地球物理勘探彈性波法在水利工程地質(zhì)勘察工作中的應(yīng)用

吳學(xué)林，劉順

（1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，南昌330029；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京100120）

1 引言

工程地質(zhì)勘察方法主要有工程地質(zhì)測(cè)繪、工程地質(zhì)勘探、工程地質(zhì)試驗(yàn)、長(zhǎng)期觀測(cè)及勘察資料內(nèi)業(yè)整理。工程地質(zhì)勘探主要有物探、鉆探及坑探。物探全稱為地球物理勘探，是工程地質(zhì)勘探工作的引導(dǎo)手段，其中的地震勘探及聲波探測(cè)主要是運(yùn)用彈性波理論，在水利工程地質(zhì)勘察工作中進(jìn)行巖體工程的地質(zhì)分類和質(zhì)量評(píng)價(jià)，地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的調(diào)查，以及大壩基礎(chǔ)工程、地下洞室圍巖工程和高邊坡工程的穩(wěn)定性分析[1]。

2 彈性波法的基本原理

彈性波法廣泛應(yīng)用于地球物理、地下探查等工程實(shí)踐之中，該方法是地球物理探查的核心方法。彈性波指聲波和地震波，彈性變形是彈性波在巖體中傳播引起的唯一變形形式，特點(diǎn)是傳播過(guò)程中的低能量損失。地質(zhì)體在勘探過(guò)程中被認(rèn)為是應(yīng)力波動(dòng)場(chǎng)中的彈性介質(zhì)；勘探震源所激起的彈性波，根據(jù)固體介質(zhì)中的彈性波理論，被劃分為3種類型的彈性波：縱波P、橫波S、瑞利表面波R，縱波和橫波在地質(zhì)體內(nèi)部的傳播又稱為體波[2]。

2.1 勘探原理

激發(fā)彈性波的方式分為炸藥和非炸藥震源；沿布置的測(cè)線，用探測(cè)儀器測(cè)量沿測(cè)線不同位置的彈性波、記錄彈性波；分析其基本特性、依據(jù)其分析結(jié)果從而獲得勘探地區(qū)(段)地下地質(zhì)信息。實(shí)行彈性波勘探，有一定的技術(shù)要求和環(huán)節(jié)，一般有4個(gè)步驟：激發(fā)彈性波、接收彈性波、處理彈性波和分析彈性波。其中，激發(fā)彈性波和接收彈性波2個(gè)環(huán)節(jié)稱為勘探數(shù)據(jù)采集，處理彈性波和分析彈性波2個(gè)環(huán)節(jié)稱作勘探數(shù)據(jù)處理[4]。

根據(jù)通信系統(tǒng)的基本原理，勘探彈性波的探測(cè)過(guò)程可以視為是一個(gè)以地層為傳輸通道的特殊通信系統(tǒng)。視地震源激發(fā)的彈性波為通信系統(tǒng)的輸入信號(hào)，彈性波在地層中傳播時(shí)，其物理過(guò)程包括折射、反射、吸收、干擾及疊加等，彈性波以此承載了地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等等信息，所以，彈性波可以看作是承載地層信息的承載體。這種方法是利用彈性波的傳播速度隨地層產(chǎn)狀的不同而發(fā)生變化的性質(zhì)，來(lái)描述地層巖性的分界線和地質(zhì)構(gòu)造特征，結(jié)合了波的傳播原理、巖層特性及信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程，是一個(gè)綜合的系統(tǒng)。

2.2 勘探的作用

勘探可以解決下列典型的地質(zhì)問(wèn)題：（1）松散沉積物的分層：根據(jù)波的傳播速度不同，對(duì)各種類型的松散沉積物較詳細(xì)地分層；（2）埋深與起伏狀態(tài)確定：查明覆蓋層下的基巖埋深（h）和起伏形態(tài)；（3）風(fēng)化殼厚度及形態(tài)確定：查明基巖風(fēng)化殼厚度和變化形態(tài)的分布規(guī)律；（4）確定斷層基本情況：查明基巖斷層、破碎帶以及確定斷層斷距、類型；（5）溶洞基本情況確定：查明隱伏巖溶發(fā)育帶，確定溶洞位置，確定破碎帶寬度和埋深；（6）隱伏溶洞和覆蓋層之間因水力聯(lián)系確定與計(jì)算：探明覆蓋層中的溶蝕地段；（7）活動(dòng)斷層確定：查明基巖斷層在第四系地層的形跡，判斷是否是活動(dòng)斷裂。

