瞬态瑞雷波勘探技术在水库工程勘察中的应用

刘超英,吕 颖

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

1 问题的提出

由于地下介质的弹性波速反映的是其在弹性阶段的力学性质,因此弹性波速分层在工程勘察工作中主要用于解决与岩土力学特征相关的问题,主要用于区分力学性质在弹性阶段具有明显差异的土层及岩石层。瞬态瑞雷波勘探技术是在无需钻空的情况下可测试出层状介质的弹性波速,它与传统的钻空波速测试方法相比具有无损及快速的优点,所以瞬态瑞雷波勘探技术无论是在岩土工程勘察的初勘阶段或用于宏观划分力学性质差异明显的地层、构造,还是在详勘阶段描述基岩埋深、填土厚度等的变化趋势的工作中都具有明显优势。瞬态瑞雷波勘探技术在工程勘察领域的应用范围十分广阔,应用效果正日益提高。

2 瞬态瑞雷波勘探基本原理与工作方法

瑞雷波勘探可根据激振方式不同,分为瞬态瑞雷波法和稳态瑞雷波法,两种方法基本原理相同,但在工作方法上有所区别,本文主要介绍瞬态瑞雷波法。

2.1 基本原理

由弹性波理论可知,瑞雷波存在于自由表面附近,它是由于波的干涉而产生,并沿界面传播,在其传播方向的平面内,瑞雷波的质点运动的轨迹为逆时针方向转动的椭圆,椭圆长轴垂直于介质表面,长轴与短轴之比为2∶3。瑞雷波传播具有以下主要特性:

2.1.1 瑞雷波在层状介质中传播的频散特性[1].

在均匀介质条件下,瑞雷波波长λr与振动频率f无关,即在均匀介质条件下,瑞雷波传播不具频散性。在层状介质条件下,λr是f的函数,即在层状介质条件下将导致瑞雷波的频散。该特性是瑞雷波勘探的理论基础,由于瑞雷波法不仅利用了波的运动学特征,更重要的是利用了波的动力学特征,而常规弹性波法,主要利用波的运动学特征,且要求各层的波速或波阻抗有较大差异,因此瑞雷波对介质反映更细微。

2.1.2 瑞雷波的穿透深度与波长的关系

经计算得出瑞雷波水平振幅和垂直振幅随单位波长深度的变化规律表明,当深度H为λr的1/2时,瑞雷波有大部分能量已经损失;当深度与波长相当时,其能量迅速衰减。因此,可以认为瑞雷波的穿透深度为1个波长。这一事实说明,瑞雷波某一波长的波速主要与深度小于λr/2的地层物性有关,该特性为利用瑞雷波进行浅层地质勘探提供了依据[2].。

由λr=VR/f得知,不同的瑞雷波长对应于弹性波的频率,通过探测不同频率下介质的弹性波速度,即可得到VR～λR曲线,称频散曲线。频散曲线的特性及其变化规律与地质条件密切相关,通过频散曲线进行反演计算,可以得到地下某一深度范围内的地质构造情况和不同深度的瑞雷波传播速度VR值。

2.1.3 瑞雷波速度与剪切波速度的相关性

由瑞雷波速度VR与剪切波速度Vs的关系式:

计算出岩土介质中λ与VR、Vs的关系见表1,利用该相关性,即可得到地层的剪切波速度。由此可见,瑞雷波速度值的大小可以反映介质的物理力学特性和存在状态,由此可对岩土的物理力学性质做出评价[3].。

表1 瑞雷波速度与剪切波速度的相关性表

2.2 基本工作方法

瞬态瑞雷波勘探是在地面上沿着瑞雷波传播的方向布置间距相等的检波器,震源采用锤击或炸药。检波器、道间距及偏移距的选择,以满足最佳瑞雷波接收窗口和最佳探测深度为原则。利用瑞雷波处理软件对现场所记录的多道瞬态瑞雷波信号在时间域开窗提取和F-K域进行瑞雷波提取,把各个频率的瑞雷波分离出来,从而获得瑞雷波波速随深度变化曲线即瑞雷波频散曲线。利用实测的各测点的频散曲线进行反演分析,划分速度层位,并计算出各测点各层介质的剪切波速度值Vs。结合工程地质钻孔资料的对比分析进行地下介质分层[4].。

3 工程应用实例

3.1 工程概况

双溪口水库计划兴建在余姚市大隐镇章山村下游约280m处,属甬江流域姚江的支流(俗称隐溪),距余姚市约30 km。坝址向东约4 km处有杭甬高速公路,交通便利。根据《余姚市江河流域综合规划》,该工程坝址处集雨面积40 km2,为混凝土面板堆石坝,正常蓄水位64.0m,相应库容2 733万m3,坝高47.51m,坝顶长410m,主要建筑物有大坝、泄洪洞、输水洞和溢洪道等。浙江省水利河口研究院承担了双溪口水库工程规划阶段地质勘察任务,其中物探工作是地质勘察的一部分,其主要内容是应用瞬态瑞雷波勘探技术,结合工程地质钻探资料的对比分析,准确地查明第四系覆盖层厚度及基岩埋深,为坝址的选择提供科学依据。

3.2 工作方法

3.2.1 测线及测点布置

在上、下坝址区共布置5条面波测线,下坝址布置了4条,上坝址布置1条,瞬态瑞雷波测点间距约为100 m,网状布置,共39个测点。

3.2.2 参数选择

瞬态瑞雷波勘探使用的仪器是SWS-1G型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪。采用的道间距为2m,偏移距为15,20m。在实测工作中,把检波器对称埋置在勘探点两侧,震源点和检波器排列在一条直线上。排列方向布设原则为在河床和阶地一般顺水流方向布设,在两岸山坡一般沿等线或顺山脊布设。

