劉超英,呂 穎

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.衢州市柯城區(qū)水利局,浙江 衢州 324000)

1 問題的提出

由于地下介質(zhì)的彈性波速反映的是其在彈性階段的力學(xué)性質(zhì),因此彈性波速分層在工程勘察工作中主要用于解決與巖土力學(xué)特征相關(guān)的問題,主要用于區(qū)分力學(xué)性質(zhì)在彈性階段具有明顯差異的土層及巖石層。瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)是在無需鉆空的情況下可測試出層狀介質(zhì)的彈性波速,它與傳統(tǒng)的鉆空波速測試方法相比具有無損及快速的優(yōu)點,所以瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)無論是在巖土工程勘察的初勘階段或用于宏觀劃分力學(xué)性質(zhì)差異明顯的地層、構(gòu)造,還是在詳勘階段描述基巖埋深、填土厚度等的變化趨勢的工作中都具有明顯優(yōu)勢。瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)在工程勘察領(lǐng)域的應(yīng)用范圍十分廣闊,應(yīng)用效果正日益提高。

2 瞬態(tài)瑞雷波勘探基本原理與工作方法

瑞雷波勘探可根據(jù)激振方式不同,分為瞬態(tài)瑞雷波法和穩(wěn)態(tài)瑞雷波法,兩種方法基本原理相同,但在工作方法上有所區(qū)別,本文主要介紹瞬態(tài)瑞雷波法。

2.1 基本原理

由彈性波理論可知,瑞雷波存在于自由表面附近,它是由于波的干涉而產(chǎn)生,并沿界面?zhèn)鞑?在其傳播方向的平面內(nèi),瑞雷波的質(zhì)點運動的軌跡為逆時針方向轉(zhuǎn)動的橢圓,橢圓長軸垂直于介質(zhì)表面,長軸與短軸之比為2∶3。瑞雷波傳播具有以下主要特性:

2.1.1 瑞雷波在層狀介質(zhì)中傳播的頻散特性[1].

在均勻介質(zhì)條件下,瑞雷波波長λr與振動頻率f無關(guān),即在均勻介質(zhì)條件下,瑞雷波傳播不具頻散性。在層狀介質(zhì)條件下,λr是f的函數(shù),即在層狀介質(zhì)條件下將導(dǎo)致瑞雷波的頻散。該特性是瑞雷波勘探的理論基礎(chǔ),由于瑞雷波法不僅利用了波的運動學(xué)特征,更重要的是利用了波的動力學(xué)特征,而常規(guī)彈性波法,主要利用波的運動學(xué)特征,且要求各層的波速或波阻抗有較大差異,因此瑞雷波對介質(zhì)反映更細(xì)微。

2.1.2 瑞雷波的穿透深度與波長的關(guān)系

經(jīng)計算得出瑞雷波水平振幅和垂直振幅隨單位波長深度的變化規(guī)律表明,當(dāng)深度H為λr的1/2時,瑞雷波有大部分能量已經(jīng)損失;當(dāng)深度與波長相當(dāng)時,其能量迅速衰減。因此,可以認(rèn)為瑞雷波的穿透深度為1個波長。這一事實說明,瑞雷波某一波長的波速主要與深度小于λr/2的地層物性有關(guān),該特性為利用瑞雷波進(jìn)行淺層地質(zhì)勘探提供了依據(jù)[2].。

由λr=VR/f得知,不同的瑞雷波長對應(yīng)于彈性波的頻率,通過探測不同頻率下介質(zhì)的彈性波速度,即可得到VR～λR曲線,稱頻散曲線。頻散曲線的特性及其變化規(guī)律與地質(zhì)條件密切相關(guān),通過頻散曲線進(jìn)行反演計算,可以得到地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況和不同深度的瑞雷波傳播速度VR值。

2.1.3 瑞雷波速度與剪切波速度的相關(guān)性

由瑞雷波速度VR與剪切波速度Vs的關(guān)系式:

計算出巖土介質(zhì)中λ與VR、Vs的關(guān)系見表1,利用該相關(guān)性,即可得到地層的剪切波速度。由此可見,瑞雷波速度值的大小可以反映介質(zhì)的物理力學(xué)特性和存在狀態(tài),由此可對巖土的物理力學(xué)性質(zhì)做出評價[3].。

