多道瞬態(tài)面波法在電廠巖土勘察中的應(yīng)用

吳學(xué)銀，劉益平，余 濤，王俊超

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著社會(huì)用電需求越來(lái)越大，原有發(fā)電廠的改擴(kuò)建工程也越來(lái)越多。受先期電廠建設(shè)及周邊城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中渣土、建筑材料堆填影響，改擴(kuò)建廠址區(qū)表層一般分布人工填土。填土具有成分混雜、性質(zhì)不均勻等特性，一般不宜作為電廠建筑物的基礎(chǔ)持力層，施工時(shí)需挖除換填。巖土勘測(cè)期間需查明填土厚度，為填土換填量計(jì)算提供依據(jù)。巖土勘測(cè)布置的勘探孔間距約20～30 m，一般難以查清填土分布情況，若全廠區(qū)布置填土鑒別孔，則成本高昂且勘測(cè)周期長(zhǎng)。

瞬態(tài)面波法具有技術(shù)成熟、施工速度快、分層精度高等特點(diǎn)，通過(guò)在南通某擬建電廠廠址區(qū)應(yīng)用瞬態(tài)面波法進(jìn)行填土勘測(cè)，輔助填土分層，能提高勘測(cè)效率，降低成本，可將該方法作為巖土勘測(cè)的重要補(bǔ)充手段。

1 瞬態(tài)面波測(cè)試簡(jiǎn)介

1.1 基本原理

在地表激發(fā)的地震波主要有橫波和縱波，在傳播過(guò)程中，橫波和縱波會(huì)疊加形成一種新的能量很強(qiáng)、主要集中在地表附近、沿介質(zhì)層面滾動(dòng)傳播的波，稱(chēng)為面波，主要有瑞雷波與拉夫波。拉夫波只在水平方向振動(dòng)，其速度與橫波速度相差不大，很難從地震記錄上看出，目前的面波勘察采用的是質(zhì)點(diǎn)在垂直方向振動(dòng)、速度略小于橫波的瑞雷波。

瑞雷波沿地表傳播時(shí)，其穿透深度相當(dāng)于它的波長(zhǎng)，當(dāng)深度為波長(zhǎng)的一半時(shí)，瑞雷波的能量最強(qiáng)，深度與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，其能量迅速衰減。在各向同性的介質(zhì)中，各頻率下的瑞雷波傳播速度相同，在各向異性介質(zhì)中，不同頻率的瑞雷波傳播速度不同（即頻散效應(yīng)）。

多道瞬態(tài)面波法是通過(guò)在地面使用不同振動(dòng)頻率的震源（如炸藥、錘擊震源），在地表附近激發(fā)出不同波長(zhǎng)的瑞雷面波，可以得到不同穿透深度的瑞雷波速度值。根據(jù)波速值來(lái)進(jìn)行地質(zhì)分層，從而達(dá)到探測(cè)的目的［1］。

1.2 野外數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理流程

瞬態(tài)面波法野外數(shù)據(jù)采集時(shí)一般采用 12 道或24 道檢波器接收信號(hào)，排列長(zhǎng)度大于目標(biāo)探測(cè)深度，一般來(lái)說(shuō)，用小錘作為激發(fā)震源，能產(chǎn)生相對(duì)高頻面波，采用小的道間距時(shí)，可探測(cè)較淺部的地層特性；采用重錘震源，能在地表產(chǎn)生相對(duì)低頻的面波，采用較大的道間距值時(shí)，能探測(cè)較深部的地層介質(zhì)特性［2］。檢波器一般采用 4 Hz 低頻豎向檢波器。野外數(shù)據(jù)采集示意圖如圖 1 所示。

圖1 野外數(shù)據(jù)采集示意圖

瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)中除了有效的面波信號(hào)外，還有直達(dá)波、折射波等干擾信號(hào)，數(shù)據(jù)處理時(shí)首先在時(shí)間-空間域提取有效面波，通過(guò)傅里葉變換將時(shí)間-空間域的面波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率-波數(shù)域中不同模態(tài)的波動(dòng)能量，從而能提取出基階模態(tài)的頻散數(shù)據(jù)合成頻散曲線，最后根據(jù)頻散曲線的拐點(diǎn)進(jìn)行人工分層、反演擬合，從而獲得巖土層厚度及波速值［3，4］。面波數(shù)據(jù)處理流程如圖 2 所示。

