面波法勘探在工程勘察中的应用

西南科技大学面波法在工程勘探中的应用摘要在近地表勘探中，通常采用地质钻探、地震折射、反射等方法。地质钻探方法相对可靠，但成本高且受到损害。地震折射法和反射法在波阻抗差异小的地质体界面上反射弱，不易区分。特殊的折射方法要求下介质的速度必须高于上介质的速度。如果地层中存在低速夹层和速度反演，折射法将无能为力。瑞利波勘探是一种新的地震勘探方法，可以弥补传统方法的不足。本文旨在研究如何利用瑞利波的频散特性进行浅层地质勘探和探测。导言1第一章地震面波介绍2第二章瑞利波调查原理及现场工作方法32.1瑞利波测量原理32.2多道瞬态面波数据采集方法4第三章瑞利波的数据整理和解释63.1表面波色散曲线的深度解释63.2层厚的计算方法63.3层速度的计算方法7第四章工程实例94.1工程概述94.2数据采集和处理94.3底层隔板和滑动面的确定11第五章结论15致谢16参考文献17介绍面波勘探，又称弹性波频率测深，是近年来国内外发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波(R波)和拉尔夫波(L波)。在振动波群中，r波能量最强，振幅最大，频率最低。它集中在自由表面，易于识别和测量。因此，面波勘探一般指瑞利波勘探。人们根据激发源的不同，将面波勘探分为稳态法、瞬态法和被动法。他们的测试原理是一样的，只是表面波的来源不同。1938年，德国土壤力学协会首次尝试用稳定振动来检测岩石和土壤的各种弹性力学参数。1960年，密西西比陆军工程队的水和土地测试研究所开始开发类似的技术方法，但由于当时技术条件的限制，没有一个成功。20世纪70年代早期，美国使用瞬态激发产生的瑞利波来研究浅层地质问题。1973年，在第42届国际地球物理勘探会议上，美国发表了一篇题为“瑞利波频散技术用于快速地下勘探”(瞬态面波在浅层勘探中的应用)的论文，并报告了相关的研究成果。在稳定状态下，直到20世纪80年代初，日本维克公司经过多年的研究和试生产，才引进了GR-810 Sato型全自动地下探测仪，使地球物理勘探技术得以应用于浅层工程勘探。20世纪90年代中期，日本科学家在研究恒定微动的过程中发现恒定微动是一种震源(包括面波)，并初步完成了地基调查。这是一种极具潜力的面波勘探方法。第一章地震面波介绍地震波是由地球介质中的震源产生的扰动。在有介质界面的情况下，地震波不仅像反射波和折射波一样在整个介质中传播，而且还有一种沿自由介质界面传播的面波。当它沿自由表面传播时，其能量主要集中在自由表面附近，并随着深度的增加而迅速衰减。根据面波的类型，面波主要有瑞利波和勒夫波。瑞利波最早是由英国学者瑞利在1887年从理论上确定的。这种表面波分布在自由表面或松散的覆盖层中。当介质均质且各向同性时，瑞利波的相速度和群速度将相同，否则瑞利波的相速度将不一致，导致色散现象。当介质具有水平层状性质时，瑞利波的频散规律与介质的层状结构密切相关假设存在一个具有均匀完全弹性的半无限空间，非均匀平面纵波和非均匀平面横波沿自由面传播时会产生瑞利波。在均匀半无限空间中的弹性介质表面上，当圆形地基上下移动时，它所产生的弹性波入射能量的分布率已由米勒(1955)计算出来，即P波占7%，S波占26%，R波占67%，即R波占全部激发能量的2/3。因此，用面波作为勘探手段，其信噪比将大大提高。第二章瑞利波勘探原理和野外工作方法2.1瑞利波测量原理瑞利波沿地表传播，其穿透力只有一个波长，也就是说，它可以从地表到达一个波长的深度范围。如果同一波长的不同点的V值能记录在水平测量线上，就能反映地质界面在水平方向上的变化特征。