1、綜合物探技術及工程應用姓名：馬春景學號： 0901030918專業：交通工程摘要 : 介紹了面波和折射波探測技 術各 自的 優缺點 , 提 出了 采用面 波和 折射波 進行 工程地 質勘 察的 綜合物 探技術。從信號數據采集、 信號分析處理及成果資 料解釋 等方面 詳細介 紹了綜 合物探技 術的基 本原理 和使用 方法。工程應用表明 , 綜合物探測試結果與鉆孔資 料具有很好的一致性 , 不失為一種快速有效的工程勘 察手段。關鍵字：瞬態面波；折射波；綜合物探；工程勘察在公路工程勘察中 , 經常需要準確地查明第四系覆蓋層厚度及基巖埋深 ( 或土石界面 ) 。特別是近年來 , 由于交通建設投資加大

2、, 公路建設工期大大縮短 , 采用一般的鉆探方法很難保證工期。忠墊高速公路 A 合同段橋隧較多 , 地形及地質條件復 雜, 如采用常規勘察手段 ( 鉆孔、槽探、釬探及坑探等 ) 工作量較大 , 且難以滿足業主及設計人員要求 , 為此采用了水電物探研究所生產的 SWS- 2 型多功能勘察與檢測儀 , 在少量的鉆探工作量配合的前提下 , 1個月內 , 對部分橋隧區進行了勘察 , 保質保量地完成了勘探任務 , 并節省資金 100 多萬元。（1）綜合物探基本原理地層表面激發產生的振動信號在地層中傳播會產生面波和體波信號 , 面波信號分為 Rayleigh 波和 Love 波 , 體波信號分為橫波 (

3、S 波 ) 和縱波(P 波) 。面波信號在分層介質中傳播會發生頻散現象 , 而體波信號在特定的地層條件下會發生明顯的反射或折射現象。研究表明 , 面波在均勻介質中傳播不會發生頻散 , 而在非均勻介質中傳播會發生頻散。面波在多層介質條件下的頻散特性具有如下規律 :( 1) ( VR - f) 曲線變化規律和層速度的關系 : 當頻率發生變化時 , 面波速度 V R 會隨勘探深度的變化而逐漸趨近該深度地層的層速度。( 2) ( VR - f) 曲線變化規律與層厚度的關系 : 當厚度發生變化時 , 由頻散曲線可知 , 相應拐點位置明顯向低頻方向移動。 即拐點的位置與層厚度存在著密切的關系。地震信號在分

4、層地層中傳播 , 當上覆層波速小于下伏層波速時 , 地震信號傳播會發生明顯的折射現象 ; 當上覆層的波阻抗小于下伏層的波阻抗時 , 地震信號傳播會有反 射波產 生。折射 波又 可分為 2 種 : 初至折射波和對比折射波。 初至折射波只追蹤初至區的某個界面的折射波 , 因此易于辨認 , 識別的準確度較高。對比折射波不僅在初至區而且在續至區追蹤折射波 , 就像反射法應用相位對比追蹤波一樣 , 雖然初至折射波復雜 , 但能同時追蹤多個折射界面的折射波。折射波法一般 對薄層 的探測能 力很差 , 同時如果存在地質速度逆轉層時也不適用。運用物探手段進 行忠墊高速公 路工程地 質勘察 , 主要目的是探測橋

5、隧區的土層厚度及基巖埋深。勘察區域表層多為土層覆蓋, 局部有基巖出露 , 出露基巖存在局部風化現象。 因此上覆層波速小于下伏層波速 , 但上覆層波阻抗卻不一定小于下伏層波阻抗 , 故滿足折射波的產生條件而不一定滿足反射波的產生條件。由于單一物探方法受自身特點的限制 , 存在資料解釋精度不高 , 因此提出了采用面波和折射波進行綜合探測 , 從而大大提高了物探成果解釋精度。信號數據采集1 測線布置采用綜合物探技術主要是為了能夠準確地探測出表層土層的厚度 , 現場測線布置必須保證面波測點和折射波測點對應一致 , 便于信號數據的綜合利用。 基于以上考慮 , 其現場測點及激發點布置如圖 1 所示。2 參

