地震波法在辛安泉输水隧洞检测中的应用

刘东清（山西省水利水电勘测设计研究院　山西　太原　030024）

地震波法在辛安泉输水隧洞检测中的应用

刘东清
（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

本文主要讲述地震波法的基本原理及工作方法，以及用该物探方法对辛安泉输水隧洞进行裂隙、风化破碎带检测，划分分化界线，进行围岩分类，为后期施工提供科学依据。

地震波法；隧洞检测；裂隙破碎带

1　引言

风化裂隙带是工程勘察与施工过程中经常遇到的一种地质现象，而且对后期的工程建设造成极大的安全隐患，所以必须在施工之前对其进行准确的评价并进行相应的处理。地震波法是一种传统的物探方法的总称，其根据解决问题的不同，可以分为反射波法、折射波法，瑞雷波（面波）法。

2　工程概况

辛安泉供水工程是山西省大水网建设的重点项目，是“两纵十横”大水网的第五横。工程地处长治市，主要为长治市市区、郊区、长治县、潞城市、壶关县、屯留县、黎城县和平顺县提供农业灌溉、人畜饮水、城市生活和工业生产用水。该项目分为取水工程和供水工程。取水工程由库内及库尾集水池、两岸侧向入渗集水廊道、引水箱涵和汇水池组成。供水工程由总干线、黎城支线（供黎城县）、平顺支线（供平顺县）、屯留支线（供天脊化工、潞城市、屯留县）和长治支线（供平顺工业园区、长治市区、长治郊区、长治县、壶关县）组成。线路总长152.2km（其中隧洞长约18.5km），供水线路采用管道和隧洞输水。这次工作的主要任务是对输水隧洞进行地震波测试，划分风化界线，进行围岩分类。

3　工作原理及方法

3.1地震波法工作原理

地震波法的基本原理是利用波的运动学特性，研究地震波在传播过程中波前的空间位置与其传播时间之间的关系，这种关系可以用时间场来描述，所谓的时间场就是波至时间的空间分布［1］。可以用函数t=t（x，y，z）表示，一般情况下震源的位置与测线在一条直线上时，时间场函数t=t（x，y，z）对于测线而言变成了一个二维问题t=t（x，z），而对于测线上某一测点而言就变成了一个一维问题t=t（x）［1］。

本文主要讲的是直达波的应用问题。直达波就是从震源点发出的不经过反射或是折射，以速度v直接传播到各接收点的地震波。当震源位于地表附近时，并采用纵测线观测时，其传播时间与距离的关系为：

其中v*为波沿测线传播的视速度，x为传播距离。当接收点在激发点左侧时，上式取负号。

当忽略震源深度时，一般可近似的认为v*等于表层层速度v。

3.2地震波法工作方法

直达波按照波的传播方式分为纵波（vp）和横波（vs）两种：下面分别对两种波的传播方式和激发、接收方法予以简单说明：

（1）纵波的激发方法与接收方式

由于纵波质点的振动方向与传播方向一致，所以在激发纵波时，振动的方向应与波的传播方向一致。基于上述特点，在隧洞测线选定后将检波器的最大灵敏度轴与测线重合，并用石膏将检波器固定于洞壁上，锤击方向与检波器接收方向、波传播方向的关系示意图如下图3-1所示：

图3-1　纵波测试示意图

（2）横波的激发方法与接收方式：

横波的振动特点是质点的振动方向与波的传播方向垂直，所以接收检波器的最大灵敏度轴应当保证与质点的振动方向一致，横波的激发方向应与横波的传播方向垂直。因此，测线选定后，将接收检波器的最大灵敏度轴与X坐标轴（Y轴方向）垂直。为了获得这种在切应力作用下产生的剪切波，以定向锤击作为横波的Y向激发震源。为了获得清晰的横波波形，应使激发方向与测线方向垂直，并使所有接收检波器的最大灵敏度轴彼此平行，且在同一平面内，如下图3-2所示：

