灰巖地層隱伏洞體的瑞雷波勘查試驗

吳騰飛,羅顯楓

(1.湖北理工學院 土木建筑工程學院,湖北 黃石 435003;2.湖北迎果科技有限公司,湖北 黃石 435106)

灰巖地層是巖土工程建設中常見的地質結構,其巖溶作用會造成溶洞、裂隙、軟弱夾層等地質災害,因而需要在工程施工前對場地進行地質勘查,以防不良地質結構對工程建設帶來潛在危害,造成不必要的經濟損失。

目前,隱伏溶洞探測方法有很多,應用較廣泛的有瑞雷波法、地質雷達、電磁法、電阻率法等[1]。唐申強[2]利用地質雷達的瞬時振幅獲得了巖溶涌水通道的邊界特征和形態大小;潘衛東等[3]利用高密度電法對廣州地鐵隱伏溶洞進行探測,發現溶洞位置規模與實際存在一定偏差;楊嘉明等[4]探討了高密度電阻率法在水電工程巖溶探測中的應用,揭示了該方法對物性差異不大的地質體或者異常體的分辨率較弱。瞬態瑞雷波法能對近地表地層結構進行高分辨成像,探明洞體空間上尺寸,對洞體結構分辨率高,能準確定位洞體空間位置[5]。本文針對灰巖地層含隱伏洞體的地質問題,分別建立空溶洞和充填溶洞地質模型,利用交錯網格有限差分地震波法進行數值計算,研究瑞雷波在灰巖地層中的傳播規律,并分析頻散曲線特征,以期為實際灰巖地層隱伏洞體的現場勘查試驗提供理論依據。

1 數值模擬

1.1 半空間單層均勻介質模型

半空間單層均勻介質模型大小為200 m×100 m;vp=1000 m/s;vs=500 m/s;ρ=1800 kg/m3;網格間距取0.5 m×0.5 m,即模型有400×200個網格點;道間距為2 m;炮間距為10 m;炮集記錄共17組;采樣率為0.4 ms;采樣時間為500 ms。震源位于模型(0,0)處。由于雷克子波具有分辨率高、相位無畸變等優點,本文數值模型的震源均采用雷克子波,子波的主頻為35 Hz。對該地質模型采用交錯網格2階時間差分近似和交錯網格12階空間差分近似進行地震波場數值模擬。彈性波場垂直分量炮集記錄如圖1所示,單炮記錄對應的瑞雷波頻散譜如圖2所示,均勻介質模型模擬計算出的所有排列頻散曲線如圖3所示。從圖2和圖3可知,在均勻介質模型中仍然存在瑞雷波,其瑞雷波相速度主要集中在約490 m/s,略小于模型中橫波速度(vs=500 m/s),但此時瑞雷波相速度的大小并沒有隨著頻率大小而發生變化,即未發生頻散現象。該模型得出的結論與瑞雷波基本理論是完全一致的,也證明了交錯網格有限差分方法模擬彈性波波場的有效性和可靠性。

圖1 彈性波場垂直分量炮集記錄

圖2 單炮記錄對應的瑞雷波頻散譜

圖3 均勻介質模型模擬計算出的所有排列頻散曲線

1.2 灰巖地層隱伏空溶洞模型

灰巖地層隱伏空溶洞介質模型大小為200 m×100 m;第1層參數:vp=700 m/s;vs=400 m/s;ρ=1900 kg/m3;第2層參數:vp=2000 m/s;vs=1200 m/s;ρ=1900 kg/m3;空溶洞參數:vp=340 m/s;vs=0 m/s;ρ=1.29 kg/m3;網格間距取0.5 m×0.5 m,即模型有400×200個網格點;道間距為2 m;炮間距為10 m,共收集17組炮集記錄;其中第9和10炮的排列位于空溶洞上方;采樣率為0.3 ms;采樣時間為600 ms?？杖芏闯叽鐬?0 m×10 m,且空溶洞離近地表面法向深度約為10 m。震源采用主頻為35 Hz的雷克子波,震源至于地表(0,0)處,從左往右依次模擬彈性波場。排列位于空溶洞上方彈性波場垂直分量的炮集記錄如圖4所示,隱伏空溶洞模型的頻散曲線特征如圖5所示。

圖4 排列位于空溶洞上方彈性波場垂直分量的炮集記錄

(a) 排列位于空溶洞上方 (b) 排列不在空溶洞上方 (c) 空溶洞模型模擬計算出的所有頻散曲線圖5 隱伏空溶洞模型的頻散曲線特征

從圖4可以看出,瑞雷波有明顯的頻散現象,空溶洞位置處的波組發生了多次反射。從圖5可以看出,存在基階模頻散曲線和高階模頻散曲線,且基階瑞雷波能量強于高階。當排列位于空溶洞上方時,頻散曲線的形態變化大,尤其在24 Hz處產生一個拐向高速區的瞬時波動。當排列不在空溶洞上方時,頻散譜分布均勻,瑞雷波相速度線性遞增。觀察圖5(c)頻散集,發現在空溶洞位置的頻散曲線出現跳動的現象。因此,在灰巖地層隱伏空溶洞的地區用瑞雷波法進行地質勘查時,可以用頻散曲線的變化特征對巖土體結構進行定性解釋,為結構反演和資料解釋提供地層參數。

