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大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 摘要 山东省是个岩溶地质灾害发育的省份，地下溶( 土) 洞、软弱夹层等不良地质体的存 在对桩基的稳定和安全构成了威胁。本文通过对管波传播机制的研究，深入探讨了管波的产 生机制、管波的反射规律、管波的质点位移、振幅、频率和能量衰减特征。对管波传播数值 模拟进行了分析和介绍，指出了不同灾害体存在时的管波探测剖面图像特征，为管波探测结 果分析与解释提供了科学的理论依据。开展桩位岩溶探测实验研究，通过对济南全运村供水 管井管波探测进行了工程技术应用。 在桩位岩谘掳测中，管波探；：i 受4 法可以有效地查明孔底岩溶、溶蚀、软弱夹层发育情况和 持力层的完整性，并具有快速、准确的特点。根据探测成果可在施工过程中提前采取相关措 施，可及时避免塌孔、地面塌陷、桩机倒塌等的发生，完全杜绝桩基半边嵌岩、桩位持力层 存在溶洞等安全隐患，确保勘察质量。根据工程地质条件和工程要求，可通过改变震源的发 射频率提高其探测分辨能力和探测范围。所获得的探测剖面中异常体的反射特征直观、清楚， 数据处理和资料解释简便。 r e s e a r c ho ft u b ew a v e p r o s p e c t i n gk a r s td e v e l o p m e n t u n d e r l a r g ed i a m e t e rp i l e a b s t r a c t k a r s tg e o l o g i c a lh a z a r d sd e v e l o p sw e l li ns h a hd o n gp r o v i n c e ，s u c h 嬲 u n d e r g r o u n dk a r s tc a v i t y , s o f tr o c ks t r a t aa n du n f a v o r a b l eg e o l o g y , t h ee x i s t e n c e o f t h e s em a k e sat h r e a tt op i l ef o u n d a t i o n s s t a b i l i t ya n ds a f e t y b yr e s e a r c h i n gt h em e c h a n i s mo ft u b ew a v es p r e a d i n g ，t h i sp a p e rd i s c u s s e d g e n e r a t i o nm e c h a n i s m ，r e f l e c t i o np r o p a g a t i o nr u l e ，p a r t i c l ed i s p l a c e m e n t ， a m p l i t u d e ，f r e q u e n c y , e n e r g ya t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t u b ew a v e t h r o u g h i n t r o d u c i n ga n da n a l y z i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft u b ew a v ep r o p a g a t i o n ，t h e p a p e rp o i n to u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft u b ew a v ep r o b i n gp r o f i l e sw h e nd i f f e r e n t g e o h a z a r d se x i s t s ，m a k e ss c i e n t i f i ct h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt u b ew a v ep r o b i n g r e s u l ta n a l y s i sa n di n t e r p r e t a t i o n k a r s tp r o b ee x p e r i m e n ti np i l ep o s i t i o nw a s i m p l e m e n t e d ，a p p l i e db yt u b ew a v ep r o b i n gt u b ew e l lo fw a t e rf e e di nj i n a n n a t i o n a lg a m e sv i l l a g e i np i l ep o s i t i o nk a r s tp r o b i n g , t u b ew a v ep r o s p e c t i n gc a nf i n do u tk a r s t ， e r o s i o n ，d e v e l o p m e n to fs o f tr o c ks t r a t aa n di n t e g r i t yo fs u p p o