综合物探技术及工程应用0901030918马春景

1、综合物探技术及工程应用姓名：马春景学号： 0901030918专业：交通工程摘要 : 介绍了面波和折射波探测技 术各 自的 优缺点 , 提 出了 采用面 波和 折射波 进行 工程地 质勘 察的 综合物 探技术。从信号数据采集、 信号分析处理及成果资 料解释 等方面 详细介 绍了综 合物探技 术的基 本原理 和使用 方法。工程应用表明 , 综合物探测试结果与钻孔资 料具有很好的一致性 , 不失为一种快速有效的工程勘 察手段。关键字：瞬态面波；折射波；综合物探；工程勘察在公路工程勘察中 , 经常需要准确地查明第四系覆盖层厚度及基岩埋深 ( 或土石界面 ) 。特别是近年来 , 由于交通建设投资加大

2、, 公路建设工期大大缩短 , 采用一般的钻探方法很难保证工期。忠垫高速公路 A 合同段桥隧较多 , 地形及地质条件复 杂, 如采用常规勘察手段 ( 钻孔、槽探、钎探及坑探等 ) 工作量较大 , 且难以满足业主及设计人员要求 , 为此采用了水电物探研究所生产的 SWS- 2 型多功能勘察与检测仪 , 在少量的钻探工作量配合的前提下 , 1个月内 , 对部分桥隧区进行了勘察 , 保质保量地完成了勘探任务 , 并节省资金 100 多万元。（1）综合物探基本原理地层表面激发产生的振动信号在地层中传播会产生面波和体波信号 , 面波信号分为 Rayleigh 波和 Love 波 , 体波信号分为横波 (

3、S 波 ) 和纵波(P 波) 。面波信号在分层介质中传播会发生频散现象 , 而体波信号在特定的地层条件下会发生明显的反射或折射现象。研究表明 , 面波在均匀介质中传播不会发生频散 , 而在非均匀介质中传播会发生频散。面波在多层介质条件下的频散特性具有如下规律 :( 1) ( VR - f) 曲线变化规律和层速度的关系 : 当频率发生变化时 , 面波速度 V R 会随勘探深度的变化而逐渐趋近该深度地层的层速度。( 2) ( VR - f) 曲线变化规律与层厚度的关系 : 当厚度发生变化时 , 由频散曲线可知 , 相应拐点位置明显向低频方向移动。 即拐点的位置与层厚度存在着密切的关系。地震信号在分

4、层地层中传播 , 当上覆层波速小于下伏层波速时 , 地震信号传播会发生明显的折射现象 ; 当上覆层的波阻抗小于下伏层的波阻抗时 , 地震信号传播会有反 射波产 生。折射 波又 可分为 2 种 : 初至折射波和对比折射波。 初至折射波只追踪初至区的某个界面的折射波 , 因此易于辨认 , 识别的准确度较高。对比折射波不仅在初至区而且在续至区追踪折射波 , 就像反射法应用相位对比追踪波一样 , 虽然初至折射波复杂 , 但能同时追踪多个折射界面的折射波。折射波法一般 对薄层 的探测能 力很差 , 同时如果存在地质速度逆转层时也不适用。运用物探手段进 行忠垫高速公 路工程地 质勘察 , 主要目的是探测桥

5、隧区的土层厚度及基岩埋深。勘察区域表层多为土层覆盖, 局部有基岩出露 , 出露基岩存在局部风化现象。 因此上覆层波速小于下伏层波速 , 但上覆层波阻抗却不一定小于下伏层波阻抗 , 故满足折射波的产生条件而不一定满足反射波的产生条件。由于单一物探方法受自身特点的限制 , 存在资料解释精度不高 , 因此提出了采用面波和折射波进行综合探测 , 从而大大提高了物探成果解释精度。信号数据采集1 测线布置采用综合物探技术主要是为了能够准确地探测出表层土层的厚度 , 现场测线布置必须保证面波测点和折射波测点对应一致 , 便于信号数据的综合利用。 基于以上考虑 , 其现场测点及激发点布置如图 1 所示。2 参

6、数设计测试参数的设计是为了保证现场采集到的信号数据能够真实准确地反映土石地层的物理力学性质 ,现场数据采集时尽量避免噪声信号的干扰。现场测试参数的设计原则如下 :( 1)采集道数选择要求测震仪具有多通道接受端口,一般为 12通道和 24通道。由于上覆土层厚度有可能较小 , 因此应在场形条件允许的情况下尽可能采用 24 道信号数据采集 , 以保证足够的空间分辨率。( 2)检波器选择根据现场踏勘及地质调查 , 预估土层的厚度 , 确定探测深度 , 选用检波器的频率可利用下述公式进行估算 :f= VR/ H式中检波器的频率 ; VR 地层面波速度 ; H 探测深度。用于面波检测的检波器一般有 2 种

