記錄1Fig.6 Original single shot record 1

圖7 原始單炮記錄2Fig.7 Original single shot record 2

圖8 原始單炮記錄3Fig.8 Original single shot record 3

4.2 資料數(shù)據(jù)處理

處理軟件采用加拿大鳳凰公司研發(fā)的SeisImager /2D折射軟件，是一個(gè)完整的集成折射模擬與解釋軟件。包含的功能有：綜合建模和射線追蹤，初至波的自動(dòng)和手動(dòng)拾取，質(zhì)量控制工具,以改善處理后的結(jié)果。本次數(shù)據(jù)處理采用延遲時(shí)解釋法并結(jié)合高程信息，獲得成果曲線。主要步驟為：根據(jù)初至波時(shí)空分布趨勢(shì)特征提取初至走時(shí)；計(jì)算減少走時(shí)；計(jì)算減少速度V2；計(jì)算延遲時(shí)；建立初始速度模型；射線追蹤；觀測(cè)值與理論值相比較；滿足精度要求后成圖。延遲時(shí)法折射波成果圖見(jiàn)圖9。

圖9 延遲時(shí)法折射波成果Fig.9 Results of refraction wave by delay time method

結(jié)合鉆孔資料，繪制出工程物探綜合解釋圖，見(jiàn)圖10。鉆孔資料見(jiàn)表1。對(duì)比物探成果和鉆孔結(jié)果，達(dá)到規(guī)范的允許誤差不大于10 %的精度要求[13,14]。

表1 鉆孔信息Table 1 List of drilling information

圖10 綜合解釋Fig.10 Comprehensive result map

5 結(jié) 論

淺層工程勘探中的折射波法，采用延遲時(shí)法求解風(fēng)化層厚度及風(fēng)化界面形態(tài)，它適合于地形較平坦、速度從淺到深增加的層狀介質(zhì)地區(qū)。結(jié)合鉆探資料對(duì)利用該方法得出的物探結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)此次勘探結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)情況相符，查明了風(fēng)化層厚度以及風(fēng)化界面的曲線形態(tài)，為開(kāi)挖方案、支護(hù)方案提供了有效的科學(xué)依據(jù)，并且提高了工作效率和工程進(jìn)度，大大降低了成本。