r t i n gc o u r s eu n d e r t h ed r i l le f f e c t i v e l y , r a p i da n dp r e c i s e l ya c c o r d i n gt h ep r o s p e c t i n gr e s u l tw ec a n t a k em e a s u r e st o a v o i d i n gd r i l lc o l l a p s e , s u r f a c ec o l l a p s ea n dp i l ee n g i n e c o l l a p s e ，p u ta ne n dt op o t e n t i a ls a f e t yh a z a r ds u c ha ss e m ir o c ke m b e d d i n g ，k a r s t i ns u p p o r t i n gc o u r s e ，t og u a r a n t e ei n v e s t i g a t i o nq u a l i t y a c c o r d i n gt og e o l o g i c a l c o n d i t i o na n dr e q u i r e m e n t ，d e t e c t a b i l i t ya n dr a n g ec a nb ei m p r o v e db yc h a n g i n g t r a n s m i s s i o nf r e q u e n c yo fh y p o c e n t e r t h er e f l e c t i o nc h a r a c t e r so fa b n o r m a l b o d i e si n p r o b i n gp r o f i l e a r ev i s u a la n dd e a r , d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t a i n t e r p r e t a t i o ns i m p l ea n dc o n v e n i e n t k e y w o r d ：t u b ew a v e ；t u b ew a v ep r o s p e c t i n g ；k a r s t ；e l a s t i cw a v e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 1 绪论 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 1 1 研究背景 山东省是一个岩溶地质灾害广泛分布的省份。许多工程建设项目( 如高等级高速 公路、基础建筑设施等) 位于岩溶分布区，这类工程建设在具有岩溶发育特征的石灰 岩地形上，在对地面构筑物进行支撑选择的过程中往往选用大直径嵌岩桩。一般情况 下，较为详细的岩土工程可查可以揭露发现该类场地一般下伏有溶( 土) 洞、软弱夹层 等不良地质体，如果基础位置选择不当，将会对桥基、建筑物安全构成潜在的危害。 根据岩土工程勘察规范( g b5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ( 2 0 0 9 年版) ) ，桥梁等桩基采用大 直径嵌岩桩在施工阶段应进行专门的桩基勘察，以确定桩基相应位置下地质灾害体的 发育状况。在勘察时，探测的方法一般采用超前钻探，也就是一桩一孔，这种探测方 法的勘察钻孔具有比较小的孔径。从平面分布上讲，孔旁岩溶非常容易被遗漏，并且 对于其空间分布难以以点代面来探明，很有可能造成实际施工过程中出现桩基半边嵌 岩等不利情况。如果勘探方法选择一桩多孔，无论是在成本，还是在工期层面上，所 需的成本都是十分高昂的，并且即便如此，也很难清楚掌握岩溶在整个桩位上的具体 发育情况，不利情况严重的话可能造成桥梁的失稳破坏。 为更好的解决这一勘探难题。山东省交通科技项目立项开展此方面的研究，旨在 形成一套可全面、快速、无损、简便地实现对桩位不良地质体的探测技术，解决我省 重点工程大型桥位桥基岩溶勘探难题，丰富勘察技术手段，保证桥梁建设的安全。 作为山东省交通厅科技项目( 项目编号：2 0 0 6 y 0 1 7 ，目前已进入结题阶段) “大 直径桥桩桩位隐伏岩溶发育探测技术研究 的重要组成部分，本文通过对大直径桩桩 位岩溶管波探测技术的进行探讨来阐述管波探测技术在岩溶发育区大直径桩桩基的 应用。 1 2 研究目的 1 提高管波传播规律的认识。 2 改进资料解释的准确性。 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 1 3 研究意义 管波在最初的弹性波探测中是作为应摒弃的干扰波存在的，自从管波探测方法在 岩溶探测中得到应用后，多数是仅仅围绕其工程应用的探测实例进行了分析，但在理 论研究方面，缺乏对认识管波传播规律的分析总结和概括。本文通过对管波的基本理 论和传播规律进行详细的分析和阐述，对认识管波特性，提高对管波传播规律的认识 具有重要意义。 作为单纯的应用，管波岩溶探测也很少见文献有与其他岩溶探测方法进行对比分 析和研究。