工程物探在某重大工程中的综合应用

  在港口工程建设中,越来越多的码头后方堆场需要开挖山体，将获取的石料建设码头，又可以获得较好的后方堆场场地，而这就需要准确地查明第四系覆盖层厚度及基岩埋深(或土石界面)，以及岩石风化程度情况，以便对开挖土方以及边坡的稳定性进行评估。某项目位于花岗岩地区，地形及地质条件复杂，采用常规勘察手段(钻孔、槽探、钎探及坑探等)工作量大、成本也较高，且工期进度难以满足业主及设计人员要求，为此采取了高密度电法和瞬态面波法综合探测场区，配合少量的钻探工作量，对其场区地层分层、场区边坡的的稳定性和安全性进行科学、正确的评价。探测结果表明上述两种方法高效率、低成本地解决了工程问题，取得了较好的成果及显著的社会效益和经济效益。

 

  1工区地质特征 勘探区域属于低山丘陵地貌，丘陵顶部高程 约90m，相对高度10～80m，临海侧丘陵坡度陡峭，风化较深，局部在40m以上。测区山顶也可见多处出露基岩，测区的西面为开挖区，南面靠近公路，西、南面都可见基岩出露。测区上部地层为粉土、黏性土、残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩等分布，下部为中风化花岗岩或强风化和中风化花岗岩互层带。 地震地质条件调查表明,该场地介质的波速和电阻率大致如表1所示。 从表1可知：粉土、黏性土、残积土和花岗岩相互之间存在明显的波速差异和电阻率差异，具备了面波探测和高密度电法勘探的地球物理条件。

 

  2高密度电法

 

  2.1方法原理

 

  高密度电法是集电剖面法和电测探法为一体 的一种地学层析成像(Geotomography，简称GT)技术。高密度电法实际上是集中了多个深度电剖面和密集电测深于一体的一种技术方法。实行密集采样来提高采样率和“多次覆盖”方法提高信噪比。多次覆盖是指由不同的电流电极、不同的电位电极以地电断面上相同的“点”进行多次测量而且实现数据的快速采集和微机处理，大大提高了工作效率，并具有速度快、分辨率高、信息量大、便于进行反演计算的特点。

 

  2.2数据采集

 

  根据工区地形地质条件结合设计要求，共布置了30条高密度电法勘探线，布置如图1所示。探测仪器采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-3型多功能数字直流激电仪和WGMD-1高密度测量系统，用直流电瓶做供电电源,最大供电电压400V，采样周期为1s。采用四极测探装置进行连续滚动扫描测量，通过对采集参数逐项进行实地试验,对试验资料的效果分析对比后,确定出资料采集最佳参数：点距3m，1个排列电极为60根，排例长度177m，最大AB/2达80m。工作时相邻2个排列首尾之间重叠30根电极，以消除测量盲区和减小测量误差。

 

  从图2中可以看出，表层4m以上电阻率值为20～300Ω·m，说明风化测区内上覆土层厚度一般在0～6m，在沟谷和坡脚处较深，局部可达10m。根据钻孔资料上覆土层主要为残坡积含碎石黏土、亚黏土，电阻率值较低，在100Ω·m内，山坡地段碎石含量较多的地段电阻率值稍高，可达到250～300Ω·m。且在全区范围内差异不大，这与 高密度电法资料反映的结果相吻合。在山腰部分高密度电法勘探资料比较复杂，电阻率值变化很大。电阻率值一般为1000～4000Ω·m，3~20m的电阻率的值变化都很大，中间的有的为高阻（4000Ω·m以上），有的一直都是低阻（1000~2000Ω·m），说明该区域内地层断裂发育，风化极不均匀，存在极大的风化深槽。经钻孔验证：其表层的中风化层以上地层厚度都在20m以上；下伏基岩主要有花岗岩，花岗岩电阻率值较高，在3000Ω·m以上，完整花岗岩的电阻率值更高，发育深度一般在5～20m，局部地段最深达20m以上。裂隙破碎带在电阻率等值断面图上主要表现为条带状低阻异常，而较大规模基岩则为高阻闭合圈。说明存在风化槽等不良地质现象，花岗岩球形风化特征反映明显。3 瞬态面波法 3.1方法原理[1-2] 地层表面激发产生的振动信号在地层中传播会产生面波和体波信号。通过激发产生一定频率范围的瑞利面波，在地面沿面波的传播方向上，以一定的道间距ΔX设置N个检波器，就可以检测到面波在(N-1)ΔX长度范围内的传播过程。离震源一定距离的2个相距ΔX接收器，就可接收到瑞利面波的时域信号fi(t)，则相邻道X长度内面波的传播速度 VR（ω）=2πfi·ΔX/准 （1） 式中：fi为面波的频率；准为相邻检波器的相位 差。

