水利工程論文-面波法與單孔檢層法波速測(cè)試的工程應(yīng)用.doc

水利工程論文-面波法與單孔檢層法波速測(cè)試的工程應(yīng)用摘要：波速測(cè)試技術(shù)是地震勘探方法之一，也是一種簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確的原位測(cè)試技術(shù)。通過波速測(cè)試可獲得巖土體的彈性波速，為工程設(shè)計(jì)提供所需的動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)、劃分建筑物場(chǎng)地類別、評(píng)價(jià)地震效應(yīng)、進(jìn)行場(chǎng)地地震反應(yīng)分析和地震破壞潛勢(shì)分析等。文中簡(jiǎn)述了面波法與單孔法等波速測(cè)試方法的工作原理、現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理和資料分析過程。以工程實(shí)例說明了波速測(cè)試技術(shù)在巖土工程勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和及其效果。最后就勘探工作的總體安排及其原位測(cè)試方法的選擇進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：波速測(cè)試技術(shù)瑞雷面波剪切波壓縮波巖土工程勘察地球物理勘探0前言波速測(cè)試技術(shù)是地震勘探方法之一，也是地球物理勘探技術(shù)的一個(gè)重要分支，目前已廣泛應(yīng)用于水利水電工程、石油工程、鐵路工程、冶金工程、工業(yè)與民用建筑等眾多巖土工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域，取得了良好的應(yīng)用效果。一般來說，波速測(cè)試可原位測(cè)定壓縮波(P波)、剪切波(S波)和瑞雷面波(R波)在巖(土)體中的傳播速度，從而避免了室內(nèi)測(cè)試所帶來的誤差，它能有效地解決許多地質(zhì)問題，諸如確定場(chǎng)地土類型、建筑場(chǎng)地類別；提供斷層破碎帶、地層厚度、固結(jié)特性和軟硬程度、評(píng)價(jià)巖(土)體質(zhì)量等；并可計(jì)算工程動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如動(dòng)剪切模量、動(dòng)彈性模量等。本文介紹了波速測(cè)試技術(shù)的工作原理和野外測(cè)試方法，并結(jié)合工程實(shí)例，說明其應(yīng)用效果。不妥之處，敬請(qǐng)批評(píng)指正。1工程概況北大港水庫(kù)位于天津市東南部大港區(qū)境內(nèi)，東臨渤海灣，地貌上屬于海積平原的濱海洼地，隸屬華北平原一部分。該庫(kù)地處海河流域的大清河、南運(yùn)河、子牙河水系，獨(dú)流減河下游右岸。水庫(kù)自1954年開始建設(shè)，1974年對(duì)圍堤進(jìn)行培厚加高加固處理，1976年初步建成，并陸續(xù)修建蓄、引、輸、排水配套工程，至1980年建成。水庫(kù)蓄水面積150km2，占地面積164km2，設(shè)計(jì)堤頂高程9.5m（大沽高程，下同），設(shè)計(jì)最高蓄水位7.0m，相應(yīng)總庫(kù)容5.0108m3（興利庫(kù)容4.41108m3）。是一座以蓄供水為主，兼有防洪、灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的大（2）型平原水庫(kù)，工程等級(jí)為類，圍堤及主要穿堤建筑物級(jí)別為2級(jí)，其余次要建筑物級(jí)別為3級(jí)。水庫(kù)樞紐工程主要由圍堤、穿堤建筑物（水閘、供水口門等）以及蓄水建筑物（揚(yáng)水站、尾閘等）組成。其中水庫(kù)圍堤為均質(zhì)土堤，總長(zhǎng)54.511km，堤頂設(shè)計(jì)高程為9.5m，堤頂寬度10m，迎水坡1：3，背水坡上部1：3，馬道以下1：4。主堤前緊接防浪林臺(tái)，其邊坡1：8，林臺(tái)臺(tái)頂寬度2835m不等，臺(tái)頂高程7.5m。在庫(kù)內(nèi)距圍堤堤軸線2001000m處，筑有防浪堤一道，總長(zhǎng)36.048km。勘探深度20.0m范圍內(nèi)堤基地層為第四系全新統(tǒng)第一陸相沉積物（alQ43）和第一海相沉積物（mQ42）。其中第一陸相層巖性主要為壤土、粘土、局部夾砂壤土透鏡體，第一海相層巖性主要為粘土、壤土、砂壤土及少量淤泥質(zhì)壤土。該區(qū)地層結(jié)構(gòu)多呈層狀發(fā)育，局部呈透鏡體狀分布。地下水位埋深一般為2.13.5m，水質(zhì)多為半咸水咸水。根據(jù)1/400萬中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖GB183062001，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s，按照地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)與地震基本烈度對(duì)照表，本區(qū)地震基本烈度為度。受水庫(kù)管理單位委托，中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司勘察院承擔(dān)了該工程除險(xiǎn)加固地質(zhì)勘察工作，物探總隊(duì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試，其主要目的是對(duì)水庫(kù)圍堤及穿堤建筑場(chǎng)地類別及砂性土液化勢(shì)做出判別。使用儀器為：美國(guó)產(chǎn)R24數(shù)字化工程地震儀。面波法采用4Hz低頻檢波器接收，單孔法下孔探頭采用三分量檢波器接收。測(cè)試所用儀器設(shè)備均在計(jì)量認(rèn)證有效期內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施期間性能穩(wěn)定、工作正常。2測(cè)試方法與技術(shù)2.1面波法（1）（2）（3）面波勘探，也稱彈性波頻率測(cè)深，是國(guó)內(nèi)外近幾年發(fā)展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動(dòng)波組中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低，容易識(shí)別也易于測(cè)量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。