多数工程实际也表明其在岩溶探测方面效果良好，管波探测在岩溶探测中 具备优越性：相对于孔底探地雷达等探测方法，管波探测法依据管波本身特性的优势， 在岩溶探测中应用局限性小，并且异常特征明显、直观，数据处理和资料解译简便， 可以快速探明桩位及桩周范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育和分布情况，并且 可以改变震源发射频率来改变探测范围，是一种岩溶探测值得推广的应用方法。 1 4 大直径桩岩溶探测技术的研究现状 岩溶地质灾害属隐蔽性地质体，其调查工作是岩土工程勘察的内容之一。近年来， 在确定岩溶宏观展布规律方面，除钻探方式外地球物理方法也取得了广泛应用口吲。根 据桩位岩溶勘察的特殊性，常规的地面物探方法存在工作量大、分辨能力低等缺陷， 因而需要改进探测方法或者研究新的探测手段，目前一般采用的方法包括跨孔c t 法 和探地雷达法。跨孔c t 法的主要优点可以描述为高精度，准定位，广测试。尽管如 此，也存在一定的缺陷性，比如较长的耗时，可能产生局部盲区，耗费的费用比较高 等等。相对而言，探地雷达的方法应用广泛，特别在对浅部地层中的岩溶分布状况的 调查中已经取得了良好的效果阳吲。如果勘探深度增大，地面雷达探测方式的探测能 力会迅速降低。在这种情况下借助于超前钻孔，孔中地质雷达和孔底地质雷达的方法 得到应用。但孔中地质雷达法受解译经验的影响较大，容易出现假异常无法解释。孔 底地质雷达的应用范围主要为较浅的大直径人工挖孔嵌岩桩，但是在实际应用中，往 往由于桩基开挖面较窄、并且需要等待人工挖孔结束后才能展开测试等种种限制，有 着诸多不便，并且不适用于深度的桩基岩溶勘察。基于超导钻孔，研究桩基范围内地 下岩溶的分布成为该问题研究的重点。 1 4 1 国内研究现状 按照建筑桩基技术规范( j g j9 4 2 0 0 8 ) 桩径d 大于等于8 0 0 m m 的桩为大直径 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 桩。大直径桩单桩承载力高，多用于重型建筑物、构筑物、港口码头、公路铁路桥涵 等工程。大直径桩设计荷载般比较大，其极限承载力特征值的确定一般以位移控制。 在公路铁路的桥涵设计中，端承嵌岩桩中很多桩型均为大直径桩。在岩溶地区，由于 岩溶发育及其分布的不确定性，传统的做法是加密勘察点位，进行钻探来控制，但耗 时较长，成本高，并且不一定能完全探明岩溶的发育程度和范围，具有一定的局限 性。各种地球物理方法勘探技术对岩溶发育及探测目前逐步应用广泛，取得了长足的 进步和发展。地球物理方法作为一种无损检测技术，应用于岩溶探测中优势较为明显， 并且可以结合勘探来进行验证，效果显著。其中高密度电阻率法、探地雷达( g p r ) 、 跨孔c t 成像法、浅层地震法等应用较为广泛，同时各种物探方法的综合应用在桩基 岩溶探测中也取得了较好的成效。 1 4 2 国外研究现状 国外的岩溶与工程问题研究主要集中在隐伏岩溶的探测与勘探等方面。隐伏岩溶 是岩溶病害发育的基础条件，并且其探测结果往往具有具有高度不均一性，一直被认 为是极具挑战性的问题。国外由于在科研投入较大和设备较为先进等优势，曾经采用 过各种地球物理方法应用于隐伏岩溶的探测上，较为常见的一般是高密度电法、地质 雷达、浅层地震、以及声波电磁波孔间透视、c t 层析法等。随着科技水平的提高，计 算机的应用日益深入和广泛，各种新型物探仪器也相继推出，例如，美国z o n g e 公司 目前已经推出第五代g d p - 3 2 i i 多功能电测系统，该系统功能强大，几乎具备了全部 电磁法检测功能。国外的物探设备在公路工程检测、石油勘探、地矿勘察和找矿、工 程物探、环境调查和监测等领域已经得到了广泛的应用，也取得了较好的效果。同时， 在岩溶探测技术上国外一直较为重视制定技术指南，为非工程技术人员对各种方法的 鉴别和选择提供良好的依据和参考。如：1 9 9 9 年，美国测量材质协会颁布了地面地 球物理方法选择标准指南( d 6 4 2 9 - - 9 9 ) 。该指南列出了各种应用地球物理方法，并进 行了针对各种场地条件下进行了投资评级，通过考虑场地的具体条件和项目目标来进 行专业选择对于隐伏岩溶探测，该指南推荐了三种首选地球物理方法：频率域电磁感 应法、探地雷达、重力法；针对不同情况作为备选提供了两种次选方法：浅层地震折 射波法和直流电阻率法。在英国，1 9 9 9 年，英国标准局颁布实施地面调查标准，明确 最有效的探测岩溶区方法，主要含括如下几种：跨孔地震、微重力、电阻率或电导剖 面法、以及探底雷达。以上各种方法，在1 9 8 3 年以前，除了探地雷达外，其他的方 法已经被建议采用。 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 2 0 0 4 年，美国t e c h n o s 地质与地球物理咨询公司出版书籍一地面地球物理方 法，对十四种地球物理探测方法进行了系统分析，在岩溶探测方面，该书指出地震 面波、探地雷达以及微重力是需要首要考虑和选择的方法，根据实际情况，还可以选 用频率域电磁法、地震反射波法、天然电场、地震折射波以及电阻率成像等方式。 从以上各种国外机构的总结来看，浅层地震面波、探地雷达以及微重力法是认可 度较高的岩溶探测方法。 目前，对比国内外岩溶探测技术，国内使用的仪器多数进口于国外，国产的物探 设备多为仿制，缺乏创新；国内一般注重进行规范的编制，缺乏对不同环境和场地条 件选择的比选，未进行甄别；国内外在评价和处置方法上基本是一致的；国外一般以 工程实例和处置实例为基础开展的工作，国内的应用性相对较少，多为试验和研究工 作，有一定的应用局限性n0 1 。 