工程物探在某重大工程中的綜合應用

  在港口工程建設中,越來(lái)越多的碼頭后方堆場(chǎng)需要開(kāi)挖山體，將獲取的石料建設碼頭，又可以獲得較好的后方堆場(chǎng)場(chǎng)地，而這就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)，以及巖石風(fēng)化程度情況，以便對開(kāi)挖土方以及邊坡的穩定性進(jìn)行評估。某項目位于花崗巖地區，地形及地質(zhì)條件復雜，采用常規勘察手段(鉆孔、槽探、釬探及坑探等)工作量大、成本也較高，且工期進(jìn)度難以滿(mǎn)足業(yè)主及設計人員要求，為此采取了高密度電法和瞬態(tài)面波法綜合探測場(chǎng)區，配合少量的鉆探工作量，對其場(chǎng)區地層分層、場(chǎng)區邊坡的的穩定性和安全性進(jìn)行科學(xué)、正確的評價(jià)。探測結果表明上述兩種方法高效率、低成本地解決了工程問(wèn)題，取得了較好的成果及顯著(zhù)的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

 

  1工區地質(zhì)特征 勘探區域屬于低山丘陵地貌，丘陵頂部高程 約90m，相對高度10～80m，臨海側丘陵坡度陡峭，風(fēng)化較深，局部在40m以上。測區山頂也可見(jiàn)多處出露基巖，測區的西面為開(kāi)挖區，南面靠近公路，西、南面都可見(jiàn)基巖出露。測區上部地層為粉土、黏性土、殘積土、全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖等分布，下部為中風(fēng)化花崗巖或強風(fēng)化和中風(fēng)化花崗巖互層帶。 地震地質(zhì)條件調查表明,該場(chǎng)地介質(zhì)的波速和電阻率大致如表1所示。 從表1可知：粉土、黏性土、殘積土和花崗巖相互之間存在明顯的波速差異和電阻率差異，具備了面波探測和高密度電法勘探的地球物理條件。

 

  2高密度電法

 

  2.1方法原理

 

  高密度電法是集電剖面法和電測探法為一體 的一種地學(xué)層析成像(Geotomography，簡(jiǎn)稱(chēng)GT)技術(shù)。高密度電法實(shí)際上是集中了多個(gè)深度電剖面和密集電測深于一體的一種技術(shù)方法。實(shí)行密集采樣來(lái)提高采樣率和“多次覆蓋”方法提高信噪比。多次覆蓋是指由不同的電流電極、不同的電位電極以地電斷面上相同的“點(diǎn)”進(jìn)行多次測量而且實(shí)現數據的快速采集和微機處理，大大提高了工作效率，并具有速度快、分辨率高、信息量大、便于進(jìn)行反演計算的特點(diǎn)。

 

  2.2數據采集

 

  根據工區地形地質(zhì)條件結合設計要求，共布置了30條高密度電法勘探線(xiàn)，布置如圖1所示。探測儀器采用重慶奔騰數控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-3型多功能數字直流激電儀和WGMD-1高密度測量系統，用直流電瓶做供電電源,最大供電電壓400V，采樣周期為1s。采用四極測探裝置進(jìn)行連續滾動(dòng)掃描測量，通過(guò)對采集參數逐項進(jìn)行實(shí)地試驗,對試驗資料的效果分析對比后,確定出資料采集最佳參數：點(diǎn)距3m，1個(gè)排列電極為60根，排例長(cháng)度177m，最大AB/2達80m。工作時(shí)相鄰2個(gè)排列首尾之間重疊30根電極，以消除測量盲區和減小測量誤差。

 

