瞬態(tài)瑞雷面波勘探中隱伏溶洞的響應特征研究

李圣林， 胡澤安， 吳海波

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，淮南 232001)

0 引言

巖溶地區(qū)高速鐵路建設等重要民生工程面臨的巖溶塌陷等地質(zhì)災害日益廣泛和頻繁，造成嚴重的經(jīng)濟損失和社會影響[1-4]。以往巖溶異常探測的傳統(tǒng)方法是鉆孔取芯，該方法比較直觀，但存在明顯的缺點，很難取得較好的效果。而物探方法具有簡便、快速、成本小等優(yōu)點，可以準確確定溶洞的分布范圍[5]。就隱伏巖溶問題，常用的物探方法有瞬態(tài)瑞雷面波法、地質(zhì)雷達、電阻率成像等[6-8]，與其他物探方法相比，瞬態(tài)瑞雷面波法具有分辨率高、受場地影響小、效率高等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景[9]。但是應用瞬態(tài)瑞雷面波法探測隱伏溶洞能否取得理想的效果，除了需要采集到高信噪比的面波資料，對資料進行精準、高效的處理與解釋也是至關重要的。

上世紀90年代，瞬態(tài)瑞雷面波法開始廣泛應用于巖土工程勘察及其相關領域，取得了較好的應用效果[10]。但瞬態(tài)瑞雷面波法對于隱伏溶洞的具體響應特征研究還不成熟，迄今為止，大部分研究主要集中在方法的野外探測應用，如李海等[11]利用瑞雷面波法在某鐵路進行了路基隱伏溶洞探測工作方法與技術、數(shù)據(jù)采集與處理的應用研究，說明了該方法應用的可靠性；武斌等[12]利用多道瞬態(tài)面波法對某巖溶體探測工程進行了試驗研究，探討了瑞雷波法在解決灰?guī)r工程中的應用效果；趙衛(wèi)楚等[13]利用瞬態(tài)瑞雷面波法結合地震映像法、高密度電法對某高速公路進行了巖溶探測研究，有效查明了灰?guī)r地區(qū)巖溶的發(fā)育情況；密士文等[14]利用瞬態(tài)瑞雷面波法結合瞬變電磁法對某隧道進行了隱伏洞體探測研究，取得了較好的效果；孫柏林等[15]利用TSP超前預報系統(tǒng)結合地質(zhì)雷達法對某隧道的充填型溶洞進

圖1 兩層介質(zhì)起伏界面模型示意圖及模擬第二炮頻散曲線Fig.1 Schematic diagram of two-layer dielectric undulating interface model and simulation of second-shot dispersion curve(a)模型示意圖；(b)V-D曲線

行了探測應用研究，探測結果與現(xiàn)場鉆探結果吻合較好；祝建農(nóng)等[16]利用瞬態(tài)瑞雷面波法對某鐵路多個過渡段進行了路基勘察探測研究，成功評價了過渡段路基承載力情況；劉偉等[17]利用高密度電法、高精度重力法、地震反射法和主動源面波法對調(diào)查區(qū)土洞及淺部巖溶發(fā)育情況進行了對比探測研究，結果表明主動源面波法對淺部溶洞的探測效果最佳；鄭智杰等[18]利用高密度電法、主動源面波法及微動法對某巖溶塌陷區(qū)進行了對比探測研究，查明了該區(qū)巖溶塌陷的成因及溶洞發(fā)育狀況，結果表明主動源面波法對淺部溶洞的探測效果最佳。但以上研究中，都未給出較為明確的隱伏溶洞瑞雷面波響應特征。

基于此，筆者針對巖溶地區(qū)工程建設過程中面臨的巖溶塌陷問題，利用有限差分法進行隱伏溶洞瞬態(tài)瑞雷面波法數(shù)值模擬，并結合貴廣高速鐵路某段既有線路隱伏溶洞現(xiàn)場檢測試驗，探討了瞬態(tài)瑞雷面波對隱伏溶洞的響應特征，為瞬態(tài)瑞雷面波法探測隱伏溶洞精準解釋提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

溶洞按照填充狀態(tài)可分為兩類：①填充型溶洞，②無填充型溶洞。本研究針對兩種溶洞類型共設計了三種模型進行瞬態(tài)瑞雷面波法數(shù)值模擬，模擬計算采用有限差分法。