1 4 3 岩溶探测常见地球物理方法 目前对于岩溶探测除了常规钻孔外主要为各种地球物理方法，根据研究对象的不 同，勘探地球物理手段中既有微观方法( 如孔内c t 法、管波探测法等) 也有宏观方 法( 如高密度电阻率法等) ，这些方法各有利弊及其适用条件，现对目前一些主要方 法分述如下： 1 探地雷达 探地雷达( g 咖n dp e n e t r a t i n gr a d a r , 简称g p r ) 又称地质雷达，透地雷达，是用频率介 于1 0 6 1 0 h z 的无线电波来确定地下介质分布的一种方法。 探地雷达借助于发射天线进行电磁波的对应发射，在与不同地质体或者分离面相 遇时，电磁波会出现反射，在反射过程中，接收天线会接收到电磁波，经由探底雷达 主机做出对应的记录，同时进行处理，在此基础上形成探地雷达电磁剖面。根据电磁 在不同介质中传播时的路径、电磁场强度以及几何形体的变化等特征，对电磁剖面进 行分析与具体的处理，进而确定地质体制具体的结构特征、空间位置、介质面的具体 情况等等。 一般来讲，电磁波遵循斯奈尔定律进行反射和透射。在进行探测时，在一定距离 范围内，发射天线与探底雷达接收之间比较近，电磁波入射面一般和电磁场相垂直， 可以近似的考虑为法向入射。电磁波的反射波主要与探测介质的衰减系数和探测界面 的反射系数有关，及探测周围介质和探测体的介电常数和电导率，岩石介质大多为非 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 导电、非磁性的类型，电流主要为位移的，多符合a t o ( 1 ，在这样的情况下，对于 衰减系数1 3 ，其近似等于： 卢2 雅 ( 1 - 1 ) 也就是说1 3 和电导率0 、磁导率l i 之平方根之间为正比例的关系，和介电常数 之具体的平方根之间为反比例的关系。 对于界面而言，其反射系数大小是： 尺：星：! ! 里二墨s ! ! 里 z ，c o 孵+ z c o s 6 , ( 1 2 ) z 表示波阻抗，对应的表达式可以写作： 7 一匿i 一1 | j l i l ( 1 - 3 ) 综上所述，介质里面电磁波之波阻抗z 值受地层介质的具体特性参数以及对应的 电磁波频率大小等参数的限制。 基于此，可以得出，电磁波如果其频率比较高，对应的波阻抗也就比较大。 常用的探地雷达电磁波在频率层面上介于2 5 到1 0 0 0 兆赫之间，通常情况下，0 ( i ) ，所以可以把反射系数写为： 矗：垂车 气+ 占。 ( 1 4 ) 上式告诉我们r 受制于上下层介电常数的不同。 借助于雷达记录具体的双程反射时间，能够获得目的层的具体深度： ， f 术c - = = = 2 s ， ( 1 5 ) 式( 卜5 ) 中f 表示的是目的层电磁波的具体反射时间长短；c 表示真空条件下雷 达波的传播速度( o 3 m n s ) ；e 表示目的层之上的介质相对介电常数的平均数值。 探地雷达在岩溶探测中多数根据电磁波的反射波来进行判断。 在连续均质的灰岩地层中，探地雷达电磁波常常无反射现象，如果产生很弱的反射 波，则波的振幅、波长基本相同，同相轴连续、波形均一，反射波周期一般比第四系地 层电磁波周期明显变大。灰岩不连续或者灰岩差异性较大的的地层中，如果灰岩不连 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 续分界面呈近水平向或者存在夹层时，电磁波的反射波组常常较连续：若灰岩岩层垂 直方向不规则发育，那么波形表现为同相轴连续性差，波的反射能量变化较大，波的振 幅和频率随岩性不同变化不一。当岩层内部存在溶蚀带或者发育有溶洞时，溶蚀带或 者溶洞作为相对弱反射区，在与连续介质的界面处反射波较为明显。如果溶洞或者溶 蚀带充填泥沙或者部分含水，在界面处反射波在剖面上表现相对较弱，但在其波形内 部一般存在一组高频率的细密弱反射：若溶洞或者溶蚀带充满水或无充填，那么在界 面处的反射波往往表现为振幅强、周期长，并且容易产生多次波形，在界面内部一般表 现为弱反射甚至无反射n 。 探地雷达由于分辨率较高，并且快速经济，应用较为广泛。探地雷达可以对地下 进行大范围的连续扫描，提供直观连续的剖面和平面状态。由于岩溶发育的空间及其 分布的不确定性，并且雷达能够捡取溶洞的反射波并反映出溶蚀带波的畸变，为探地 雷达的岩溶检测提供了较好的条件。 但是探地雷达存在以下因素制约其应用：容易受地层导电性及磁性的影响；抗干 扰能力较差；岩溶的畸变波不易鉴别，可能由多种因素引起。 2 电磁波孔间透视( 层析成像) 孔间透视法通过建立透视模型即( 数学、物理一地质模型) ，在相隔一定距离的发射 和接收两孔间，在不同孔深的岩土发射电磁波，电磁波频段为几兆赫兹几十兆赫兹， 接收机在另一孔内采集数据。将所获数据进行数值处理成像，系统生成不同颜色的物 理、地质结构特性图，即层析图像( c t ) 。 在岩溶区一般根据不同介质的吸收系数特征对各种介质进行判断，在c t 剖面上一 般表现为第四系覆盖的溶沟、溶槽大于发育有溶孔、小溶洞的溶蚀带的吸收系数，发 育有溶孔、小溶洞的溶蚀带大于溶洞的吸收系数，溶洞大于完整灰岩体的吸收系数。 电磁波孔间透视分辨率较高，并且直观形象，可以得到较多的试验数据，并且对 地下岩溶有较为敏感的反应。通过在钻孔内安装发射机和接收机一定程度上减少了其 他电磁波的干扰。 