利用瞬態(tài)面波運動學(xué)特征探測地下障礙物的研究與實踐

摘 要：城市工程物探中的面波勘探主要以多道瞬態(tài)面波的速度探測為主，在實際應(yīng)用中常遇到地表條件復(fù)雜、作業(yè)時效要求高的情況，限制了該方法適用性。本文通過對瞬態(tài)面波傳播機(jī)理的深入分析，全面總結(jié)了瞬態(tài)面波在運動學(xué)方面的特征，對如何運用這些特征開展地下障礙物快速探測提出了新的認(rèn)識。在工程實踐中，改進(jìn)優(yōu)化的探測技術(shù)與作業(yè)流程取得了顯著的工程效果，切實提高了瞬態(tài)面波在城市地下障礙物探測的運用范圍和時效。

關(guān)鍵詞：地球物理勘探；城市工程物探；地下障礙物探測；運動學(xué)特征；瞬態(tài)面波

中圖分類號：P631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）01-0143-04

面波探測作為近幾十年新興物探方法之一，由于其具有分辨率高、分層能力強(qiáng)、施工方便、不受高速層影響等優(yōu)點，目前，在淺地表勘探中應(yīng)用廣泛[1]。

當(dāng)前，瞬態(tài)面波勘探主要是利用Rayleigh 波的頻散特性，即在水平層狀介質(zhì)中，其傳播速度會隨著頻率變化。其工作流程包括：首先采用合適的觀測系統(tǒng)、通過野外觀測獲得面波時空域記錄；再采用二維傅里葉變換將時空域記錄轉(zhuǎn)換到頻率- 波數(shù)域或頻率- 速度域，根據(jù)頻譜能量分布提取頻散曲線；最后經(jīng)過反演獲得二維視橫波速度，從而得到不同深度的介質(zhì)屬性[2-3]。由此可見，以面波的頻散特性獲取地層速度結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)面波探測方式實施流程相對復(fù)雜，在數(shù)據(jù)采集、頻散曲線提取、速度結(jié)構(gòu)反演到最后的綜合解釋，對探測人員的現(xiàn)場經(jīng)驗和專業(yè)知識均有著較高的要求。并且，觀測時需要布置連續(xù)的具有一定長度的排列采集多個面波記錄，面波測線布設(shè)對場地大小、地表平整度、地物分布等也具有較高的要求[4，5]。因此，在場地條件較好、探測人員專業(yè)知識基礎(chǔ)扎實、作業(yè)時間充裕的情況下，通過速度剖面識別地下障礙物等異常體的傳統(tǒng)面波探測方式是最佳選擇。然而，城市工程物探常常遇到地表條件復(fù)雜、工作面有限、作業(yè)時效要求高的情況，導(dǎo)致該方法適用性降低。此外，由于瞬態(tài)面波激發(fā)及接收具有時間和空間的確定性，面波傳播過程中遇到地下異常時，在傳播路徑、波形能量等面波運動學(xué)方面也存在確定的異常特征。這些特征基本無需經(jīng)過特別的數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜的反演算法的加工便可獲取，是對地下異常最為直接的反映，相應(yīng)幾何學(xué)及運動學(xué)特征與地下異常具有很高的對應(yīng)性，可基于這些特征對異常體高效準(zhǔn)確地探測。

為了提高瞬態(tài)面波的應(yīng)用范圍和解決問題的能力，本文從瞬態(tài)面波的傳播特征入手，通過數(shù)值模擬、波場分析等方面總結(jié)了瞬態(tài)面波在城市地下障礙物探測中的運動學(xué)特征，并結(jié)合實際探測案例，提出了基于上述特征對地下異常進(jìn)行快速、準(zhǔn)確探測的方法，進(jìn)一步拓展了瞬態(tài)面波探測的能力。

1 常規(guī)瞬態(tài)面波探測的局限性

通常，瞬態(tài)面波探測全流程包括現(xiàn)場探測、多道面波記錄、頻率速度譜分析、速度剖面重構(gòu)[6-9]，該方法流程取得好的探測效果需具備下列條件：

一是現(xiàn)場要有足夠的連續(xù)平整的場地，以便能夠線性、連續(xù)布置面波排列及震源，獲取覆蓋地下目標(biāo)體的足夠多的面波信息。由于一個面波排列僅能得到該排列中心點位置的速度，需要多個排列線性滾動采集才能得到速度剖面。因此，對一個小目標(biāo)的探測，也需要遠(yuǎn)大于目標(biāo)體規(guī)模的場地條件。

二是為了獲取高質(zhì)量，往往需要結(jié)合場地條件，每一炮都選取合適激振能量及方式，以確保激發(fā)高質(zhì)量面波信號。同時每個排列也要合理的布置檢波點位置，保證檢波器與地面的耦合質(zhì)量，才能采集到高質(zhì)量的面波信號。