如果记录不同的V值，也可以反映不同深度的地层分布和特征。瑞利波与反射波和折射波一样，沿直线方向传播。在测线上以一定的道间距X设置N 1个检波器，可以观察到瑞利波在NX长度范围内的传播过程。如果瑞利波的频率为fi，相邻两个检波器的瑞利波到达时间差为t或相位差为，则瑞利波在相邻两个检波器长度范围内的传播速度X可记录如下：(2-1)其中(2-2)测量范围内的层数NX的平均速度是(2-3)通过在同一位置测量某一频率的值，即所谓的色散特性曲线或将(V-F)曲线转换成(V-)曲线，可以获得(V-F)曲线，该曲线可以由以下公式表示：(2-4)由于(V-F)和(V-)曲线的变化规律与地层地质条件之间的内在联系，频散曲线的反演解释可用于获得地下一定深度范围内的地质构造和不同深度地层的V值。2.2多通道瞬态面波数据采集方法2.2.1仪器和附件完整的多通道瞬态面波采集系统应至少配备以下仪器和附件：地震仪：用于处理和存储地震波信号。一般使用SWS多道工程地震仪，也可以使用其他通用多道数字地震仪。数据通道不应少于六个。数据传输线：用于地震检波器和地震仪之间的数据传输，其长度不应小于该线的最大长度。探测器：用于接收地震波信号。表面波采集应采用低频检波器。触发开关：触发开关通过导线与震源和地震仪相连，确保震源激发时地震开始记录数据，使采集的地震信号具有时间特性。来源：锤源通常用于浅层面波勘探，也可使用落锤或爆炸源。电源：根据不同仪器的要求，配备相应的电源。数据收集1.侧线排列在野外数据采集过程中，低频面波探测器沿震源纵向等间距布置。如图2-1所示，布置长度应大于预期探测深度，布置线附近的地面应尽可能避开可能产生反射或散射的障碍物，如沟渠、山脊和墙壁。图2-12.参数设置仪器开机进入面波采集系统后，需要设置以下参数：归档路径：用于指定数据的存储位置，以便以后调用。文件名：由于现场数据采集过程中数据量大、文件多，文件名必须设置正确，否则容易混淆。文件名应包括代码和代码，代码部分一般使用项目名称的拼音缩写，代码部分用于表示数据采集的顺序，并可由仪器自动生成。采样间隔：通常为0.20或0.25毫秒每个通道的样本数：1024、2048、4096等。频道数量：通常使用12或24个频道轨道间距：轨道间距由测量线的长度和轨道数量控制。如果测量线的长度为L，轨道的数量为n，则轨道间距为L/(n-1)。轨迹间距的设置还应考虑分辨率要求，并且不能大于要检测的最薄地层的厚度。偏移距离：根据具体情况，取值范围一般为210米。3.源激发多道瞬态面波源的激发位置必须位于探测器阵列的纵向，可以放置在前端或后端。最小偏移距离不应小于2m。能源取决于预期的勘探深度。当预计勘探深度小于30m时，可人工锤击震源，当预计勘探深度为3080m时，可使用落锤。对于震源，当预计勘探深度大于80m时，一般采用爆炸震源。瞬态面波探测要求所使用的震源是单个脉冲在时间上的影响。在锤击或重坠作业中，经常会产生一系列的冲击，甚至在爆炸中，由于围岩的影响，会发生反冲。如果两个脉冲之间的时间间隔小于表面波的预期最大周期，就不可能用时空窗将其清除，在频率波数谱上会出现能量强度的周期性波动，严重时甚至会导致相位的周期性畸变。4.数据检查和保存当震源被激发时，地震仪将在屏幕上显示接收到的地震波形记录。可以通过增益控制键调整波形的幅度，观察是否有走线和干扰的大小，然后确定记录信号的质量是否符合要求。在某些工作区域，由于客观条件的限制，干扰是无法避免的，因此有必要采用多种叠加技术来抑制干扰，叠加的次数取决于具体情况。当确定接收信号满足要求时，可以保存它。第三章瑞利波的数据整理和解释3.1表面波频散曲线的深度解释为了利用面波频散曲线划分地层，必须先确定面波波长和深度的转换系数，以便将面波的f-V曲线转换成H-V曲线。