6、數設計測試參數的設計是為了保證現場采集到的信號數據能夠真實準確地反映土石地層的物理力學性質 ,現場數據采集時盡量避免噪聲信號的干擾。現場測試參數的設計原則如下 :( 1)采集道數選擇要求測震儀具有多通道接受端口,一般為 12通道和 24通道。由于上覆土層厚度有可能較小 , 因此應在場形條件允許的情況下盡可能采用 24 道信號數據采集 , 以保證足夠的空間分辨率。( 2)檢波器選擇根據現場踏勘及地質調查 , 預估土層的厚度 , 確定探測深度 , 選用檢波器的頻率可利用下述公式進行估算 :f= VR/ H式中檢波器的頻率 ; VR 地層面波速度 ; H 探測深度。用于面波檢測的檢波器一般有 2 種

7、型號 : 4 Hz和 10 Hz 檢波器 , 按照上式估算出頻率 f 后 , 再選擇固有頻率比較接近的檢波器。( 3) 激震方式選擇激震方式也即激發震源 , 采集工作中使用錘擊、落重或炸藥的激發作為震源。3種激震方式的最大勘探深度分別為 : 錘擊震源的勘探深度可以達到20 30 m;落重震源的勘探深度可以達到30 50 m; 炸藥震源的勘探深度可以達到50150 m。激震點土質 松軟程度影響 震源所能激 發的頻率 ,土質松軟激發出的頻率偏低 ,土質堅硬激發出的頻率偏高。 同時 , 激發頻率與墊板尺寸有關 ,墊板尺寸越大 ,所能激發出的頻率越大。( 4) 偏移距選擇移距為排列長度 L 的 1/

8、8至1/2,其中排列長度 L為整個排列檢波器布置的長度 , 即 L = ( n- 1) dx, n為采集道數 , dx為道間距。如果土層很薄時 , 則偏移距可以選取排列長度的L/ 8,以避免偏移距過大 ,面波信號傳至最后一道檢波器因衰減而太弱。如土層很厚時, 那么要求面波傳播深度較大 ,此時偏移距選擇為排列長度的 L/2 左右。( 5) 道間距選擇對于面波法來說 ,由公式 dx 道間距應小于等于最小波長厚。在事先普查時,主要分析時域信號傳播特征 , 道間距不必滿足上式 ,可以將道間距選大一些。 如果待測試區域較大 ,可以選擇道間距為 2 m, 采集道數設為24 道 , 以利于分析時域信號傳播特

9、征。 在現場正式采集時 ,對于事先不能確定土層的可能厚度,那么可以將道間距設置得小些 ,以免探測不到較薄的土層 ,推薦選取 0. 5 m 或 1m。對于折射波法 , 一般地 , 道間距小 ,測量精度高 , 但要兼顧施工效率 ,道間距不應小于目的層深度和新鮮基巖深度的1/10 。( 6) 采樣點及采樣率選擇在現場進行面波數據采集時 ,一般選取采樣點數為 1 024點或 2048 點。記錄長度為 采樣點 和采樣間隔 的乘積 , 通過改變采樣時間間隔改變記錄長度以保證信號質量。一般對于土石分界的信號采樣率一般選擇為0. 20或 0. 25 ms。記錄長度確定的原則 : 視最大源檢距道面波初動時間為記