三是由于城市地下結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，很多情況下其速度結(jié)構(gòu)并不是嚴(yán)格的層狀速度結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)叵麓嬖诟鞣N速度異常結(jié)構(gòu)時，其頻率速度譜的能量團(tuán)的分布連續(xù)性會變差。如何準(zhǔn)確的根據(jù)頻率速度譜的能量團(tuán)分布拾取準(zhǔn)確的頻散曲線，對處理人員的經(jīng)驗要求很高。

四是根據(jù)頻散進(jìn)行速度反演時，限于反演算法的局限，對于復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)，由于邊界條件及控制參數(shù)難以精準(zhǔn)給定，也會導(dǎo)致反演可靠性難以保證。

五是基于速度對地下異常進(jìn)行判斷時，由于速度異常的引發(fā)因素存在多解性，如何根據(jù)速度差異進(jìn)行精確的異常解釋，對解釋人員的經(jīng)驗要求也很高。

綜上所述，在復(fù)雜的城市探測環(huán)境下，要用好多道瞬態(tài)面波速度探測技術(shù)實現(xiàn)對地下障礙物的探測，對場地條件、算法用性、操作人員專業(yè)知識及經(jīng)驗基礎(chǔ)要求較高，一定程度限制了該方法在城市地下障礙物探測中使用，有必要進(jìn)一步提升改進(jìn)方法的適用性。

2 基于數(shù)值模擬的瞬態(tài)面波快速探測方法

對于瞬態(tài)面波法而言，由于其激發(fā)及接收具有時間和空間的確定性，面波傳播過程中遇到地下異常體時，其傳播路徑、波形等運動學(xué)特征也會表現(xiàn)出與地下異常關(guān)聯(lián)性特征，這種特征也具有確定性，可以用來判斷地下異常的屬性。因此，利用瞬態(tài)面波的運動學(xué)特征對地下障礙進(jìn)行探測在理論上是可行的。本文建立了典型的淺埋大型井室的數(shù)值模型，并通過彈性波數(shù)值計算[10，11]，對面波的傳播特征進(jìn)行了模擬，識別了存在地下障礙物時面波的運動學(xué)顯著特征。

2.1 模型設(shè)置及參數(shù)選取

圖1 為城市常見的典型地下障礙物（被掩埋的大型井室）的數(shù)值模型示意圖，為了提高計算效率，地層簡化為各項同性均勻介質(zhì)，井室簡化為10m 寬、6m 高的長方形空腔。幾何尺寸及地層參數(shù)如圖1 中所示，炮點位于模型地表O 點，豎向激振。數(shù)值計算采用有限元算法，按平面應(yīng)變問題計算，模型采用四邊形網(wǎng)格單元，計算參數(shù)見表1。

2.2 數(shù)值模擬效果

圖2 為數(shù)值計算在100ms、350ms 時刻的位移值波場快照圖。由圖2 可見，地面激振產(chǎn)生的彈性波，會隨著傳播的推進(jìn)，出現(xiàn)不同的波型。在未到達(dá)井室之前，主要有面波（R）、橫波（S）、首波（H）以及縱波（P）；當(dāng)各種型遇到井室之后，各種彈性波均產(chǎn)生了散射，從而形成散射波，包括散射面波（BR）、轉(zhuǎn)換面波（TR）、散射橫波（BS） 和散射縱波（BP）。不同的波型在地下的空間傳播運動學(xué)特征對比顯示，無論是散射前還是散射后，橫波和縱波波前均是一個圓形，即它們在地下空間均以球形擴(kuò)散的方式向四周傳播，而面波散射前后均只沿地表傳播，并未像縱橫波一樣波前面呈圓形。同時，由于面波傳播過程中質(zhì)點是呈逆時針的橢圓形運動，且傳播深度主要受頻率影響，即每個頻率的面波主要集中在該頻率對應(yīng)一個波長深度范圍內(nèi)傳播，因此面波對地表附近的地下障礙物等引起的速度異常尤為敏感。由于面波能量強(qiáng)、頻率低，在遇到地下障礙物等速度異常時，較縱波、橫波等波型散射波能量更強(qiáng)。如果在地面上進(jìn)行瞬態(tài)面波觀測，將很容易采集到散射面波。圖2 為該模型地面多道瞬態(tài)面波的模擬采集剖面，即在地表記錄的豎向位移。其中，道間距為1 m，最小偏移距6 m，最大偏移距77 m。圖3 所示散射面波（BR） 能量僅次于入射面波（R），且在空間上與入射面波形成一個水平狀的“V”字形（ 圖中紅色虛線），其“V”的底部正好對應(yīng)面波散射的起始點，即地下井室的左邊界位置（圖中偏移距40 m 位置的黑色虛線）。