仪器参数选择为采集道数12道,全通滤波方式,采样间隔为0.25,0.50ms,采样点数为1 024,2 048个。震源采用24磅大铁锤激振,检波器频率为4 Hz。

3.3 资料处理及成果分析

3.3.1 资料处理

野外用SWS-1G型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪采集的数据传输到计算机后用与其相配的SWS处理系统对瞬态瑞雷波勘探资料进行处理。利用瑞雷波处理软件对现场所记录的瑞雷波信号在时间域开窗提取和F-K域进行瑞雷波提取,把各个频率的瑞雷波分离开来,从而获得瑞雷波速度随深度的变化曲线,即瑞雷波频散曲线。利用实测的各测点的频散曲线进行反演分析,划分速度层位,并计算出各测点的各层介质剪切波速度值Vs,结合上坝址坝轴线上地质钻孔资料对比分析分别对河床、阶地和山坡进行地质分层[5].。瞬态瑞雷波勘探资料处理流程示意见图1。

图1 瞬态瑞雷波勘探资料处理流程示意图

3.3.2 成果分析

瞬态瑞雷波勘探的典型成果如下:下坝址1#测线8#测点 (山坡)剪切波波速分层见图2,下坝址1#测线8#测点(山坡)瞬态瑞雷波勘探成果见表2,下坝址1#测线(河床、阶地)瞬态瑞雷波勘探剖面见图3。

表2 下坝址1#测线8#测点 (山坡)瞬态瑞雷波勘探成果表

图2 下坝址1#测线8#测点 (山坡)剪切波波速分层图

图3 下坝址1#测线(河床、阶地)瞬态瑞雷波勘探剖面图

根据瞬态瑞雷波勘探结果,结合地质钻孔资料的对比分析,上、下坝址地质分层如下:

(1)下坝址河床、阶地地质分层

①粗砂混卵石:分布于河床阶地,厚度2.1～9.8m,比较松散,剪切波波速 Vs=187～508m/s。

②全风化晶屑凝灰岩:厚度0.00～11.90m,顶板埋深2.1～8.5m,底板埋深4.5～13.9m。剪切波波速 Vs=381～655m/s。

③强风化晶屑凝灰岩:厚度1.7～10.8 m,顶板埋深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弱风化晶屑凝灰岩:厚度9.6～25.0m(推断),顶板埋深4.8～21.7m,剪切波波速 Vs=1 016～1 772m/s。

⑤微风化晶屑凝灰岩:剪切波波速Vs=2102～2389m/s。

(2)下坝址山坡地质分层

①粉质黏土:灰黄、黄色,厚度0.0～5.0m,剪切波波速 Vs=140～472m/s。

②全风化晶屑凝灰岩:厚度0.0～8.4 m,顶板埋深0.0～3.3m,底板埋深2.6～10.7m,剪切波波速 Vs=321～463m/s。

③强风化晶屑凝灰岩:厚度2.3～10.2 m,顶板埋深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弱风化晶屑凝灰岩:厚度4.8～13.9 m,顶板埋深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微风化晶屑凝灰岩:剪切波波速Vs=2 100～3 330 m/s。

(3)上坝址坝轴线河床地质分层

①粗砂混卵石:厚度3.2～5.1m,比较松散,剪切波波速 Vs=308～463m/s。河床表层有0.30～0.50m耕土。

②全风化晶屑凝灰岩:厚度4.8～7.0m,顶板埋深3.2～5.1 m,底板埋深8.5～10.2m。剪切波波速 Vs=476～619m/s。

③强风化晶屑凝灰岩:厚度3.9～10.0 m,顶板埋深8.5～10.2m,底板埋深14.1～18.6m。剪切波波速Vs=766～1 015m/s。

④弱风化晶屑凝灰岩:顶板埋深14.1～18.6 m,剪切波波速 Vs=1 682～1 857m/s。

4 结 语

从瞬态瑞雷波勘探工程实践,可以得到以下几点结论:

(1)瞬态瑞雷波勘探能准确反映和区分地下不同岩层的界面,指出其精确厚度和各层的波速,探测深度能够满足水利水电工程的需要。

(2)瞬态瑞雷波勘探量大面广,勘探成果具有较强的代表性,是一种快速、无损、经济的原位检测方法。既能解决工程勘察中实际地质问题,又能对工程钻探起到前期指导作用。

(3)瞬态瑞雷波勘探所测波速能够直接反映岩土的物理力学性质,即通过测试的波速可以计算场地的类型类别、卓越周期以及各层的标准贯入、承载力等。因此,瞬态瑞雷波勘探技术不仅大大节省投资,而且明显简化了现场工作程序,缩短勘察周期,提高了工作质量和效率,必将在诸多工程勘察领域发挥越来越大的作用。

[1].吴世明.土介质中的波 [M]..北京:科学出版社,1997.

[2].杨成林.瑞雷波勘探[M]..北京:地质出版杜.1993.

[3].林万顺.多道瞬态面波技术在水利及岩土工程勘察中的应用[J]..工程勘察 ,2000,38(4):73-76.

[4].缪林昌,邱钰.SASW法在基础工程和路基工程中的应用研究[J]..岩土力学,2004,25(1):149-152.

[5].刘超英,苏全.综合探测技术在拱坝隐患探测中的应用研究[J]..浙江水利科技,2006(2):4-7.