钻孔的深度一般是制约孔间透视法的主要因素，孔间介质的非均匀性和各向异性 也容易影响成像效果。 3 高密度电阻率法 高密度电阻率法( m u l t j - e j e c 打o d e r e s i s t i v i t y m e 廿1 0 d ) 排列诸多电极到测线上，借助于控制 电极自动转换器，自动组合不同极距、不同装置，最终达成借助于一次布极能够对多 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 种视电阻率参数进行测量，能够处理多种参数，对于所测地电断面，能够在短时间内 准确给出地质解释图件，提升电阻率法的运作效率。高密度电法较老电阻率法有较高 的分辨率，仍属于电阻率法的范畴。高密度电法基于岩土介质的电性差异，通过研究 地下传导电流在外加电场作用下的分布和变化规律，来对岩土体进行探测。高密度电 法是在电法勘探基础上发展起来的一种新的勘探方法，通过采用专门仪器对岩土体的 电性差异观测从而达到勘探目的。得益于计算机技术的迅猛发展，高密度电法目前在 野外探测中已经具备了自动、智能、快速、采集量大、采集观测精度高、信息丰富、 效率高等多种优点。通过一次布设电极就可以完成水平向和垂向二维的勘探过程，技 能提供出地层水平向岩土电性变化，也能表现出地层在垂直向的电性变化，具备以往 的电剖面法和电测深法两种方法的探测能力。 高密度电法通过预先选定侧线和测点，进行布设数以百计的电极，通过多芯电缆 将电极连接到特制的电极转换装置上，根据操作人员的指令，电极转换装置将电极组 合成指定的电极装置和电极距，通过自动化电测仪来完成快速完成电法观测。通过配 合使用数据采集处理、成图和解译软件，可以迅速及时的形成探测剖面和测深图像， 能够较好的完成勘探任务。 高密度电法利用探测区域内高阻异常和低阻异常等电性差异进行判断，往往结合 钻探验证能取得较好的效果。在电性表现上，不管是溶沟的发育区，还是溶槽的发育 区，都与第四系紧密相连，而且具有和第四系一样的低阻性。假如填充溶洞的物质为 饱和粘土，就会有异常孤立低阻表现于电阻率剖面上。通常情况下，填充小溶洞与溶 孔的物质为粘土，在剖面上也会出现低阻，而且区域比较大，和溶洞相比，视电阻率 分布会高一点。完整灰岩表现为高阻。若溶洞和溶蚀带内填充为空气，则表现为高阻 特征。 高密度电阻率法成像直观、形象，可以较好的表现出岩溶的发育与分布，野外采 集也较为方便。 高密度电阻率法同样也存在一些不良因素影响其探测效果：受场地范围限制探测 深度小，对岩溶区深部情况反映不全；对溶洞、溶孔内有水或粘土充填时低阻，无水 或粘土充填时高阻的两种截然想法的情况不易解译。高密度电法往往结合其他手段综 合运用才能起到良好的探测效果，目前多通过钻探加以辅助验证。 4 地震勘探法 地震勘探是地球物理勘探中应用较为广泛的勘探手段之一，其应用历史较长，基 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 于不同的地下介质具有不同的弹性与密度，借助于人工激发地震波的方式，观测分析 大地对地震波做出的具体响应，进而对岩层的具体形态以及对应的性质进行正确的推 断，当前，地震勘探采用的手段众多，研究和发展也较为迅速。 地震勘探包括反射法、折射法和透射波以及面波等各种弹性波的勘探方法。前两 种方法在陆地和海洋均可应用，目前应用较为广泛。地震反射波法和折射波法，分别 基于震动波的反射和折射原理进行地震勘探。对非常浅的或者非常深的界面进行研 究、寻获高速特殊的具体地层等情况下，反射比折射更为有效。尽管如此，在运用折 射法时，要满足下述具体要求，即相较上下层波速，下面的要比上面的高，因此在应 用范围上，折射法受到了很大的限制。而反射法在应用方面，仅仅需要岩层波阻抗具 有一定的变化性，容易得到很好的满足，所以被广泛采用。瑞利面波法目前应用也日 趋广泛，取得了较好的进展。 目前对于岩溶探测应用较多的是地震映像法，该法可以利用反射波、折射波、面 波等多种弹性波作为有效波来进行探测，也可以根据需要仅采用一种特定的地震波作 为有效波进行勘探。对各种地震波的数值模拟也呈多元化发展的趋势。 在岩溶发育区，地震波的传播速度一般介于地震波在第四系和在完整灰岩这两种 不同的介质中的传播速度。具体表现到时间剖面上，岩溶区会发生畸变波或者绕射波。 地震波勘探可以探测地下几百米范围内的的地下信息，勘探深度较其他方法深。 浅层地震可以探测到较大的溶洞、溶蚀带和岩石破碎区，时间剖面上连续性表现较好。 浅层地震勘探分辨率有限，对于一些小的溶洞、溶孔发育往往检测不到；浅层地 震往往由于表层第四系对地震波的吸收减少了其向下传播的能量，降低了探测深度； 灰岩地区往往由于岩溶作用基岩面在地震波时间剖面上表现往往不明显，不易判断。 在目前的实际应用中往往采用多种宏观和微观手段的结合使用来进行工程勘探， 以期消除种种条件限制和不良影响，来获得较好的勘探结果和易于解译的数据资料， 为各种物探方法的工程应用提升了应用范围和使用效果。 1 4 4 管波岩溶探测技术 1 传播机理 依据弹性波理论，按传播空间进行分类，在弹性介质中传播的震动波可分为体波 和界面波。体波传播的范围为无限空间，其可以划分为纵、横两种。界面波质点扰动 振幅随着质点离界面距离的增大而迅速衰减，所以界面波实际上只存在于表面或界面 附近。常见的界面波有瑞雷波、勒夫波、斯通利波三种。广义的瑞雷波( r a y l e i g hw a y e 。) 