表1 瑞雷波速度與剪切波速度的相關(guān)性表

2.2 基本工作方法

瞬態(tài)瑞雷波勘探是在地面上沿著瑞雷波傳播的方向布置間距相等的檢波器,震源采用錘擊或炸藥。檢波器、道間距及偏移距的選擇,以滿足最佳瑞雷波接收窗口和最佳探測深度為原則。利用瑞雷波處理軟件對現(xiàn)場所記錄的多道瞬態(tài)瑞雷波信號在時間域開窗提取和F-K域進(jìn)行瑞雷波提取,把各個頻率的瑞雷波分離出來,從而獲得瑞雷波波速隨深度變化曲線即瑞雷波頻散曲線。利用實測的各測點的頻散曲線進(jìn)行反演分析,劃分速度層位,并計算出各測點各層介質(zhì)的剪切波速度值Vs。結(jié)合工程地質(zhì)鉆孔資料的對比分析進(jìn)行地下介質(zhì)分層[4].。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

雙溪口水庫計劃興建在余姚市大隱鎮(zhèn)章山村下游約280m處,屬甬江流域姚江的支流(俗稱隱溪),距余姚市約30 km。壩址向東約4 km處有杭甬高速公路,交通便利。根據(jù)《余姚市江河流域綜合規(guī)劃》,該工程壩址處集雨面積40 km2,為混凝土面板堆石壩,正常蓄水位64.0m,相應(yīng)庫容2 733萬m3,壩高47.51m,壩頂長410m,主要建筑物有大壩、泄洪洞、輸水洞和溢洪道等。浙江省水利河口研究院承擔(dān)了雙溪口水庫工程規(guī)劃階段地質(zhì)勘察任務(wù),其中物探工作是地質(zhì)勘察的一部分,其主要內(nèi)容是應(yīng)用瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù),結(jié)合工程地質(zhì)鉆探資料的對比分析,準(zhǔn)確地查明第四系覆蓋層厚度及基巖埋深,為壩址的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 工作方法

3.2.1 測線及測點布置

在上、下壩址區(qū)共布置5條面波測線,下壩址布置了4條,上壩址布置1條,瞬態(tài)瑞雷波測點間距約為100 m,網(wǎng)狀布置,共39個測點。

3.2.2 參數(shù)選擇

瞬態(tài)瑞雷波勘探使用的儀器是SWS-1G型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測儀。采用的道間距為2m,偏移距為15,20m。在實測工作中,把檢波器對稱埋置在勘探點兩側(cè),震源點和檢波器排列在一條直線上。排列方向布設(shè)原則為在河床和階地一般順?biāo)鞣较虿荚O(shè),在兩岸山坡一般沿等線或順山脊布設(shè)。

儀器參數(shù)選擇為采集道數(shù)12道,全通濾波方式,采樣間隔為0.25,0.50ms,采樣點數(shù)為1 024,2 048個。震源采用24磅大鐵錘激振,檢波器頻率為4 Hz。

3.3 資料處理及成果分析

3.3.1 資料處理

野外用SWS-1G型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測儀采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)后用與其相配的SWS處理系統(tǒng)對瞬態(tài)瑞雷波勘探資料進(jìn)行處理。利用瑞雷波處理軟件對現(xiàn)場所記錄的瑞雷波信號在時間域開窗提取和F-K域進(jìn)行瑞雷波提取,把各個頻率的瑞雷波分離開來,從而獲得瑞雷波速度隨深度的變化曲線,即瑞雷波頻散曲線。利用實測的各測點的頻散曲線進(jìn)行反演分析,劃分速度層位,并計算出各測點的各層介質(zhì)剪切波速度值Vs,結(jié)合上壩址壩軸線上地質(zhì)鉆孔資料對比分析分別對河床、階地和山坡進(jìn)行地質(zhì)分層[5].。瞬態(tài)瑞雷波勘探資料處理流程示意見圖1。

圖1 瞬態(tài)瑞雷波勘探資料處理流程示意圖

3.3.2 成果分析

瞬態(tài)瑞雷波勘探的典型成果如下:下壩址1#測線8#測點 (山坡)剪切波波速分層見圖2,下壩址1#測線8#測點(山坡)瞬態(tài)瑞雷波勘探成果見表2,下壩址1#測線(河床、階地)瞬態(tài)瑞雷波勘探剖面見圖3。