10、錄長度的1/ 2左右為宜 , 最大源檢距道為距離震源最遠的信號數據道。根據以上參數設計原則 ,再結合現場試驗可以得到如表 1所示的綜合探測參數推薦值。3 測試步驟現場測試過程中無論測點布置有多密 , 但測點始終是對測試區域的局部抽樣 , 需要了解整個測試區域的普遍情況 , 即先要進行現場普查 , 確定最終的測試點。然后根據前述的原則分別確定面波和折射波的現場測試參數 , 然后再根據情況進行詳細探測。整個探測流程如圖 2 所示。測試步驟如下 :( 1)根據探測任務確定探測目的( 2)擬定測試區域 ,進行現場踏勘及地質調查在進行現場踏勘及地質調查時考察土層的可能厚度,并考慮附近是否有鉆孔或測試數據

11、可供參考,以利于對比測震結果的正確性。( 3)規劃測線位置及測線方向,規劃測線位置和測線方向時要注意以下幾個方面的問題:在規劃測線時 ,應盡量避免測線橫跨經過落差或間隔過大的溝渠或土堤,測線不至于產生不連續配置幾何的情形; 測線不能太靠近有根基的結構物或樹根使蔓延的地方 , 以避免側向反射波及噪聲的干擾 ; 地表面以愈平坦愈堅硬且有些潮濕者愈佳 , 應盡量避免地表面為松軟的回填土層 , 不使反演分析結果被表面土層所影響 ; 測線需避開高壓電線或電波發射臺 , 以避免造成感應電壓的影響。為了分析數據的方便 , 測線方向選擇正向測線方向。( 4) 初步設置測試參數依照現場的地質情況及測試需求 ,

12、預估土層厚度 , 確定探測深度 , 參照表 1 推薦的測試參數值來配置測線。如果面波法和折射波法都選用同型號的檢波器 , 那么現場數據采集就可以應用同一排列進行數據采集如果 2 種方法選用的傳感器不同 , 那么要求 2 個排列對應的測點一致 , 道間距盡可能選用一致。( 5) 安置好檢波器 , 連接測震電纜保證檢波器的尾錐能與地表牢固安裝。 特殊情況下 , 如在介質松散的地表應改換長尾錐來保證檢波器與地表牢固插接 ; 在堅硬的地表條件下 , 可采用托盤或單向磁座使檢波器 與被測介質有 可靠的接觸 ; 在風噪音大或松散耕植土地表 , 采用挖深 2030 cm 埋植檢波器 , 可大大改善接收條件。

13、 隨后將接合于地表面的檢波器 , 依照接頭的大小依序連接至測震電纜 , 最后再視野外測試的需求 , 連接至轉換器或測震儀。( 6)試驗采集 ,檢查儀器的一致性儀器各道的一致性檢查 , 將儀器輸入端短路 , 采集與工作記錄長度相同的記錄并存儲 , 利用軟件分析頻響與幅度的一致性。 檢波器的一致性檢查 , 選擇介質均勻的地點 , 將檢波器密集地安插牢固 , 在大于 10 m 外激振 , 采集面波記錄并存儲 , 利用軟件分析頻響與幅度的一致性。 儀器信道和檢波器的頻響與幅度特征 , 在測深需要的頻率范圍內應具有一致性。( 7)進行震源激發并采集數據采用選定的激震方式進行激發,進行現場信號數據的采集。

14、( 8)分析時域信號 ,減小噪聲干擾對采集到的時域信號進行分析 , 如噪聲干擾太大 , 分析噪聲產生的原因 , 若為隨機噪聲 , 則可以通過現場多次信號疊加采集減小其干擾 ; 否則 , 查找噪聲源 , 若附近有工廠或工程正在進行 , 則需避開此人為噪音 , 以減少噪聲對震波信號的干擾 , 若附近車流量或人潮太大時 , 則需考慮在夜間測試 , 以盡量降低背景噪音的影響。(9)分析采集到的信號數據質量該步驟主要考察信號數據 2 個方面 : 一是是否存在削波 , 理想的信號數據記錄上近震源道不應削波 ; 二是記錄長度是否合適 , 要求信號記錄上視最大源檢距道面波初動時間為記錄長度的 1/ 2 左右為