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 沿着半无限弹性介质自由表面传播，波阻抗界面周边出现瑞雷波传播的情况下，如果 相邻接的介质是流、固两种体态，这种情况下介质分界处就会产生界面波，也就是瑞 雷波。广义上讲，孔内与孔壁如果被液体充填，沿孔轴传播之瑞雷波就是管波。管波， 通常情况下，被划分为斯通利波和准瑞雷波( 又称为伪瑞雷波) 两种。斯通利波是井孔 中传播的面波，沿孔壁传播。在地层剪切波速度大于泥浆波速度的情况下，斯通利波 没有截止频率，频散很轻微，速度低于泥浆波速度，群速度近似等于相速度。准瑞雷波 是一种导波，大部分能量集中在流体内。斯通利波和准瑞雷波在围岩中传播时都呈指 数衰减，具有波散特征，伴随着频率不同，也会出现相速度的变化，如果介质里面的 剪切波比流体压缩波之波速高，斯通利波就会出现比较轻微的波散现象。低频端无论 是相速度，还是群速度，都接近于孔内流体压缩波的波速的百分之九十。高频端，斯 通利波波速趋向于围岩内剪切波的速度。准瑞雷波具有非常明显的频散性、低截性， 不存在比低截频率还要低的准瑞雷波，最低频率情况下的准瑞雷波，其波速与围岩内 剪切波的波速大小相等。坚硬岩石钻孔里面如果充填有液体，其最低频率大概为 l o k h z 。在充满液体的钻孔中，流体的任何振动都能产生管波( 斯通利波及准瑞雷波) 。 对于质点来讲，管波运动轨迹为前推式的，并沿钻孔轴向传播，在轴向切面上，质点 轨迹显示呈一系列的椭圆。孔壁处，质点达到最大的径向位移，在钻孔中心的地方， 质点径向位移为零。孔壁外围岩内，伴随着和孔壁之间距离的增大，质点位移呈现指 数减小。钻孔中，由于流体本身没有很强的吸收作用，所以基本上管波源频率与管波 初始频率大小能够保持一致，管波本身能量不容易分散，非常集中，其频谱和管波源 对应的频谱大小基本保持一致i t 2 。 根据弹性波固有的特性，在和波阻抗界面相遇后，管波就会出现反射现象。钻孔 液体与孔壁外的固定空间距离范围内，有如下几种不同的波阻抗界面：孔壁波阻抗 差异界面：钻孔底：液面处：孔径变化处。在以往的具体研究和实验中发现， 界面波的能量基本集中在上述阻抗界面以外的半波长范围之内，并且管波波速稳定， 其探测范围受制于管波半波长，通过不断改变管波的波源频率，管波波长会出现明显 的变化，管波探测范围亦得到改变，因此可以根据工程需要调整管波的波源频率来调 整其探测范围。这个范围即为围绕钻孔中心这个具体的轴心，以半波长作为半径的条 件下组成的圆柱状区域。 2 管波岩溶探测的可行性 管波的传播机理告诉我们： 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 1 ) 孔液与孔壁外半波长的区间内，管波传播方向沿着钻孔轴向行进，在其探测范 围内的阻抗界面聚会产生发射，除了孔径变化处、孔底以及液面处外产生的阻抗变化， 往往是由于钻孔旁侧的岩土性质差异或不良地质体引发，能够依据对不同反射管波进 行具体特性的分析研究，确定究竟是不是岩性差异，或者是不是不良地质体。 2 ) 根据管波在其有效范围的传播规律，可以进行模型简化，把探测范围内的介质 层简化等效看做一维杆件，管波传播对应的运动学方程则可以大为简化，更加利于进 行数学解释。但需注意与运动学方程中等效一维杆件相比，管波震动的能量流密度并 非处处相同，而是在离钻孔远的地方密度小，而在接近钻孔出密度大。 3 ) 管波异常明显，易于识别。管波能量集中、不易衰减、与孔液压缩波波速基本 相同，所以反射波具有较强的能量，相较之下在具体的时间剖面上容易采集识别。 以上国内外发展概况及各种分析表明，管波探测技术具备实现本问题的基本理论 支撑。 1 5 本文的研究内容与技术路线 1 5 1 研究内容 本研究主要阐述以下内容： 1 本文针对管波的特性，通过构建位移、应力函数，建立波速、井径的零阶及一 阶贝塞尔函数，应用径向位移和应力连续以及切应力为零的边界条件，构建数学模型， 对管波进行了数学描述。 2 通过阐述管波的频率特征、管波传播的物理特点，分析了管波的反射和投射。 3 通过对弹性波动方程，交错网格有限差分法及其稳定性和吸收边界条件的阐述， 对管波传播特征数值模拟进行概述。 4 通过开展桩位岩溶探测实验研究，对管波探测的工作装置、仪器设备、工作方 法进行了介绍，对管波数据的处理与解释进行了简要的说明，指出了管波探测剖面图 像特征与岩土层的对应关系。并对多道管波探测法进行了介绍。 5 对管波采集数据的频谱分析与滤波以及多道管波探测数据的处理思路进行了阐 述。 6 通过济南全运村供水井探测对管波探测法实例验证，说明了管波探测法的有效 性。 1 5 2 技术路线 1 通过对管波基本理论进行数学阐述，通过分析管波的数学特性来构建管波传播 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 的基本数学模型。 2 根据管波的数学特性和理论基础，在建模的基础上对管波进行交错网格有限差 分法数值模拟。 3 通过构建已知模型，设定各种已知参数，开展桩位管波探测实验研究。 4 对管波试验数据采集处理，指出管波数据处理方法，对多道管波数据处理进行 了理论解析。 5 进行工程实例应用，验证方法的有效性。 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 管波的基本理论 在地震勘探中，依据不同的观测方式和要求，可将接收装置( 检波器，g c o p h o n c s ) 置于地表，也可将其放置于井孔中，前者既是所说的地面物探，后者称为井( 孔) 中 物探。