人們根據(jù)激振震源的不同，又把面波勘探分為穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法、無源法。它們的測(cè)試原理是相同的，只是產(chǎn)生面波的震源不同罷了。目前常使用瞬態(tài)面波法進(jìn)行勘探。2.1.1工作原理面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的P波和S波不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH波（水平方向S波）與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波（垂直方向S波）與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波r-1）的衰減要慢得多。在傳播過程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長(zhǎng)軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，傳播時(shí)以波前面約為一個(gè)高度為R（R波長(zhǎng)）的圓柱體向外擴(kuò)散。在各向均勻半無限空間彈性介質(zhì)表面上，當(dāng)一個(gè)圓形基礎(chǔ)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計(jì)算出來，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會(huì)大大提高。綜合分析表明R波具有如下特點(diǎn)：在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強(qiáng)；在不均勻介質(zhì)中R波相速度（VR）具有頻散特性，此點(diǎn)是面波勘探的理論基礎(chǔ)；由P波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)式為：式中：為泊松比；由于第四系地層的泊松比一般為0.370.49，故VR=（0.9380.954）VS，可以認(rèn)為對(duì)土體而言，VR與VS基本相等，其誤差只有5%左右。該關(guān)系奠定了R波在測(cè)定巖土體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用；R波在多道接受中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸；質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個(gè)波長(zhǎng)（R）尺度范圍內(nèi)。依據(jù)上述特性，通過測(cè)定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計(jì)算相應(yīng)地層的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，達(dá)到巖土工程勘察之目的。2.1.2測(cè)試方法應(yīng)用瞬態(tài)面波法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對(duì)比和分析。當(dāng)錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時(shí)，就可以產(chǎn)生一個(gè)寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號(hào)的形式向外傳播。當(dāng)多道低頻檢波器接收到脈沖形振動(dòng)信號(hào)后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集，頻譜分析后，把各個(gè)頻率的R波分離出來，并求得相應(yīng)的VR值，進(jìn)而繪制面波頻散曲線。當(dāng)選取兩道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，應(yīng)使兩檢波器接收到的信號(hào)具有足夠的相位差，其間距x應(yīng)滿足（R/3）R，即在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)要小于在間距x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的3倍，而大于在間距x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的1倍，該采集濾波原則對(duì)于不同的勘探深度及儀器分辨率和場(chǎng)地地層特性可作適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)采用多道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，雖然不受道間距公式的約束，但野外數(shù)據(jù)采集時(shí)也應(yīng)考慮勘探深度和場(chǎng)地條件的影響。一般來說，當(dāng)探測(cè)較淺部的地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用小的x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻信號(hào)，即可獲得較好的結(jié)果；當(dāng)探測(cè)較深部的地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用較大的x值，并用重錘沖擊地面，以產(chǎn)生較低頻率的信號(hào)，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達(dá)到巖土工程勘察之目的。震源點(diǎn)的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對(duì)稱激發(fā)，有利于R波的對(duì)比、分辨和識(shí)別，但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來說，偏移距應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取。就目前的儀器