表2 下壩址1#測線8#測點 (山坡)瞬態(tài)瑞雷波勘探成果表

圖2 下壩址1#測線8#測點 (山坡)剪切波波速分層圖

圖3 下壩址1#測線(河床、階地)瞬態(tài)瑞雷波勘探剖面圖

根據(jù)瞬態(tài)瑞雷波勘探結(jié)果,結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料的對比分析,上、下壩址地質(zhì)分層如下:

(1)下壩址河床、階地地質(zhì)分層

①粗砂混卵石:分布于河床階地,厚度2.1～9.8m,比較松散,剪切波波速 Vs=187～508m/s。

②全風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度0.00～11.90m,頂板埋深2.1～8.5m,底板埋深4.5～13.9m。剪切波波速 Vs=381～655m/s。

③強(qiáng)風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度1.7～10.8 m,頂板埋深2.2～13.9 m,底板埋深 4.8～21.7 m。剪切波波速 Vs=580～ 1 148m/s。

④弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度9.6～25.0m(推斷),頂板埋深4.8～21.7m,剪切波波速 Vs=1 016～1 772m/s。

⑤微風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:剪切波波速Vs=2102～2389m/s。

(2)下壩址山坡地質(zhì)分層

①粉質(zhì)黏土:灰黃、黃色,厚度0.0～5.0m,剪切波波速 Vs=140～472m/s。

②全風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度0.0～8.4 m,頂板埋深0.0～3.3m,底板埋深2.6～10.7m,剪切波波速 Vs=321～463m/s。

③強(qiáng)風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度2.3～10.2 m,頂板埋深0.0～13.2 m,底板埋深3.0～18.9 m,剪切波波速 Vs=552～ 1 140m/s。

④弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度4.8～13.9 m,頂板埋深3.0～18.9 m,底板埋深13.6～33.9 m,剪切波波速 Vs=1 002～ 2 092m/s。

⑤微風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:剪切波波速Vs=2 100～3 330 m/s。

(3)上壩址壩軸線河床地質(zhì)分層

①粗砂混卵石:厚度3.2～5.1m,比較松散,剪切波波速 Vs=308～463m/s。河床表層有0.30～0.50m耕土。

②全風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度4.8～7.0m,頂板埋深3.2～5.1 m,底板埋深8.5～10.2m。剪切波波速 Vs=476～619m/s。

③強(qiáng)風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:厚度3.9～10.0 m,頂板埋深8.5～10.2m,底板埋深14.1～18.6m。剪切波波速Vs=766～1 015m/s。

④弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r:頂板埋深14.1～18.6 m,剪切波波速 Vs=1 682～1 857m/s。

4 結(jié) 語

從瞬態(tài)瑞雷波勘探工程實踐,可以得到以下幾點結(jié)論:

(1)瞬態(tài)瑞雷波勘探能準(zhǔn)確反映和區(qū)分地下不同巖層的界面,指出其精確厚度和各層的波速,探測深度能夠滿足水利水電工程的需要。

(2)瞬態(tài)瑞雷波勘探量大面廣,勘探成果具有較強(qiáng)的代表性,是一種快速、無損、經(jīng)濟(jì)的原位檢測方法。既能解決工程勘察中實際地質(zhì)問題,又能對工程鉆探起到前期指導(dǎo)作用。

(3)瞬態(tài)瑞雷波勘探所測波速能夠直接反映巖土的物理力學(xué)性質(zhì),即通過測試的波速可以計算場地的類型類別、卓越周期以及各層的標(biāo)準(zhǔn)貫入、承載力等。因此,瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)不僅大大節(jié)省投資,而且明顯簡化了現(xiàn)場工作程序,縮短勘察周期,提高了工作質(zhì)量和效率,必將在諸多工程勘察領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

[1].吳世明.土介質(zhì)中的波 [M]..北京:科學(xué)出版社,1997.

[2].楊成林.瑞雷波勘探[M]..北京:地質(zhì)出版杜.1993.

[3].林萬順.多道瞬態(tài)面波技術(shù)在水利及巖土工程勘察中的應(yīng)用[J]..工程勘察 ,2000,38(4):73-76.

[4].繆林昌,邱鈺.SASW法在基礎(chǔ)工程和路基工程中的應(yīng)用研究[J]..巖土力學(xué),2004,25(1):149-152.

[5].劉超英,蘇全.綜合探測技術(shù)在拱壩隱患探測中的應(yīng)用研究[J]..浙江水利科技,2006(2):4-7.