在地面物探中，人们关注的是纵波和横波两种体波，因其能穿透较深地层入射 到地下构造并返回地面被地面检波器接收。除两种体波之外，还有另一种类型的波， 这种波沿地层的分界面( 或自由表面) 附近传播，称之为面波；面波又可分为瑞雷面 波、洛夫面波及斯通利波，在地面物探中被认为是干扰波。 两种互相接触的介质，如果一为流体，一为固体，如果流体振动，则会在分界面 的周围就会出现界面波，并且沿介质问界面传播，即广义层面上的瑞雷波n 3 l 。 如果孔内充填了液体，广义的瑞雷波沿钻孔的轴向传播，被称为管波。管波长期 以来国内外学者对其做出了不同的解释，在美国，用t u b e w a v e s 表示沿井轴方向传播的 波；在苏联，将传播于井内钢套管中速度为5 5 0 0 米秒左右的波称为管波；而在国内 也有关于管波的不同定义n 2 1 。在本研究中，遵循大多数国内外学者的见解，认为管波 主要包括斯通利波及伪瑞雷波。 2 1 管波的数学描述 在液体填充的井内及井壁上，管波( t u b e w a v e s ) 沿井( 孔) 的轴向传播，即管波的 传播只有一个自由度。因此，为研究管波在井内的传播状况，可以把孔液和孔壁以外 一定范围内的岩、土层等效为一个被弹性介质所包围的圆柱形空洞。取柱坐标系为 r ，0 ，z ，见图2 1 所示模型，则在柱坐标系内，管波传播的径向位移可以表示为n 劬 u ：掣一掣， ( 2 1 )= o 一二。【z lj 其中：、y 分别为位移的标量位函数和矢量位函数。 径向和切向应力可以表示为： 仃= p 由害+ 2 z 罄一意， 浯2 ， 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 和 口 p 图3 - 1 管波传播模型 唧事伽毫一 ( 2 - 3 ) 式中口为泊松比，为剪切模量，p 为密度。 质点传播的运动方程为： 塑+ ! 望+ 塑= 上塑，( 2 - 4 ) a ，2 。厂a ，| 。a z 2a 产a f 2 。 和 挚+ 吾警一詈+ 警= 吉警， c 2 嘞 甜2r 办 厂2a z 2 2 魂2 式中口和为纵波和横波速度。 对于柱面波，上述方程的一般解为 矽= 4 k ( 肛) + 彳i o ( 1 r ) e 州。“， ( 2 6 ) 及 y = b k ，( m r ) + b ( m ，) 】e 姒。叫， ( 2 7 ) 这里，a ，a ，曰，b 为常量，c 为波传播的相速度，k 为轴向方向的波数，和k ；分 别为f 阶修正的第一类和第二类b e s s c l 函数，z 和m 分别为径向方向的波数，并且具有 下列关系式： 肚矾1 一刍m 2 甜( 1 一匀pc z 在孔液和孔壁形成在边界( r = r ) 上，应力波满足的边界条件为： 径向位移和应力连续； 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 切向应力为零。 此外，根据辐射条件，要求波传播到无穷远处，其能量为零( 即无波传播) ，并且在 井孔中心( 波源处) 应力和位移有界。 在孔液中，压力弓和质点振动在位移“，可以表述为： p f = - , o f 等， 8 ， 和 驴嘞塑( 2 - 9 ) u f _ 一p l 靠 其标量位可表示为 办= c i o ( f r ) + d k o ( f r ) e 疆， ( 2 1 0 ) 式中 厂z = 尼z ( 1 一乌 c z ： 根据b c s s o l 函数的性质， 要厶( ”) = 职“) = - 1 1 ( u ) d u 和 k o , u , = 砭 ) = 喝( “) ， a u 井孔液体中的压力和位移又可表示为： 弓= 一办尼2 c 2 c i o ( f r ) + d k o ( f r ) e 腩2 刊， ( 2 1 1 ) 和 u j r = 九q ( 夕) 一d k , ( f r ) e 艟 ( 2 1 2 ) 根据辐射条件及修正b e s s e l 函数的性质，在井孔周围的地层中，质点振动的位函数 表达式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 中的常量么，b 必须为零，因此有， # = a k o ( 1 r ) e i k ( 2 叫，( 2 - 1 3 ) 及 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 = b k , ( m r ) e 肪7 叫， 将以上两式代入( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 式中，可得： ( 2 - 1 4 ) 仃= p 击( 一七2 c 2 ) a k o f f r ) + 2 p p 2 彳，2 ( ”一i k b m k i ( m r ) ) ( 2 一1 5 ) 和 u = a l k o ( 1 r ) - i k b k l ( m ，) k 髓2 卅 彳= 护( - k 2 c 2 ) b k l ( m r ) + 2 p f l 2 i l c a l l c o f i r ) + 七2 z 溺( m ，) 】扣雎。