7、型号 : 4 Hz和 10 Hz 检波器 , 按照上式估算出频率 f 后 , 再选择固有频率比较接近的检波器。( 3) 激震方式选择激震方式也即激发震源 , 采集工作中使用锤击、落重或炸药的激发作为震源。3种激震方式的最大勘探深度分别为 : 锤击震源的勘探深度可以达到20 30 m;落重震源的勘探深度可以达到30 50 m; 炸药震源的勘探深度可以达到50150 m。激震点土质 松软程度影响 震源所能激 发的频率 ,土质松软激发出的频率偏低 ,土质坚硬激发出的频率偏高。 同时 , 激发频率与垫板尺寸有关 ,垫板尺寸越大 ,所能激发出的频率越大。( 4) 偏移距选择移距为排列长度 L 的 1/

8、8至1/2,其中排列长度 L为整个排列检波器布置的长度 , 即 L = ( n- 1) dx, n为采集道数 , dx为道间距。如果土层很薄时 , 则偏移距可以选取排列长度的L/ 8,以避免偏移距过大 ,面波信号传至最后一道检波器因衰减而太弱。如土层很厚时, 那么要求面波传播深度较大 ,此时偏移距选择为排列长度的 L/2 左右。( 5) 道间距选择对于面波法来说 ,由公式 dx 道间距应小于等于最小波长厚。在事先普查时,主要分析时域信号传播特征 , 道间距不必满足上式 ,可以将道间距选大一些。 如果待测试区域较大 ,可以选择道间距为 2 m, 采集道数设为24 道 , 以利于分析时域信号传播特

9、征。 在现场正式采集时 ,对于事先不能确定土层的可能厚度,那么可以将道间距设置得小些 ,以免探测不到较薄的土层 ,推荐选取 0. 5 m 或 1m。对于折射波法 , 一般地 , 道间距小 ,测量精度高 , 但要兼顾施工效率 ,道间距不应小于目的层深度和新鲜基岩深度的1/10 。( 6) 采样点及采样率选择在现场进行面波数据采集时 ,一般选取采样点数为 1 024点或 2048 点。记录长度为 采样点 和采样间隔 的乘积 , 通过改变采样时间间隔改变记录长度以保证信号质量。一般对于土石分界的信号采样率一般选择为0. 20或 0. 25 ms。记录长度确定的原则 : 视最大源检距道面波初动时间为记

10、录长度的1/ 2左右为宜 , 最大源检距道为距离震源最远的信号数据道。根据以上参数设计原则 ,再结合现场试验可以得到如表 1所示的综合探测参数推荐值。3 测试步骤现场测试过程中无论测点布置有多密 , 但测点始终是对测试区域的局部抽样 , 需要了解整个测试区域的普遍情况 , 即先要进行现场普查 , 确定最终的测试点。然后根据前述的原则分别确定面波和折射波的现场测试参数 , 然后再根据情况进行详细探测。整个探测流程如图 2 所示。测试步骤如下 :( 1)根据探测任务确定探测目的( 2)拟定测试区域 ,进行现场踏勘及地质调查在进行现场踏勘及地质调查时考察土层的可能厚度,并考虑附近是否有钻孔或测试数据

11、可供参考,以利于对比测震结果的正确性。( 3)规划测线位置及测线方向,规划测线位置和测线方向时要注意以下几个方面的问题:在规划测线时 ,应尽量避免测线横跨经过落差或间隔过大的沟渠或土堤,测线不至于产生不连续配置几何的情形; 测线不能太靠近有根基的结构物或树根使蔓延的地方 , 以避免侧向反射波及噪声的干扰 ; 地表面以愈平坦愈坚硬且有些潮湿者愈佳 , 应尽量避免地表面为松软的回填土层 , 不使反演分析结果被表面土层所影响 ; 测线需避开高压电线或电波发射台 , 以避免造成感应电压的影响。为了分析数据的方便 , 测线方向选择正向测线方向。( 4) 初步设置测试参数依照现场的地质情况及测试需求 ,

12、预估土层厚度 , 确定探测深度 , 参照表 1 推荐的测试参数值来配置测线。如果面波法和折射波法都选用同型号的检波器 , 那么现场数据采集就可以应用同一排列进行数据采集如果 2 种方法选用的传感器不同 , 那么要求 2 个排列对应的测点一致 , 道间距尽可能选用一致。( 5) 安置好检波器 , 连接测震电缆保证检波器的尾锥能与地表牢固安装。 特殊情况下 , 如在介质松散的地表应改换长尾锥来保证检波器与地表牢固插接 ; 在坚硬的地表条件下 , 可采用托盘或单向磁座使检波器 与被测介质有 可靠的接触 ; 在风噪音大或松散耕植土地表 , 采用挖深 2030 cm 埋植检波器 , 可大大改善接收条件。

