水利工程論文-面波法與單孔檢層法波速測試的工程應(yīng)用.doc

水利工程論文-面波法與單孔檢層法波速測試的工程應(yīng)用摘要：波速測試技術(shù)是地震勘探方法之一，也是一種簡便、快速、準確的原位測試技術(shù)。通過波速測試可獲得巖土體的彈性波速，為工程設(shè)計提供所需的動彈性力學參數(shù)、劃分建筑物場地類別、評價地震效應(yīng)、進行場地地震反應(yīng)分析和地震破壞潛勢分析等。文中簡述了面波法與單孔法等波速測試方法的工作原理、現(xiàn)場施測技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理和資料分析過程。以工程實例說明了波速測試技術(shù)在巖土工程勘察設(shè)計中的應(yīng)用和及其效果。最后就勘探工作的總體安排及其原位測試方法的選擇進行了探討。關(guān)鍵詞：波速測試技術(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，波速測試可原位測定壓縮波(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，諸如確定場地土類型、建筑場地類別；提供斷層破碎帶、地層厚度、固結(jié)特性和軟硬程度、評價巖(土)體質(zhì)量等；并可計算工程動力學參數(shù)，如動剪切模量、動彈性模量等。本文介紹了波速測試技術(shù)的工作原理和野外測試方法，并結(jié)合工程實例，說明其應(yīng)用效果。不妥之處，敬請批評指正。1工程概況北大港水庫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。該庫地處海河流域的大清河、南運河、子牙河水系，獨流減河下游右岸。水庫自1954年開始建設(shè)，1974年對圍堤進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。水庫蓄水面積150km2，占地面積164km2，設(shè)計堤頂高程9.5m（大沽高程，下同），設(shè)計最高蓄水位7.0m，相應(yīng)總庫容5.0108m3（興利庫容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，工程等級為類，圍堤及主要穿堤建筑物級別為2級，其余次要建筑物級別為3級。水庫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（揚水站、尾閘等）組成。其中水庫圍堤為均質(zhì)土堤，總長54.511km，堤頂設(shè)計高程為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，其邊坡1：8，林臺臺頂寬度2835m不等，臺頂高程7.5m。在庫內(nèi)距圍堤堤軸線2001000m處，筑有防浪堤一道，總長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)1/400萬中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖GB183062001，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40s，按照地震動峰值加速度分區(qū)與地震基本烈度對照表，本區(qū)地震基本烈度為度。受水庫管理單位委托，中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司勘察院承擔了該工程除險加固地質(zhì)勘察工作，物探總隊進行了現(xiàn)場波速測試，其主要目的是對水庫圍堤及穿堤建筑場地類別及砂性土液化勢做出判別。使用儀器為：美國產(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。測試所用儀器設(shè)備均在計量認證有效期內(nèi)，現(xiàn)場實施期間性能穩(wěn)定、工作正常。2測試方法與技術(shù)2.1面波法（1）（2）（3）面波勘探，也稱彈性波頻率測深，是國內(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波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易于測量，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)點運動軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方向，傳播時以波前面約為一個高度為R（R波長）的圓柱體向外擴散。在各向均勻半無限空間彈性介質(zhì)表面上，當一個圓形基礎(chǔ)上下運動時，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計算出來，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，其信噪比會大大提高。綜合分析表明R波具有如下特點：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；在不均勻介質(zhì)中R波相速度（VR）具有頻散特性，此點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，可以認為對土體而言，VR與VS基本相等，其誤差只有5%左右。該關(guān)系奠定了R波在測定巖土體物理力學參數(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)點運動軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運動；R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個波長（R）尺度范圍內(nèi)。依據(jù)上述特性，通過測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)并計算相應(yīng)地層的動力學特征參數(shù)，達到巖土工程勘察之目的。2.1.2測試方法應(yīng)用瞬態(tài)面波法進行現(xiàn)場測試時一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對比和分析。當錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時，就可以產(chǎn)生一個寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號的形式向外傳播。當多道低頻檢波器接收到脈沖形振動信號后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集，頻譜分析后，把各個頻率的R波分離出來，并求得相應(yīng)的VR值，進而繪制面波頻散曲線。當選取兩道檢波數(shù)據(jù)進行反演處理時，應(yīng)使兩檢波器接收到的信號具有足夠的相位差，其間距x應(yīng)滿足（R/3）R，即在一個波長內(nèi)采樣點數(shù)要小于在間距x內(nèi)的采樣點數(shù)的3倍，而大于在間距x內(nèi)的采樣點數(shù)的1倍，該采集濾波原則對于不同的勘探深度及儀器分辨率和場地地層特性可作適當調(diào)整。當采用多道檢波數(shù)據(jù)進行反演處理時，雖然不受道間距公式的約束，但野外數(shù)據(jù)采集時也應(yīng)考慮勘探深度和場地條件的影響。一般來說，當探測較淺部的地層介質(zhì)特性時，易采用小的x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強的高頻信號，即可獲得較好的結(jié)果；當探測較深部的地層介質(zhì)特性時，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，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達到巖土工程勘察之目的。震源點的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對稱激發(fā)，有利于R波的對比、分辨和識別，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)試驗結(jié)果選取。就目前的儀器