卅 在井壁上( r = r ) ，根据边界条件有：f = 0 ，因此，有 由于， 七2 b k , ( m r ) = 焉剃磁 万d 2 瓦( “) = ( “) = 一( “) = ( “) + 丢k ( ”) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 将上式及( 2 1 8 ) 式代入( 2 - 1 5 ) 、( 2 - 1 6 ) 式，则得到，= r 处的径向位移和应 力表达式： “= 击a l k , ( m ) 一) 舻万i ”“ 仃= p a k 2 c 2 孚螂) + 雨2 f 1 2 l r a 丽k 1 ( 1 r ) 应用径向位移和应力连续这一边界条件，即： ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 可根据( 2 - 1 1 ) 、( 2 - 1 2 ) 、( 2 - 1 9 ) 及( 2 - 2 0 ) 式得到如下的两个相互耦合的方程： 磐4 一f l , ( f r ) c = 。 p 孚删m 等器c 去+ 等糕n a + 9 懈肛。 1 5 一 ( 2 - 2 2 ) 瑚k 吁弓 = = “ 仃 、-j、l 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 上述两个方程具备如下形式： 眨x ：2 h k c j 。 2 4 ， 其中： 舻磐， 2 5 ， 2 i 2 = 一a ( 皿) ， ( 2 2 6 ) x 2 1 - - p t 孚郴m 等器去+ 等湍，( 2 - 2 7 ) 彪= p f i o ( f r ) ( 2 2 8 ) 要使上述代数方程组具有非平凡解，则其系数行列式必须等于零，即： d e t ( x ) = 0 ( 2 2 9 ) 求解上式得到： 勰i一鲁l p ( 和2 器kl r 一孕 上m r + 等踹k ( m r ) - o1 ( 肛)，”c 2 7 l ( ) 国2 。 c 2 1 ) ( 2 - 3 0 ) 为了便于理解，现将上式中各变量再次加以说明，p 、p ，分别为井孔周围地层及 井液的密度；夕为井壁地层中的剪切波速度；c 为伪瑞雷波或斯通利波传播的相速度； r 为井孔半径；i o 、厶分别为第一类修正的零阶及一阶b e s s e l 函数；k o 、k 1 分别为 第二类修正的零阶及一阶b e s s e l 函数；国为管波传播的角频率，且仞= 2 矿；k 为轴 向波数，且七= 彩c ；f 2 = k 2 ( 1 一言) ，吩为井液中纵波的传播速度；，2 = 尼2 ( 1 一c - ， 一- 一 口为井壁地层中纵波的传播速度；而m 2 = k 2 ( 1 一旁。 该周期方程给出了一个以波数尼或频率厂为自变量求取伪瑞雷波( 反射的) 和斯 诵利、波相涑序的关系式。 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 关于群速度的计算，可用公式：1 ，= 尝= c + 尼褰 ( 2 - 3 1 ) 口庀口彤 2 2 管波的频率特征 斯通利波和准瑞雷波在围岩中传播时都呈指数衰减，具有波散这种独特特性，随 着频率的变化，相速度随之变化。 如果介质里面的剪切波比流体压缩波的具体波速要高，斯通利波出现的波散就非 常的轻微。低频端，不管是相速度，还是群速度，它们基本上都为压缩波波速大小的 百分之九十。斯通利波在高频端的波速趋于围岩中的剪切波速度。 准瑞雷波频散特性明显，并具有低截特性，低于最低频率的准瑞雷波不存在，在最 低频率处准瑞雷波波速等于围岩的剪切波速度。在充有液体的坚硬岩石钻孔中，这个 最低频率表现为大约1 0 k h z 。因而准瑞利波具有低截特性。在高频端，准瑞利波的波 速趋于围岩中的横波速度。 图2 2 为按孔液纵波波速归一化后的斯通利波和准瑞利波的频散特性图。 斛 罢 窖 i l 皂 甚 共 婪 频率：l 沮z 图2 - 2 管波的频散特性曲线 2 3 管波传播的物理特点 选择图2 - 1 作为研究实例，对管波于钻孔井内具体的传播情况进行深入的研究， 假设钻孔井为圆柱状的空洞，空洞周边被弹性介质包裹，在井中中充满了纵波速度 为c 的液体。取柱座标系为r ，0 ，z ，则在柱座标系内满足波动方程的位函数如下 式： 西= 以纸( n r ) + 易厶( 刀r ) e x p i k ( z 一秒芒) ( 2 3 2 ) 大直径桩桩位岩溶管波探测技术研究 y = 【c k l ( m r ) + d 1 1 ( m r ) e x p i k ( z 一饼) 其中：a ，b ，c ，d 为常数，l ( o 、k 。、i 。、i 。表示零阶和一阶贝塞尔函数。u 表示波 相速，k 表示在z 方向上的具体波数，m 、n 表示径向层面上的波数，m 、n 和k 、u 之 间具备如下关系： 2 7 2 = 五2 ( 1 一( 口口2 ) ) ( 2 3 4 ) 四2 = 七2 ( 1 一( 抄2 ) ) ( 2 3 5 ) ( 2 - 3 4 ) ，( 2 - 3 5 ) 式中，q 、b 为钻孔周围弹性介质的纵、横波速度。由于l ( 0 ，k 。， i 。的零阶、一阶贝塞尔函数特性，随着径向位移的增加，质点位移和径向距离之间呈 现指数衰减关系，也就是说对于绝大多数的管波能量，它们都被限定在井中。式子 ( 2 - 3 2 ) ，( 2 3 3 ) 表明：只要k 是实数，管波振幅在z 方向上不随传播距离增大而减小。 这意味着，管波并不像纵、横体波那样，它没有几何扩散，