 

  根据式(1)，只要知道两接收器间的距离ΔX和每一频率的相位差准，就可以求出每一频率的相速度VR（ω）。对于同一测点，根据一系列不同频率fi对应的VRi值，就可以得出一条VR-f曲线，即所谓的频散曲线。 瑞利面波频率的f、速度VR、相应的波长λR之间有: λR=VR/f

 

  （2） 根据弹性波理论，瑞利面波的振幅随深度呈指数急剧衰减，能量主要集中在介质的自由表面附近,其深度差不多在一个波长深度范围内。由半波长理论可知，所测量的瑞利面波平均速度VR可以认为是1/2波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度H有: H=λR/2=VR/2f

 

  （3） 根据式(3)，可把VR-f曲线转换为VR-H曲线，该曲线的变化规律反映了该点介质随深度的变化 规律，拐点、突变点等特征点反映了地层地质的力学特征。

 

  3.2 数据采集 根据工区地形地质条件确定采集测线分布。对采集参数逐项进行实地试验，确定出资料采集最佳参数：采集道数选择要求测震仪具有多通道接受端口，本次采用24通道。检波器型号为4Hz检波器，激发震源采集锤击震源，探测土石分界时，为了避免产生近域效应，偏移距为排列长度L的1/8~1/2，其中排列长度L为整个排列检波器布置的长度。以免探测不到较薄的土层，检波器间距选取0.5m或1m。在现场进行面波数据采集时，采样点选取采样点数为1024点或2048点，信号采样率一般选择为0.20ms。

 

  3.3 资料分析与解释 面波信号数据分析主要是将面波有效信号的提取，设置合理的时间窗在时域信号窗口提取有效面波信号数据；面波频散曲线的求取，根据有效面波时域信号求取面波基阶模态的频散曲线，进行深度转换，得到深度-波速曲线；利用空间相似性原理进行测点间数据插值，得到测线面波波速云图；面波频散曲线的遗传反演分析，得到面波频散曲线的反演分层结果。

 

  在测区内共布置297多个面波勘探点，做质检点22个（靠近钻孔附近），占勘探点总数的7.4%，均方相对误差为2.72%，利用面波资料和钻探资料进行地质分层，效果良好，满足地质勘察要求。图3为测区内ZK2钻孔旁的一个面波勘探点的解释成果图，该点揭露的资料比钻孔揭露的资料更丰富，在残积土层，钻孔资料与面波资料基本吻合，而在风化岩地层检测中，发现频散曲线明显地分为3层，即2.8～9.0m，9.0～17.8m，＞17.8m。每个地层中还有一些细微的地层速度变化。由图3可见，地震剖面解释深度和钻孔深度吻合非常好，相对误差不大，说明地震解释符合该地区实际情况，结果准确。 结合钻孔资料对比，确定面波速度为350m/s以上，电阻率1000Ω/m以上为基岩。根据调整判定速度以及电阻率的标准，确定土石分界的最终结果。根据高密度电法和面波的对比解释结果和场区22个钻孔的资料，绘制出场区的基岩等高线图(图4)。从图中可以看出，基岩高程有中间高，四周低之势，最低高程为62m，最高高程为86m，基岩高程差大于30m。整个场区的覆盖层和基岩的体积比例为2∶8。根据该比例计算工程开挖土方量，从而降低了工程预算风险。

 

  结论

 

  1)将高密度电法和瞬态面波方法获取的资料 结合少量钻孔，进行分析解释，认为整个工区的地质条件不好，局部风化槽很深，对该区进行开挖时，注意风化槽形成边坡的保护；岩石完整性 好，开挖的基岩是良好的回填材料。

 

  2）高密度电法和面波技术在基岩埋深及覆盖层厚度勘探和地层划分上与常规地震折射波法和反射波法以及钻探相比，具有准确、经济、有效等明显的优势，因此在工程地质勘察中，可充分利用其特点和优势，提高工作效率、缩短工作周期、降低费用，达到优势互补，相互补充。具有很好的应用前景及推广应用价值。

 

  3）高密度电法和面波的布线以及施工要注意结合地形地貌特点进行设计，否则会影响使用效果，这就要求野外实际观测方法须进一步的改进、提高。