圖2 多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理流程圖

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

南通某擬建電廠廠址區(qū)原為磚窯廠，后經(jīng)拆除，原場(chǎng)地內(nèi)分布有溝、塘，在電廠前期工程建設(shè)時(shí)已基本被填平，現(xiàn)為荒地，表層堆載有大量建筑垃圾。廠址區(qū)表層分布雜填土，填土厚度分布不均勻，混有混凝土碎塊、粉煤灰等建筑垃圾，成分混雜，回填時(shí)間不等，填土層下部主要為砂土層，狀態(tài)為一般～較好。

為查明廠區(qū)內(nèi)的填土分布，利用北京水電物探研究所開(kāi)發(fā)的 SWS-6 型 24 道工程地震儀，進(jìn)行多道瞬態(tài)面波勘察。SWS-6 型儀器具有采集疊加功能，數(shù)據(jù)采集過(guò)程對(duì)單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集疊加，壓制隨機(jī)干擾，能大幅度提高地震波記錄的信噪比。該儀器主要技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示。

表1 SWS-6A 型工程地震儀主要技術(shù)指標(biāo)

圖 3 為本工程數(shù)據(jù)采集采用的 SWS-6A 型工程地震儀，圖 4 為 20 kg 重錘和錘擊墊塊。

圖3 SWS-6 A 型工程地震儀

圖4 錘擊設(shè)備及錘擊墊塊

2.2 測(cè)線布置及采集參數(shù)設(shè)置

本廠區(qū)環(huán)境條件對(duì)面波勘察存在如下不利條件：①表層填土不利于檢波器的埋置，檢波器與地表土耦合不好，影響接收效果；②測(cè)區(qū)距離臨近已建電廠主廠房較近，測(cè)區(qū)內(nèi)正進(jìn)行鉆探作業(yè)，廠區(qū)道路車(chē)輛行人多，震動(dòng)干擾大。

分析研究以上對(duì)數(shù)據(jù)采集不利的地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，確定解決方案如下：①表層填土松散的地段，利用重錘簡(jiǎn)單夯實(shí)或挖坑埋置檢波器，保證檢波器與土層耦合；②為了降低周?chē)h(huán)境干擾的影響，通過(guò)試驗(yàn)確定合適的排列方式，盡量在無(wú)車(chē)輛通過(guò)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)質(zhì)量差時(shí)，進(jìn)行多次疊加采集，提高采集信號(hào)的信噪比。

廠區(qū)內(nèi)分布建筑垃圾堆、廢棄設(shè)備堆場(chǎng)，受此影響，無(wú)法進(jìn)行全廠區(qū)面波勘察，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘選線，共布置 6 條測(cè)線，如圖 5 所示。

圖5 面波測(cè)線布置圖

為了滿(mǎn)足勘察技術(shù)要求，在正式開(kāi)展物探工作前，根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)結(jié)果，制定了 2 種觀測(cè)系統(tǒng)（見(jiàn)表 2）。檢波器的固有頻率為 4Hz，面波采集采用全通濾波檔（即采集時(shí)不進(jìn)行濾波），測(cè)點(diǎn)間距統(tǒng)一設(shè)置為 5.0 m。

表2 SWS-6A 型工程地震儀主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 數(shù)據(jù)處理、解釋及驗(yàn)證

根據(jù)圖 2 的數(shù)據(jù)處理流程，使用 SWS 地震面波測(cè)深數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行面波數(shù)據(jù)的處理、擬合、解釋。

在各測(cè)點(diǎn)的處理過(guò)程中，在頻率-波數(shù)域拾取基階面波能量團(tuán)后合成的頻散曲線普遍存在“之”字形的轉(zhuǎn)折，部分測(cè)點(diǎn)的頻散曲線不止一個(gè)“之”字形轉(zhuǎn)折。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)于“之”字形頻散曲線的研究成果，當(dāng)?shù)貙又虚g存在相對(duì)軟弱夾層時(shí)，面波數(shù)據(jù)合成的頻散曲線一般會(huì)出現(xiàn)明顯的“之”字形轉(zhuǎn)折，在頻散曲線出現(xiàn)“之”字形異常深度處大致對(duì)應(yīng)軟弱夾層的位置［5］。