1.3 灰巖地層隱伏充填溶洞模型

灰巖地層中隱伏充填溶洞介質模型大小為200 m×100 m;第1層參數:vp=700 m/s;vs=400 m/s;ρ=1900 kg/m3;第2層參數:vp=2000 m/s;vs=1200 m/s;ρ=1900 kg/m3;空溶洞參數:vp=600 m/s;vs=200 m/s;ρ=1200 kg/m3;網格間距取0.5 m×0.5 m,即模型有400×200個網格點;道間距為2 m;炮間距為10 m,共收集17組炮集記錄;其中第9和10炮位于充填溶洞上方;采樣率為0.3 ms;采樣時間為600 ms。充填溶洞尺寸為10 m×10 m的方形,且充填溶洞離近地表面法向深度約為10 m。震源仍采用主頻為35 Hz的雷克子波。

排列位于充填溶洞上方彈性波場垂直分量的炮集記錄如圖6所示,從圖6可以看出,瑞雷波存在頻散現象,且彈性波場與地質結構緊密相關。尤其在充填溶洞附近的地震道,接收的波形明顯不連續,且出現錯斷等特征(圖6中紅色框),這是由于彈性波傳至充填溶洞處產生強繞射,與近地表瑞雷波發生相互干涉作用,導致充填溶洞附近彈性波震相發生變化。排列位于溶洞上方和不在溶洞上方的頻散曲線特征如圖7所示。對比圖7中頻散曲線發現,排列不在充填溶洞上方時,頻散曲線出現了“之”型形態特征;當排列在溶洞上方時,頻散曲線在充填溶洞對應的位置數據缺失,且在充填溶洞附近的炮集對應的頻散曲線震蕩較大。充填溶洞模型模擬計算出的所有頻散曲線如圖8所示,除了位于充填溶洞上方第9、10炮低頻段頻散信息缺失外,其它位置頻散曲線變化不大。因此,在實際工程勘查時,用瑞雷波法勘查灰巖層含充填溶洞的地區,可用頻散曲線形態及長短變化對其進行定性分析。

圖6 排列位于充填溶洞上方彈性波場垂直分量的炮集記錄

(a) 排列不在溶洞上方頻散曲線 (b) (a)中頻散曲線經轉換后的H-V曲線 (c) 排列位于溶洞上方頻散曲線 (d) (c)中頻散曲線經轉換后的H-V曲線圖7 排列位于溶洞上方和不在溶洞上方的頻散曲線特征

圖8 充填溶洞模型模擬計算出的所有頻散曲線

2 工程勘查實例

舜耕山隧道位于江淮平原的淮南丘陵區,地形起伏不大,高程為4.3～167.6 m,隧道南北兩側覆蓋巖體較薄,中部較高。隧道地址區發育的主要地層有:寒武系下統饅頭組、中統毛莊組、徐莊組、張夏組,上統固山組、土壩組;奧陶系下統賈汪組、肖縣組、馬家溝組;第四系新地層[6]。隧道穿越的巖性以灰巖和泥質灰巖為主,南端洞口段有少量的砂質頁巖。隧道穿越的地層為單斜構造,節理、裂隙較發育。

2.1 數據采集與處理

勘查試驗場地位于隧道北端,把隧洞看作一個空洞異常體,用多道瞬態瑞雷波法進行探查。瑞雷波現場勘查測線布置及地層剖面圖如圖9所示。該區域地表為粘土層,下伏為灰巖、局部泥質灰巖。為能讓測線橫跨隧道上方,測線的起點位于隧道上方東側約45 m處?，F場采用Geopen 24道工程地震儀,18磅鐵錘作為激發震源,現場通過對比測試38 Hz和4.5 Hz檢波器接收波形記錄,發現38 Hz更適合記錄現場地質特征。排列的道間距2 m,偏移距6 m,移動步距為2 m,采樣率為0.1 ms,采樣點數設置為2 000,共收集34組炮集記錄。

圖9 瑞雷波現場勘查測線布置及地層剖面圖

2.2 結果分析

對場地收集的34組波形數據進行預處理、頻譜分析、頻散反演等處理[7-8],反演獲得的測線L=70 m瑞雷波二維剪切波波速分布如圖10所示。圖10清晰地反映了灰巖地層上、中、下3層結構,上層波速變化從0 m/s至800 m/s,中層波速變化為800 m/s至1 600 m/s,下層波速大于1 600 m/s。雖然地層間剪切波速變化較大,但地質結構的過渡層較清晰,揭示了該區域灰巖地層較為均質化。在剖面水平位置約35～55 m、深度約10～25 m處,存在一個半橢圓高速異常,與左右兩側的灰巖層形成鮮明的波速差異,且剪切波速大于2 000 m/s,判定該高速異常為橫跨灰巖層的隧道,且與隧道實際位置較為一致。隧道顯示為高速異常特征,是由于橫波傳至隧洞水泥邊墻附近,水泥邊墻具有切變彈性,而隧道內空洞是無切變彈性,橫波是沿著隧道空洞水泥邊墻傳播,隧洞內的速度值是通過線性插值計算出的虛假速度異常,并無真正意義上的高速異常。由此可知,利用瑞雷波法勘查灰巖含洞體的區域具有較高的分辨率和較好的勘查應用效果。

圖10 測線L=70 m瑞雷波二維剪切波波速分布

3 結論

1)交錯網格有限差分模擬方法計算彈性波場精度較高,模擬的結果具有較高的穩定性和可靠性。

2)瑞雷波法對隱伏洞體有較高的分辨率;在灰巖地層空溶洞模型中,排列在空溶洞上方的瑞雷波頻散曲線存在明顯的跳動現象;而在灰巖地層充填溶洞模型中,排列位于充填溶洞附近的瑞雷波頻散曲線震蕩較大且頻散信息到溶洞的上邊界處突然消失,即低頻段頻散信息缺失。