  從圖2中可以看出，表層4m以上電阻率值為20～300Ω·m，說(shuō)明風(fēng)化測區內上覆土層厚度一般在0～6m，在溝谷和坡腳處較深，局部可達10m。根據鉆孔資料上覆土層主要為殘坡積含碎石黏土、亞黏土，電阻率值較低，在100Ω·m內，山坡地段碎石含量較多的地段電阻率值稍高，可達到250～300Ω·m。且在全區范圍內差異不大，這與 高密度電法資料反映的結果相吻合。在山腰部分高密度電法勘探資料比較復雜，電阻率值變化很大。電阻率值一般為1000～4000Ω·m，3~20m的電阻率的值變化都很大，中間的有的為高阻（4000Ω·m以上），有的一直都是低阻（1000~2000Ω·m），說(shuō)明該區域內地層斷裂發(fā)育，風(fēng)化極不均勻，存在極大的風(fēng)化深槽。經(jīng)鉆孔驗證：其表層的中風(fēng)化層以上地層厚度都在20m以上；下伏基巖主要有花崗巖，花崗巖電阻率值較高，在3000Ω·m以上，完整花崗巖的電阻率值更高，發(fā)育深度一般在5～20m，局部地段最深達20m以上。裂隙破碎帶在電阻率等值斷面圖上主要表現為條帶狀低阻異常，而較大規?；鶐r則為高阻閉合圈。說(shuō)明存在風(fēng)化槽等不良地質(zhì)現象，花崗巖球形風(fēng)化特征反映明顯。3 瞬態(tài)面波法 3.1方法原理[1-2] 地層表面激發(fā)產(chǎn)生的振動(dòng)信號在地層中傳播會(huì )產(chǎn)生面波和體波信號。通過(guò)激發(fā)產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞利面波，在地面沿面波的傳播方向上，以一定的道間距ΔX設置N個(gè)檢波器，就可以檢測到面波在(N-1)ΔX長(cháng)度范圍內的傳播過(guò)程。離震源一定距離的2個(gè)相距ΔX接收器，就可接收到瑞利面波的時(shí)域信號fi(t)，則相鄰道X長(cháng)度內面波的傳播速度 VR（ω）=2πfi·ΔX/準 （1） 式中：fi為面波的頻率；準為相鄰檢波器的相位 差。

 

  根據式(1)，只要知道兩接收器間的距離ΔX和每一頻率的相位差準，就可以求出每一頻率的相速度VR（ω）。對于同一測點(diǎn)，根據一系列不同頻率fi對應的VRi值，就可以得出一條VR-f曲線(xiàn)，即所謂的頻散曲線(xiàn)。 瑞利面波頻率的f、速度VR、相應的波長(cháng)λR之間有: λR=VR/f

 

  （2） 根據彈性波理論，瑞利面波的振幅隨深度呈指數急劇衰減，能量主要集中在介質(zhì)的自由表面附近,其深度差不多在一個(gè)波長(cháng)深度范圍內。由半波長(cháng)理論可知，所測量的瑞利面波平均速度VR可以認為是1/2波長(cháng)深度處介質(zhì)的平均彈性性質(zhì)，即勘探深度H有: H=λR/2=VR/2f

 

  （3） 根據式(3)，可把VR-f曲線(xiàn)轉換為VR-H曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)的變化規律反映了該點(diǎn)介質(zhì)隨深度的變化 規律，拐點(diǎn)、突變點(diǎn)等特征點(diǎn)反映了地層地質(zhì)的力學(xué)特征。

 

  3.2 數據采集 根據工區地形地質(zhì)條件確定采集測線(xiàn)分布。對采集參數逐項進(jìn)行實(shí)地試驗，確定出資料采集最佳參數：采集道數選擇要求測震儀具有多通道接受端口，本次采用24通道。檢波器型號為4Hz檢波器，激發(fā)震源采集錘擊震源，探測土石分界時(shí)，為了避免產(chǎn)生近域效應，偏移距為排列長(cháng)度L的1/8~1/2，其中排列長(cháng)度L為整個(gè)排列檢波器布置的長(cháng)度。以免探測不到較薄的土層，檢波器間距選取0.5m或1m。在現場(chǎng)進(jìn)行面波數據采集時(shí)，采樣點(diǎn)選取采樣點(diǎn)數為1024點(diǎn)或2048點(diǎn)，信號采樣率一般選擇為0.20ms。