舉例來(lái)說(shuō)，本工程 M4 測(cè)線的 M422 測(cè)點(diǎn)的面波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，該測(cè)點(diǎn)的頻散曲線有 3 個(gè)明顯的“之”字形轉(zhuǎn)折（見(jiàn)圖 6），“之”字形轉(zhuǎn)折分別位于2.40 m、4.30 m、5.40 m 附近，該測(cè)點(diǎn)位于鉆孔 1C11 處，，根據(jù) 1C11 的鉆孔成果，2.40 m 處的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)地下水位，4.30 m 與 5.40 m 處的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)層③粉質(zhì)黏土及層④粉砂的頂界面（見(jiàn)圖 7）。層③粉質(zhì)黏土相對(duì)層①雜填土及層④粉砂為相對(duì)軟弱夾層，根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，層③層位較為穩(wěn)定，據(jù)此，可根據(jù)面波測(cè)點(diǎn)頻散曲線上的“之”字形拐點(diǎn)來(lái)判斷層③的層位，以此來(lái)確定層①雜填土的埋深。

圖6 M4 測(cè)線的 M422 測(cè)點(diǎn)典型的“之”字形頻散曲線

圖7 M422 測(cè)點(diǎn)處的 1 C11 鉆孔分層圖

根據(jù)各頻散曲線的“之”字形拐點(diǎn)特征，一般可認(rèn)為頻散曲線從下往上第一個(gè)“之”字形拐點(diǎn)附近為層④頂界面，即層③的底界面，第二個(gè)“之”字形拐點(diǎn)附近為層③頂界面，即層①雜填土的底界面。

根據(jù)理論研究及模擬計(jì)算，“之”字形的出現(xiàn)除了與速度較低的軟弱夾層有關(guān)外，還與各層介質(zhì)的厚度、埋深等參數(shù)有關(guān)，一般情況下，隨著軟弱夾層厚度的增加和埋深變淺，頻散曲線的“之”字形就會(huì)由一個(gè)變多個(gè)，并非一個(gè)“之”字形就對(duì)應(yīng)一個(gè)軟弱夾層，某些情況下，存在軟弱夾層，不一定就會(huì)出現(xiàn)“之”字形［5］。如圖 8 所示，M1 測(cè)線的 M103 測(cè)點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)在 2.60 m 附近有一個(gè)“之”字形拐點(diǎn)，該深度對(duì)應(yīng)附近的 1C2 靜探孔上2.60m左右的一個(gè)軟弱夾層（見(jiàn)圖 9），但是頻散曲線上在層③、層④界面附近未出現(xiàn)“之”字形。如圖 10 所示，M1 測(cè)線 M106 測(cè)點(diǎn)的頻散曲線，在 4.30 m 附近有一個(gè)明顯的“之”字形，該“之”字形對(duì)應(yīng)的應(yīng)該是層③、層④界面，層①填土與層③界面未出現(xiàn)“之”字形。

圖8 M1 測(cè)線的 M103 測(cè)點(diǎn)頻散曲線

圖9 M103 測(cè)點(diǎn)處的 1C2 靜探孔分層圖

圖10 M1 測(cè)線 M106 測(cè)點(diǎn)頻散曲線

對(duì)于測(cè)點(diǎn)頻散曲線“之”字形不明顯、缺失、增多等現(xiàn)象，進(jìn)行分層時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮前后測(cè)點(diǎn)分層、附近鉆孔分層、分層波速、擬合系數(shù)等因素。

將各測(cè)點(diǎn)采集結(jié)果處理成深度-速度剖面，如圖 11 所示的 M4 測(cè)線剖面，填土厚度在 3.50 m 左右，與附近的地質(zhì)剖面 4-4’揭露的填土厚度相似，其他測(cè)線數(shù)據(jù)處理形成的深度-速度剖面揭露的填土也與附近地勘地質(zhì)剖面吻合。

圖11 M 4 測(cè)線面波等速度剖面圖

3 結(jié)語(yǔ)

多道瞬態(tài)面波法在電廠巖土勘察中的實(shí)際應(yīng)用取得了良好效果，積累了工程經(jīng)驗(yàn)，由此得到以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

1）多道瞬態(tài)面波法實(shí)際采集數(shù)據(jù)前，建議在已有鉆孔附近進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，確定合適的采集參數(shù)。

2）在實(shí)際的處理解釋工作中，應(yīng)收集測(cè)區(qū)鉆孔等勘察資料，以輔助擬合分層，減少人為因素影響，特別是頻散曲線“之”字形不明顯、缺失、增多的測(cè)點(diǎn)，應(yīng)以附近鉆孔分層為依據(jù)進(jìn)行分層。

3）數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，應(yīng)采取措施減小噪聲干擾，獲得高信噪比的數(shù)據(jù)。

4）多道瞬態(tài)面波法具有快速、高效，抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程勘察中是一種很好的補(bǔ)充手段，起到降本增效的作用。Q