本次模擬實驗參數(shù)設置為：采樣時間0.5 s；采樣間隔0.2 ms；采用2 0Hz的雷克子波震源；炮間距為2 m；道間距為2 m；最小偏移距為4 m；采用彈性波動方程進行模擬運算，完全匹配層(PML)吸收邊界條件。

圖2 兩層介質(zhì)起伏界面模型面波相速度剖面圖Fig.2 Surface wave phase velocity profile of two-layer fluctuating interface model

1.1 兩層介質(zhì)起伏界面模型

該模型主要針對工程實際中基巖以裂隙灰?guī)r為主，但無明顯巖溶發(fā)育的情況。模型尺寸為100 m×50 m。

該模型設計為兩層介質(zhì)類型：粘土及裂隙灰?guī)r，主要以縱波速度、橫波速度以及密度三個物性參數(shù)對模型介質(zhì)進行表征，具體模擬參數(shù)見表1。

表1 兩層介質(zhì)起伏界面模型模擬參數(shù)

采用多次覆蓋觀測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，每一排列的中心點為該排列的有效觀測點，第二炮排列中心點位置為L=17 m，該位置在深度10 m處介質(zhì)發(fā)生改變，選取該點即第二炮記錄進行分析。圖1(b)為提取的V-D曲線，觀察圖1(b)，發(fā)現(xiàn)在深度10 m

圖3 充填溶洞模型示意圖及模擬結果Fig.3 Filling cave model diagram and simulation results(a)V-D曲線；(b)模型面波波速剖面圖

處頻散曲線出現(xiàn)拐點(圖中方框圈定位置所示)，該處拐點為較為簡單的“之”字型扭曲，面波傳播發(fā)生頻散，說明該處位置介質(zhì)發(fā)生改變，與模型設計完全吻合。

圖2為兩層介質(zhì)起伏界面模型面波相速度剖面圖，顏色從冷到暖對應為速度從低到高。將圖2與模型示意圖對比分析，發(fā)現(xiàn)模型中基巖面發(fā)生變化的位置剖面圖中也有相對應的變化，分界面吻合較好，所以瑞雷面波法對不同介質(zhì)分界面反應明顯且容易區(qū)分。

1.2 兩層介質(zhì)起伏界面充填溶洞模型

該模型主要針對工程實際中基巖下發(fā)育有隱伏充填溶洞的情況。模型尺寸為100 m×50 m，在(35,12)處設計有充填溶洞。

該模型設計為三層介質(zhì)類型：粘土、裂隙灰?guī)r以及充填溶洞，主要以縱波速度、橫波速度以及密度三個物性參數(shù)對模型介質(zhì)進行表征，具體模擬參數(shù)見表2。

表2 充填溶洞模型模擬參數(shù)

觀察圖3(a)發(fā)現(xiàn)，頻散曲線深度11 m位置處頻散曲線出現(xiàn)拐點(圖中方框圈定位置)，面波傳播發(fā)生頻散，該處位置介質(zhì)發(fā)生改變。觀察發(fā)現(xiàn)，模型1中發(fā)現(xiàn)的較為簡單的“之”字型拐點，與該處位置出現(xiàn)的拐點有明顯的區(qū)別，得出溶洞位置拐點“之”字型更為形象明顯。圖3(b)為模型面波相速度剖面圖，圖中實線圈定區(qū)域為得到的填充溶洞位置，該區(qū)域相對于周圍基巖速度底，但比上覆粘土層速度高，說明瑞雷面波法對于隱伏充填溶洞有較好的探測效果。

表3 空溶洞模型模擬參數(shù)

1.3 兩層介質(zhì)起伏界面空溶洞模型

該模型主要針對工程實際中基巖下發(fā)育有隱伏空溶洞的情況。模型在(35,12)處設計有空溶洞。

該模型設計為三層介質(zhì)類型：粘土、裂隙灰?guī)r以及空溶洞，主要以縱波速度、橫波速度以及密度三個物性參數(shù)對模型介質(zhì)進行表征，具體模擬參數(shù)見表3。

觀察圖4(a)發(fā)現(xiàn)，頻散曲線在深度10m位置處出現(xiàn)較為形象明顯的“之”字形拐曲(圖中方框圈定位置所示)，面波傳播發(fā)生頻散。圖4(b)為模型面波相速度剖面圖，實線圈定區(qū)域為得到的空溶洞位置，該區(qū)域速度較周圍基巖及上覆粘土層速度低。由此得出，隱伏空溶洞對瑞雷面波的響應特征是較粘土層及基巖均為低速。