13、 随后将接合于地表面的检波器 , 依照接头的大小依序连接至测震电缆 , 最后再视野外测试的需求 , 连接至转换器或测震仪。( 6)试验采集 ,检查仪器的一致性仪器各道的一致性检查 , 将仪器输入端短路 , 采集与工作记录长度相同的记录并存储 , 利用软件分析频响与幅度的一致性。 检波器的一致性检查 , 选择介质均匀的地点 , 将检波器密集地安插牢固 , 在大于 10 m 外激振 , 采集面波记录并存储 , 利用软件分析频响与幅度的一致性。 仪器信道和检波器的频响与幅度特征 , 在测深需要的频率范围内应具有一致性。( 7)进行震源激发并采集数据采用选定的激震方式进行激发,进行现场信号数据的采集。

14、( 8)分析时域信号 ,减小噪声干扰对采集到的时域信号进行分析 , 如噪声干扰太大 , 分析噪声产生的原因 , 若为随机噪声 , 则可以通过现场多次信号叠加采集减小其干扰 ; 否则 , 查找噪声源 , 若附近有工厂或工程正在进行 , 则需避开此人为噪音 , 以减少噪声对震波信号的干扰 , 若附近车流量或人潮太大时 , 则需考虑在夜间测试 , 以尽量降低背景噪音的影响。(9)分析采集到的信号数据质量该步骤主要考察信号数据 2 个方面 : 一是是否存在削波 , 理想的信号数据记录上近震源道不应削波 ; 二是记录长度是否合适 , 要求信号记录上视最大源检距道面波初动时间为记录长度的 1/ 2 左右为

15、宜。如存在噪声信号干扰或数据质量较差时 , 应调整测试参数 , 重新回到步骤 ( 7) 继续进行。( 10)面波和折射波信号数据采集确定面波的激发点和折射波的5个激发点 ,分别进行激发并采集信号数据,在信号采集过程中要尽可能地保证现场采集到高质量的信号数据 , 以利于以后进行信号数据的处理与分析。( 11) 最后视现场测试需求 ,移动排列的位置 , 并重复进行步骤 ( 3) 到步骤 ( 10) ,以采集另一个激震点位置或另一组检波器配置的测震信号数据 , 直到所有测线量测范围测试完毕为止。信号分析与资料解释1 信号数据的分析信号数据的分析包括两方面的内容 : ( 1) 面波信号数据的分析 ;

16、( 2) 折射波号数据的分析。面波信号数据分析主要包括以下几个过程:( 1) 面波有效信号的提取 , 设置合理的时间窗在时域信号窗口提取有效面波信号数据 ;( 2) 面波频散曲线的求取 , 根据有效面波时域信号求取面波基阶模态的频散曲线 , 进行深度转换 , 得到深度 - 波速曲线 ;( 3) 利用空 间相似性 原理进行 测点间数 据插值 , 得到测线面波波速云图 ; ( 4) 面波频散曲线的遗传反演分析 , 得到面波频散曲线的反演分层结果。折射波信号数据分析主要包括以下几个过程 :( 1)信号初至的提取 ,在信号的时域窗口里 ,拾取信号的初至时间。采用自动追索容易受随机干扰信号影响,初至往往

17、会出现较大的跳跃。 故常采用的人工拾取每道同一子波的初至时间。( 2)相遇端点盖点分层。( 3)相遇追踪底层数据获取。( 4) 层深度及底层波速走时数据获取。层深度及底层波速走时数据 , 反映了排列方向上的纵波速度与深度的对应关系。2 成果资料处理与解释通过现场信号数据的分析处理得到面波频散曲线及折射波法的纵波速度与深度的关系曲线 , 为了综合利用两者的处理结果 , 需要进行综合解释。资料综合解释流程如图 3 所示。( 1)折射波的结果处理折射波法得到的结果为排列长度方向上的纵波速度与地层深度的二维结果图,即 Vp 与深度的关系图。它反映了地层 深度方向 上的纵 波速度变 化情况 , 得到土层

18、和岩石层的纵波速度 , 也得到了土层的埋深。( 2) 面波频散数据插值处理面波频散数据插值处理包括 : 单测点频散数据插值 ( 连续化 ) 和多测点频散数据插值 ( 网格化 ) 。面波数据分析结果为实测频散曲线反演结果 , 主要利用实测频 散曲线的结 果数 据 ( 面 波相速度 VR- 深度 ) ,其数据为一系列离散的数据点 ,为了得到一条光滑的频散曲线,对其采取了连续化处理。( 3)初步确定土石分层界限根据测点处折射波的土层埋深数据 , 在面波相速度波速云图中的对应测点处确定出土层的埋深 , 得到各个测点的土石分界点 , 然后根据各个测点确定出的土石分界点的埋深情况进行 Kriging 插值

19、 , 将每个测点的土石分界点连线即可初步得到土石分层剖面。( 4) 对比钻孔点的地质分层 ,进行土石分界线的调整将第( 3) 步得到的初步土石分界结果 , 将对应综合测点的分层结果与钻孔的 土石分层结果进 行对比 , 调整初步土石分界结果和判定速度标准 , 确定土石分界的最终结果。参考文献 1杨成林 瑞雷波勘探 M 北京 :地质出 版社 , 1993 2王振东浅层地震 勘探应用 M北京 : 地 质出版 社 ,1988出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体