由此可見，瞬態(tài)面波在遇到地表附近的地下障礙物時，其運動學(xué)上最明顯的特征即表現(xiàn)為面波散射特征，且在地面多道瞬態(tài)面波探測剖面上能采集到典型的“V”字型特征的面波信號，便可根據(jù)“V”字的底部位置對地下障礙物的水平位置進(jìn)行快速判斷。

綜上所述，這些動力學(xué)屬性的變化特征以及“V”字形散射等運動學(xué)特征可直觀的從多道瞬態(tài)面波記錄上分辨出來，無需復(fù)雜的速度計算過程。因此，數(shù)值模擬結(jié)果表明了基于瞬態(tài)面波運動學(xué)特征能對地下障礙物進(jìn)行快速、可靠地探測。

3 地下障礙物面波快速探測案例實證

地下掩埋井是城市物探中典型地下障礙物探測對象，本文通過觀測面波在遇到掩埋井時的傳播路徑的變化特征，實現(xiàn)對掩埋井的位置進(jìn)行快速準(zhǔn)確的探測，進(jìn)而闡明如何運用面波的運動學(xué)特征對地下障礙物進(jìn)行快速探測。

城市道路翻修改造等原因造成部分排水管道的井室被掩埋，后續(xù)管道檢修或鄰近工程實施時往往需要精確探測定位。由于掩埋井通常位于交通繁忙的道路下方，車流量大，占道作業(yè)時間有限，需采取高效、準(zhǔn)確、可靠的方法實施探測。為此，本案例首先根據(jù)相關(guān)資料確定檢修井的大致位置，采用單排列快速探測掩埋井的位置，測線布置如圖4 所示。現(xiàn)場探測采用24 道主頻為4.5 Hz 的檢波器、道間距為1.0 m 的排列，采用落球震源，最小偏移距為6 m。圖5 為該排列的首端和末端分別激振得到的記錄，可以直觀看出，剖面上存在與理論模擬一致的面波“V”字形特征，且首端與末端敲擊時的“V”字形朝向相反，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，“V”字的底對應(yīng)掩埋井的邊界位置。綜合數(shù)值模擬及實際探測記錄結(jié)果可知，首端敲擊的波形剖面上的“V”字的底對應(yīng)的10.0 m的位置應(yīng)為掩埋井的左邊界，末端敲擊的波形剖面上的“V”字的底對應(yīng)的13.0 m 的位置應(yīng)為掩埋井的右邊界，并可根據(jù)兩個邊界的距離估算出該掩埋井沿測線方向的寬度約為3.0 m。后期檢修時對該井室進(jìn)行了開挖，準(zhǔn)確找到了該井位。

由此可見，利用瞬態(tài)面波的運動學(xué)特征（面波的“V”字形特征）并結(jié)合首末端聯(lián)合敲擊，通過一個排列就能快速的對掩埋井的位置及尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確的探測，不失為一種快速高效的掩埋障礙物探測方法。利用常規(guī)多道瞬態(tài)面波的速度探測，由于要布置多個排列進(jìn)行連續(xù)探測，雖然也能準(zhǔn)確獲取掩埋井的位置，但相對本案例運用的方法費時費力。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬瞬態(tài)面波的時間和空間傳播特征，分析了面波在遇到地下障礙物的運動學(xué)特征，并結(jié)合地下掩埋井探測案例，有效地利用這些特征對淺埋地下障礙物進(jìn)行快速探測，進(jìn)一步拓展了瞬態(tài)面波的探測能力，相關(guān)結(jié)論如下：

（1）瑞雷面波沿地表水平傳播，淺埋地下井室等地下障礙物會引起面波的運動學(xué)（面波散射）特征發(fā)生變化，從地面接收的多道瞬態(tài)面波剖面中，入射面波與散射面波的同相軸會形成“V”字形態(tài)，利用面波的這一運動學(xué)特征可以對地下障礙的邊界位置進(jìn)行快速探測。

（2）利用面波運動學(xué)特征進(jìn)行地下障礙物探測時，面波的散射特征比較穩(wěn)定，無需經(jīng)過特別的數(shù)據(jù)處理便可得到該特征。因此相對于常規(guī)的速度剖面探測方法探測地下障礙物，該方法具有更高的效率、更好場地適應(yīng)性、更低的探測成本以及更可靠的結(jié)果。

（3）本文提出的瞬態(tài)面波探測新應(yīng)用方式在場地的適應(yīng)性、實施的效率和成本等方面均具有明顯的優(yōu)勢，可拓展到淺埋地下管道、地下人防、大型箱涵等城市地下基礎(chǔ)設(shè)施的探測應(yīng)用方面，進(jìn)一步拓寬瞬態(tài)面波的探測范圍和能力。

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