15、宜。如存在噪聲信號干擾或數據質量較差時 , 應調整測試參數 , 重新回到步驟 ( 7) 繼續進行。( 10)面波和折射波信號數據采集確定面波的激發點和折射波的5個激發點 ,分別進行激發并采集信號數據,在信號采集過程中要盡可能地保證現場采集到高質量的信號數據 , 以利于以后進行信號數據的處理與分析。( 11) 最后視現場測試需求 ,移動排列的位置 , 并重復進行步驟 ( 3) 到步驟 ( 10) ,以采集另一個激震點位置或另一組檢波器配置的測震信號數據 , 直到所有測線量測范圍測試完畢為止。信號分析與資料解釋1 信號數據的分析信號數據的分析包括兩方面的內容 : ( 1) 面波信號數據的分析 ;

16、( 2) 折射波號數據的分析。面波信號數據分析主要包括以下幾個過程:( 1) 面波有效信號的提取 , 設置合理的時間窗在時域信號窗口提取有效面波信號數據 ;( 2) 面波頻散曲線的求取 , 根據有效面波時域信號求取面波基階模態的頻散曲線 , 進行深度轉換 , 得到深度 - 波速曲線 ;( 3) 利用空 間相似性 原理進行 測點間數 據插值 , 得到測線面波波速云圖 ; ( 4) 面波頻散曲線的遺傳反演分析 , 得到面波頻散曲線的反演分層結果。折射波信號數據分析主要包括以下幾個過程 :( 1)信號初至的提取 ,在信號的時域窗口里 ,拾取信號的初至時間。采用自動追索容易受隨機干擾信號影響,初至往往

17、會出現較大的跳躍。 故常采用的人工拾取每道同一子波的初至時間。( 2)相遇端點蓋點分層。( 3)相遇追蹤底層數據獲取。( 4) 層深度及底層波速走時數據獲取。層深度及底層波速走時數據 , 反映了排列方向上的縱波速度與深度的對應關系。2 成果資料處理與解釋通過現場信號數據的分析處理得到面波頻散曲線及折射波法的縱波速度與深度的關系曲線 , 為了綜合利用兩者的處理結果 , 需要進行綜合解釋。資料綜合解釋流程如圖 3 所示。( 1)折射波的結果處理折射波法得到的結果為排列長度方向上的縱波速度與地層深度的二維結果圖,即 Vp 與深度的關系圖。它反映了地層 深度方向 上的縱 波速度變 化情況 , 得到土層

18、和巖石層的縱波速度 , 也得到了土層的埋深。( 2) 面波頻散數據插值處理面波頻散數據插值處理包括 : 單測點頻散數據插值 ( 連續化 ) 和多測點頻散數據插值 ( 網格化 ) 。面波數據分析結果為實測頻散曲線反演結果 , 主要利用實測頻 散曲線的結 果數 據 ( 面 波相速度 VR- 深度 ) ,其數據為一系列離散的數據點 ,為了得到一條光滑的頻散曲線,對其采取了連續化處理。( 3)初步確定土石分層界限根據測點處折射波的土層埋深數據 , 在面波相速度波速云圖中的對應測點處確定出土層的埋深 , 得到各個測點的土石分界點 , 然后根據各個測點確定出的土石分界點的埋深情況進行 Kriging 插值

19、 , 將每個測點的土石分界點連線即可初步得到土石分層剖面。( 4) 對比鉆孔點的地質分層 ,進行土石分界線的調整將第( 3) 步得到的初步土石分界結果 , 將對應綜合測點的分層結果與鉆孔的 土石分層結果進 行對比 , 調整初步土石分界結果和判定速度標準 , 確定土石分界的最終結果。參考文獻 1楊成林 瑞雷波勘探 M 北京 :地質出 版社 , 1993 2王振東淺層地震 勘探應用 M北京 : 地 質出版 社 ,1988出師表兩漢：諸葛亮先帝創業未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠危急存亡之秋也。然侍衛之臣不懈于內，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體