瑞利波的能量随深度呈指数衰减。通常，振幅比/衰减到1/e时的深度定义为穿透深度，其中横向振动的振幅是纵向振动的振幅。对于不同的岩土介质，我们可以计算穿透深度与振幅能量之间的关系，如表3-1所示，从而确定深度H与波长之间更合理的转换系数值。从表3-1可以看出，瑞利波对所有介质的穿透深度为0.550.875。对于土壤，泊松比=0.4-0.45，渗透深度h (0.79-0.84)。对于淤泥质软塑性土层，渗透深度可为0.85。对于一般土层的渗透深度，可采用：(3-1)在实际应用中，由于各测区的地层条件一般不尽相同，应根据现场对比试验确定合适深度的转换系数。一般来说，用上述值绘制的V- 曲线中的传播速度可以代表 深度以上的平均速度，其变化规律与V 曲线一致。表3-1瑞利波在不同介质中的穿透深度3.2层厚的计算方法在实际测量工作中，以V为横坐标，H=为纵坐标，绘制一条V-H曲线(如图3-2所示)，曲线的纵坐标可以近似代表勘探深度。通过分析V-H曲线的形式和变化规律，可以初步确定地层界面深度和各层速度的近似范围。准确确定地层划分主要有以下两种方法：图3-21、一阶导数极值点法根据曲线极值点对应的分层位置，得到波长，根据波长确定分层深度。2.拐点法根据拐点在V-曲线上的位置，计算拐点对应的波长，并根据t确定分层深度(3-3)其中：点n的深度；是点n-1的深度；n点深度以上的平均波速；n-1点深度以上的平均波速；它是深度区间的波速。2.剪切波速根据瑞利波的基本原理，在均匀各向同性半无限弹性介质中，瑞利波速度度数与横波速度的近似关系是。对于不同的岩土介质，通过理论计算，可以得到与不同泊松比的关系，如表3-3所示。从表中可以看出，随着泊松比的增加，它相对急剧地增加，而和的值趋于一致。一般来说，岩石的泊松比约为0.25，第四系地层的泊松比为0.40.49，可以认为与土壤的泊松比基本相等。误差只有5%左右。因此，在计算岩土力学参数时，可以通过代换进行近似计算。表3-3瑞利波速度和剪切波速度之间的关系第四章工程实例4.1项目概述2007年春天，陕西省延长县一处河岸陡峭的黄土坡出现滑动迹象，严重威胁了输气管道的安全。滑坡区位于陕北黄土高原中部，属于典型的继承型和继承侵蚀混合型黄土沟壑地貌。黄土广泛覆盖在下面起伏的基岩古地形上。在新构造运动的影响下，由于河流的长期侵蚀和切割，形成了深谷。该区滑坡受河流侵蚀切割，坡前形成陡坡和空面，为滑坡提供了滑动空间。滑坡危及输气管道的安全，必须尽快调查处理。由于时间限制，常规勘探方法难以满足工期要求。迫切需要一种快速、高效、准确的勘探方法。经过分析研究，最终确定了基于多道瞬态面波勘探并经少量钻孔验证的测量方案。面波测量的任务是划分地层和确定滑动面的位置。4.2数据采集和处理1.现场数据收集该仪器采用北京水电地球物理勘探研究所的SWS工程地震仪，检波器采用4 Hz面波检波器，震源采用18磅重的锤子敲击合金垫板。采集过程中设置的参数如下：采样间隔：0.25毫秒每个通道的样本数：2048车道数：12车道轨道间距：2m偏移距离：每个点分别用4m和8m采集一组数据监控系统测试期间，测线沿河岸布置，6个测点(CD1CD6)等距布置，总覆盖长度约140米2.数据分析和处理根据本文所述方法，对采集的数据在时空域和频率波数域进行了初步处理和分析，发现调查区域的面波数据表现出两种不同的特征：一是基本阶面波是强型的，高阶信号是弱型的。如图4-1所示，它类似于I型地层面波的频散特性(水平均匀介质，波速从表层到底层逐层增加)。第二种类型是基本阶面波和高阶面波都很