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多道瞬态面波法在软弱夹层探测中的应用

2024-09-19 24 上传者：管理员

摘要：软弱夹层作为一种堤防隐患对堤防工程存在较大的危害，查明软弱夹层的地下空间展布，对保障堤防工程的安全性具有重要意义。为了研究多道瞬态面波法在软弱夹层探测中的应用效果，以某行洪堤为研究对象进行相关探测，探测结果识别出了2层堤身软弱夹层，在Vr～H曲线上表现为“之”字型拐点，在Vx拟速度分布图中表现为低速度异常区，并通过钻孔取样验证了探测结果的可靠性。

关键词：
堤防隐患
多道瞬态面波法
无损探测
软弱夹层
钻孔验证
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软弱夹层是一种较为常见的堤防隐患，具有含水率高、压缩性强、厚度薄、分布随机等特点，其对堤防工程可产生较大的危害，在外部荷载的作用下会引起堤顶裂缝、堤身不均匀沉降甚至堤身滑坡[1]。因此，查明软弱夹层的地下空间展布，对保障堤防工程的安全性具有重要意义。

目前，探测软弱夹层的主要方法有钻孔取样法、静力触探法、探地雷达法、高密度电法等。其中，钻孔取样法和静力触探法具有精度高、直观明了等特点，但存在“一孔之见”的局限性，难以精确查明其空间展布。探地雷达法和高密度电法均为无损探测方法，具有探测效率高等特点，但探地雷达法仅适用于浅层的软弱夹层探测，高密度电法由于具有体积效应，使得探测精度相对较低。多道瞬态面波法是一种以地下介质的波速差异为物性基础的无损探测方法，具有探测精度高、探测深度大等特点，基于软弱夹层波速低的物理性质，可将多道瞬态面波法应用于软弱夹层的探测。

1、多道瞬态面波法基本原理

多道瞬态面波法是一种无损探测方法，其工作原理主要利用了瑞雷面波的两种特性：1）瑞雷面波在层状介质中具有的频散特性，即不同频率的面波所传播的速度不同；2）瑞雷面波的传播速度与地下介质的弹性参数等物理性质有关，即在弹性参数不同的层状介质表面所传播的面波，具有不同的传播速度。根据瑞雷面波的这两种特性，可求取不同深度对应的面波速度，从而反映不同深度介质的弹性参数等物理性质，实现地下介质的精确划分[2]。

多道瞬态面波法在实际探测中，首先采用锤击、炸药等方式产生瞬时冲击力，激发一定频率范围内的瑞雷面波（见图1），接着通过检波器排列采集共炮点面波数据，然后对面波数据进行频率域处理，把不同频率的瑞雷面波分离出来，最终获得面波速度随深度变化的Vr～H曲线，实现地质勘探。其中检波器排列所获得的面波速度信息是地下介质的综合反映，可近似代表检波器排列中心点处的地层信息。相邻检波器间的距离为道间距△X，震源与第一个检波器间的距离为偏移距X，检波器组合的长度为排列长度L（见图1），探测结果的精度和深度与道间距、偏移距、排列长度和震源能量等因素有关。其中，探测精度随着道间距的减小而增大，探测深度随着偏移距、排列长度和震源能量的增大而增大。

图1 多道瞬态面波法工作示意图

图2 多道瞬态面波原始数据图

图3 多道瞬态面波数据F-K域能量分布图

图4 多道瞬态面波Vr～H曲线图

图5 堤防横断面Vx拟速度分布图

2、探测实例

2.1 多道瞬态面波法探测

某行洪堤工程等别为Ⅳ等，堤防为4级建筑物。该行洪堤堤顶道路出现过多处纵向裂缝，为了查明裂缝发育的原因，采用多道瞬态面波法进行了相关的探测。本次探测中所采用的多道瞬态面波仪器为北京市水电物探研究所生产的SWS型工程勘探与工程检测仪，是一种高性能、多功能的勘探与检测仪器，具有高效率、高分辨率等特点，可适应复杂地质条件下的工程勘察。本次多道瞬态面波法测线沿堤防横断面布置，在堤防横断面上选择堤脚、堤坡和堤顶等若干个面波测量点进行探测。测量震源选用18磅大锤，道数为24道，道间距为1.0m，偏移距为9m，采样率为0.5ms，记录长度为1024ms。为了保证多道瞬态面波法采集数据的真实性和准确性，通过采用石膏固结等措施，增加检波器与地面之间的耦合程度。最终采集到的多道瞬态面波法原始数据见图2。