 

  3.3 資料分析與解釋 面波信號數據分析主要是將面波有效信號的提取，設置合理的時(shí)間窗在時(shí)域信號窗口提取有效面波信號數據；面波頻散曲線(xiàn)的求取，根據有效面波時(shí)域信號求取面波基階模態(tài)的頻散曲線(xiàn)，進(jìn)行深度轉換，得到深度-波速曲線(xiàn)；利用空間相似性原理進(jìn)行測點(diǎn)間數據插值，得到測線(xiàn)面波波速云圖；面波頻散曲線(xiàn)的遺傳反演分析，得到面波頻散曲線(xiàn)的反演分層結果。

 

  在測區內共布置297多個(gè)面波勘探點(diǎn)，做質(zhì)檢點(diǎn)22個(gè)（靠近鉆孔附近），占勘探點(diǎn)總數的7.4%，均方相對誤差為2.72%，利用面波資料和鉆探資料進(jìn)行地質(zhì)分層，效果良好，滿(mǎn)足地質(zhì)勘察要求。圖3為測區內ZK2鉆孔旁的一個(gè)面波勘探點(diǎn)的解釋成果圖，該點(diǎn)揭露的資料比鉆孔揭露的資料更豐富，在殘積土層，鉆孔資料與面波資料基本吻合，而在風(fēng)化巖地層檢測中，發(fā)現頻散曲線(xiàn)明顯地分為3層，即2.8～9.0m，9.0～17.8m，＞17.8m。每個(gè)地層中還有一些細微的地層速度變化。由圖3可見(jiàn)，地震剖面解釋深度和鉆孔深度吻合非常好，相對誤差不大，說(shuō)明地震解釋符合該地區實(shí)際情況，結果準確。 結合鉆孔資料對比，確定面波速度為350m/s以上，電阻率1000Ω/m以上為基巖。根據調整判定速度以及電阻率的標準，確定土石分界的最終結果。根據高密度電法和面波的對比解釋結果和場(chǎng)區22個(gè)鉆孔的資料，繪制出場(chǎng)區的基巖等高線(xiàn)圖(圖4)。從圖中可以看出，基巖高程有中間高，四周低之勢，最低高程為62m，最高高程為86m，基巖高程差大于30m。整個(gè)場(chǎng)區的覆蓋層和基巖的體積比例為2∶8。根據該比例計算工程開(kāi)挖土方量，從而降低了工程預算風(fēng)險。

 

  結論

 

  1)將高密度電法和瞬態(tài)面波方法獲取的資料 結合少量鉆孔，進(jìn)行分析解釋?zhuān)J為整個(gè)工區的地質(zhì)條件不好，局部風(fēng)化槽很深，對該區進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，注意風(fēng)化槽形成邊坡的保護；巖石完整性 好，開(kāi)挖的基巖是良好的回填材料。

 

  2）高密度電法和面波技術(shù)在基巖埋深及覆蓋層厚度勘探和地層劃分上與常規地震折射波法和反射波法以及鉆探相比，具有準確、經(jīng)濟、有效等明顯的優(yōu)勢，因此在工程地質(zhì)勘察中，可充分利用其特點(diǎn)和優(yōu)勢，提高工作效率、縮短工作周期、降低費用，達到優(yōu)勢互補，相互補充。具有很好的應用前景及推廣應用價(jià)值。

 

  3）高密度電法和面波的布線(xiàn)以及施工要注意結合地形地貌特點(diǎn)進(jìn)行設計，否則會(huì )影響使用效果，這就要求野外實(shí)際觀(guān)測方法須進(jìn)一步的改進(jìn)、提高。