1.4 瑞雷面波的隱伏溶洞響應特征

經(jīng)過以上模擬結果可以看出，瞬態(tài)瑞雷面波法對基巖面以及隱伏溶洞有較好的探測效果，得出瑞雷面波對兩種隱伏溶洞的響應特征(表4)。

圖4 空溶洞模型模擬結果Fig.4 Cavity model simulation results(a)V-D曲線；(b)模型面波波速剖面圖

類別瑞雷面波響應特征充填溶洞速度響應由溶洞中充填介質(zhì)的物性決定,一般為低速反映;頻散曲線在溶洞位置出現(xiàn)較形象明顯“之”字形拐曲?？杖芏此俣容^粘土層及基巖均為低速反映;頻散曲線在溶洞位置出現(xiàn)較形象明顯“之”字形拐曲。

圖5 觀測系統(tǒng)布設及測線布設示意圖Fig.5 Observation system layout and survey layout

2 工程實例

貴廣高鐵地處西南復雜艱險山區(qū)，是我國巖溶最為發(fā)育的地區(qū)，線路途徑大量隱伏溶洞，且一直不斷有新的溶洞產(chǎn)生，所以貴廣高鐵也被稱為“穿越喀斯特的超級鐵路”。為保證貴廣高鐵既有線路的安全運營，對某段線路路基隱伏溶洞進行了現(xiàn)場瞬態(tài)瑞雷面波檢測試驗。

2.1 儀器及參數(shù)選擇

本次現(xiàn)場試驗選用GeoPen公司生產(chǎn)的Miniseis24工程地震儀，4.5 HZ低頻檢波器，使用18磅鐵錘作為敲擊震源。排列參數(shù)設計為接收道數(shù)R為12道、道間距I為2 m、偏移距O為5 m、移動步距P為2 m。

2.2 現(xiàn)場測試布置

結合現(xiàn)場區(qū)域巖溶的發(fā)育情況，本次研究選擇K579+186 ～ K579+743巖溶檢測里程段為試驗測區(qū)。為精確探測鐵路路基隱伏巖溶，根據(jù)設計要求，結合雙線鐵路共設計三條測線。

2.3 結果分析

對探測試驗采集的數(shù)據(jù)進行處理，圖7是選取的設計三條測線中200 m低速異常顯現(xiàn)明顯區(qū)域的面波相速剖面圖。

根據(jù)現(xiàn)場勘探可知，該地區(qū)隱伏溶洞為填充型溶洞，內(nèi)部填充為強溶蝕灰?guī)r與泥水混合物，速度與密度較低，另外，該區(qū)域上覆粘土層因鐵路修建時被強擊夯實，速度和密度會比溶洞大，結合數(shù)值模擬研究結果，該區(qū)域隱伏溶洞對瑞雷面波會有低速響應特征，把速度低于450 m/s定為低速異常。

觀察圖6，橫向?qū)嵕€為基巖面，發(fā)現(xiàn)三條測線基巖面位置一致性較好，與地質(zhì)資料較為吻合。圖中實線圈定區(qū)域為面波相速度低于450 m/s的區(qū)域，判斷這些區(qū)域為隱伏溶洞所在的位置，對比三條測線，發(fā)現(xiàn)三條測線探測出的低速異常區(qū)域一致性較好。探測結果證明瞬態(tài)瑞雷面波法在溶洞探測中具有較好的應用效果和分辨率。

圖6 測線面波波速剖面圖Fig.6 Surface wave phase velocity profile of surveying line

3 結論

通過數(shù)值模擬和實際工程驗證，研究得出以下幾點結論:

1)對模型的數(shù)值模擬研究表明，瑞雷面波法對面波相速度差異反映敏感，精度較高，對基巖面和兩種類型隱伏溶洞分辨率高。

2)經(jīng)過數(shù)值模擬和現(xiàn)場工程實踐研究，得出瞬態(tài)瑞雷面波法對隱伏溶洞的響應特征為：對于填充溶洞，速度響應由溶洞中充填介質(zhì)的物性決定，一般為低速反映，對于空溶洞，速度較粘土層及基巖均為低速反映；兩種溶洞探測面波頻散曲線在溶洞位置都出現(xiàn)較為形象明顯的“之”字形拐曲。

3)研究取得的結果可為工程應用提供有效指導。