如图2所示，即为在堤顶采集到的共炮点多道瞬态面波剖面，图中虚线框中即为采集到的基阶面波数据，具有能量强、频率低、速度小等特点，同时面波数据信噪比较高，干扰波发育不明显，可通过傅里叶变换转换至频率域（F-K域）进行数据处理，如图3所示。图3即为面波数据转换在F-K域的能量分布图，横坐标为波数，纵坐标为频率，图中最强的能量团即为面波能量团，其分布较为规则，可进行连续追踪。在F-K域对面波能量团进行追踪后，变换至深度域即可获得面波速度随深度变化的Vr～H曲线，如图4所示。在图4中，面波探测深度在1～16m范围，面波速度值在110～220m/s范围，整体上面波速度呈现随着深度的增大而增大的规律，这是由于堤身填土随着埋深的增大，其密实度逐渐增大，面波速度也随之增大，符合实际情况。其中，在深度3m和7m左右处面波速度出现“之”字型拐点变化，反映该处地质结构存在异常，初步推断为堤身软弱夹层。

通过在堤脚、堤坡和堤顶等位置处进行多道瞬态面波探测，获得相应的Vr～H曲线，并将Vr速度按照周期T做提高峰度处理后得到Vx拟速度值（相当于将Vr面波速度异常值进行放大处理），同时对各探测点进行地形校正，最终获得堤防横断面Vx拟速度分布图，结果如图5所示。图5中探测高程范围为9.5～25.0m,Vx拟速度值在80～220m/s之间，整体上呈现随着深度的增大而增大的规律，其中在堤顶正下方处速度值相对堤坡两侧较高，这是由于堤顶下方堤身填土相对较厚，并长时间受车载荷的影响，使得其填土密实度大于堤坡两侧造成的。整体上，Vx拟速度值均匀性较差，在堤顶道路下部存在两处低速度异常区（黑色虚线框表示），速度值在120～150m/s左右，厚度在1.0m左右，整体向堤身背水侧倾斜展布，推测该处存在软弱夹层。

2.2 钻孔验证

为了验证多道瞬态面波法探测结果的可靠性，采用履带式地质钻机在堤顶进行钻探取样，并对芯样进行了含水率、颗粒分析、液塑限、渗透、直剪、压缩等室内土工试验。根据钻探、室内试验结果，堤身填土以重粉质壤土为主，夹轻、中粉质壤土，棕黄色，可塑～硬塑状，含水率普遍在17.2%～29.1%之间；在堤顶以下2～3m和6～7m之间有2层高含水率（33.1%～37.3%）软弱夹层，土体呈现软塑状，部分土样接近液限，具有高压缩性。

将钻探结果与多道瞬态面波法探测结果对比发现，Vr～H曲线上的“之”字型拐点（图4）和Vx拟速度分布图中堤顶道路下部的低速度异常区域（图5），均与堤身素填土中高含水率（33.1%～37.3%）软弱夹层相对应，其埋深和厚度等赋存状态均相吻合，从而验证了多道瞬态面波法在探测软弱夹层中的可靠性。

3、结论

为了研究多道瞬态面波法在软弱夹层探测中的应用，本文以某行洪堤为研究对象进行了相关的探测，并得到以下结论：

1）在多道瞬态面波探测结果中，Vr～H曲线上存在“之”字型拐点，Vx拟速度分布图中存在低速度异常区，速度值在120～150m/s左右。

2）根据钻孔取样和土工试验结果，堤顶道路下部存在2层高含水率软弱夹层，与多道瞬态面波法探测结果中的“之”字型拐点和低速度异常区相对应，反映多道瞬态面波法的探测结果较为可靠

参考文献:

[1]穆成林,裴向军,王睿,等.基于物理模型试验的含多层软弱夹层顺层开挖高边坡变形破坏特征分析[J].中国地质灾害与防治学报,2022,33(03):61-67.

[2]胡智,尹方东,王金昌,等.基于瞬态面波法的道路地下病害无损探测技术应用[J].岩土工程学报,2023,45(S1):189-192.

文章来源:曾秋阳,马国栋.多道瞬态面波法在软弱夹层探测中的应用[J].治淮,2024,(09):26-27+30.