图3-2　横波测试示意图

4　现场检测及成果分析

4.1现场检测

按照工作计划的要求，沿洞壁两侧各布置一条测线，两检波器间距离为1m，震源的激发方式为锤击法，采用纵波激发的方式，如图3-1所示。

在数据的采集过程当中，为提高数据的准确度，减少噪声，必须要保持检测区域以及周围没有其它震动干扰。

4.2成果分析

现场采集的数据，由于受主观与客观因素的影响，不可避免地存在着误差与个别点的畸变，这就需要在室内资料处理中进行纠编工作。

（1）仪器本身造成的误差的消除

仪器本身误差属于系统误差，产生这种误差的原因，是由于地震仪本身内部电子原件时间延迟造成的，可采用两检波器间的时间差进行消除。

（2）洞壁起伏不平产生的误差的消除

产生这种误差的原因是由于在测量洞壁长度时，测绳是贴着洞壁进行的，在凸起的地方两检波器间的距离（规定两检波器间的距离为1m）增长；在凹进去的地方，两检波器间的距离缩短。一般来说，在岩性与岩石构造无很大变化的区间内，岩体纵波速度应该相近，如果纵波速度数据变化很大，必须进行偏差矫正，具体来说就是波速偏大，乘以系数使其变小（系数的采用主要是根据经验进行的）。

表4-1　　辛安泉供水工程输水隧洞洞壁岩体地震波测试成果表

（3）畸变点的剔除

畸变点的出现是极个别的。引起这种误差的原因一般难于查找，因此在数据处理时将其剔除。

（4）纵波波速的计算

后期纵波波速vp的计算依据公式：

其中：

Δs——为两检波器间的距离，其单位为m；

Δt——为两检波器接收的时间差，其单位为ms；

具体检测成果见表4-1“辛安泉供水工程输水隧洞洞壁岩体地震波测试成果表”

从上表4-1可以看出：在左洞壁，桩号0～0+50.5，岩体纵波波速1111m/s～1515 m/s，平均值为1388m/s，岩体完整性系数为0.05～0.09，岩体破碎；桩号 0+60.5～0+64.5，岩体纵波波速840m/s～1459m/s，平均值为1168m/s，岩体完整性系数为0.03～0.09，岩体破碎；桩号1+456.0～1+469.0，本段的岩体纵波波速2705m/s～2778m/s，平均值为2742m/s，岩体完整性系数为0.29～0.31，岩体较破碎；桩号1+469.0～ 1+492.0，本段的岩体纵波波速3128m/s～3326m/s，平均值为3227m/s，岩体完整性系数为0.39～0.44，岩体完整性差；桩号1+750.0～1+762.0，本段的岩体纵波波速2752m/s，岩体完整性系数为0.30，岩体较破碎；桩号1+762.0～1+774.0，本段的岩体纵波波速3125m/s，岩体完整性系数为0.39，岩体完整性差；桩号1+774.0～1+789.0，本段的岩体纵波波速2535m/s～2788m/s，平均值为2662m/s，岩体完整性系数为0.26～0.31，岩体较破碎；桩号1+789.0～1+794.0，本段的岩体纵波波速1569m/s，岩体完整性系数为0.10，岩体破碎。

在右洞壁，桩号0～0+50.5，本段的岩体纵波波速1176m/s～1667m/s，平均值为1391m/s，岩体完整性系数为0.06～0.11，岩体破碎；桩号0+60.5～0+64.5，本段的岩体纵波波速847m/s～1473m/s，平均值为1128m/s，岩体完整性系数为0.03～0.09，岩体破碎；桩号1+456.0～1+477.0，本段的岩体纵波波速1887m/s～2296m/s，平均值为2152m/s，岩体完整性系数为0.14～0.21，岩体较破碎；桩号1+477.0～1+492.0，本段的岩体纵波波速3129m/s，岩体完整性系数为0.39，岩体完整性差；桩号 1+750.0～1+774.0，本段的岩体纵波波速2647m/s～2837m/s，平均值为2742m/s，岩体完整性系数为 0.28～0.32，岩体较破碎；桩号1+774.0～1+789.0，本段的岩体纵波波速2951m/s～3564m/s，平均值为3258m/s，岩体完整性系数为0.35～0.51，岩体完整性差；桩号1+789.0～1+794.0，本段的岩体纵波波速1368m/s，岩体完整性系数为0.07，岩体破碎；桩号6+517.0～6+520.0，本段的岩体纵波波速2857m/s，岩体完整性系数为0.33，岩体较破碎。

从上述分析可以看出，输水隧洞的岩体完整性从破碎～完整性差。根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）中对围岩工程地质分类的描述，辛安泉供水工程输水隧洞的岩体围岩为Ⅲ～Ⅴ类，岩体极不稳定～局部稳定性差。

5　结语

此次地震波透射法在辛安泉隧洞裂隙检测中取得了较好的效果，通过后期数据处理分析，比较准确的确定了洞壁裂隙带的位置，以及洞壁两侧岩体风化程度的强弱。陕西水利

［1］贺振华，李正文主编.勘查技术工程学［M］.地质出版社.2003

（责任编辑：畅妮）

P613.4

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