3 彈性波法在水利工程實(shí)踐中的應(yīng)用

我國(guó)水利工程眾多，地下洞室開(kāi)挖，基巖穩(wěn)定性分析，邊坡穩(wěn)定性分析等工程實(shí)踐對(duì)工程地質(zhì)探查的需求極大。我國(guó)從20世紀(jì)60年代就開(kāi)展了彈性波測(cè)量工作，目前，彈性波的方法應(yīng)用于不同領(lǐng)域的工程實(shí)踐?，F(xiàn)在，彈性波檢測(cè)也已經(jīng)成為工程測(cè)驗(yàn)中的一種措施，在我國(guó)許多水利工程實(shí)踐中得到了應(yīng)用和推廣。

3.1 巖體工程地質(zhì)分類和質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

彈性波在巖體中波速明顯降低是因?yàn)椴煌膸r體性質(zhì)的組合以及各異復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面，這使得彈性波在巖體中的速度較之在完整、均勻的彈性介質(zhì)中慢很多。這表明，不同巖體的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和特性決定了彈性波在此間的傳播特性，彈性波在不同巖體中的傳播特性也是不一樣的。同時(shí)，彈性波作為巖石工程地質(zhì)分類的定量指標(biāo)，其優(yōu)勢(shì)在于彈性波在巖體中的傳播速度容易測(cè)量，且其物理意義明確。根據(jù)有限的資料和工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)可得表1。

表1 彈性波的巖體工程地質(zhì)分類

另外，表1中的完整性系數(shù)用來(lái)評(píng)定巖體的質(zhì)量，即利用巖體的完整性系數(shù)I，結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)f，堅(jiān)強(qiáng)系數(shù)S三者的乘積來(lái)表示巖體質(zhì)量的優(yōu)劣，可得巖體質(zhì)量系數(shù)Z，Z=IfS，確保了對(duì)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的同一標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 巖土物理力學(xué)指標(biāo)的分析和地質(zhì)構(gòu)造的調(diào)查

彈性波產(chǎn)生時(shí)的傳播性質(zhì)，在不同物理性質(zhì)的介質(zhì)環(huán)境下，不同種類的彈性波的速度也有所不同，根據(jù)固體介質(zhì)彈性理論，可得如下公式：

1）縱波速度VP：

2）橫波速度VS：

3）瑞利表面波速度VR：

式中，E為介質(zhì)的彈性模量；ν為介質(zhì)的泊松比；ρ為介質(zhì)的密度；λ為介質(zhì)的拉梅常數(shù)；G為介質(zhì)的剛度模量。

同時(shí)，應(yīng)用彈性力學(xué)理論可得以上3種波速間的關(guān)系：

因此，在獲得彈性波波速后，便可由式（1）～式（3）分析不同地層巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。

在野外實(shí)踐中，推斷地質(zhì)構(gòu)造的步驟分為：（1）根據(jù)工程實(shí)際情況確定出合適的直線長(zhǎng)度（測(cè)線）；（2）彈性波的走行時(shí)間：用預(yù)先配置好的測(cè)波器檢測(cè)確定測(cè)線上各個(gè)點(diǎn)位振動(dòng)傳播所需要的時(shí)間，并以此作為縱軸；（3）同時(shí)以據(jù)波源的距離為橫軸，這樣既可得到時(shí)距曲線。然后對(duì)時(shí)距曲線進(jìn)行分析。

分析時(shí)距曲線主要有2步：（1）時(shí)距曲線具體所符合的情況是哪一種，是要通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)狀況的核實(shí)得出結(jié)果；（2）依據(jù)曲線的切點(diǎn)傾斜程度計(jì)算斜率可以確定各層的速度，并開(kāi)展必要的核算，同一時(shí)間也應(yīng)該核實(shí)實(shí)測(cè)值，以此對(duì)理論值進(jìn)行校正，得到符合實(shí)際情況的地質(zhì)構(gòu)造分析圖。

3.3 穩(wěn)定性分析在水利工程中的應(yīng)用

3.3.1 承載力計(jì)算與抗滑穩(wěn)定性分析

壩基（大壩基礎(chǔ)）作為巖體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，應(yīng)把壩基的抗滑穩(wěn)定性列入考量范圍。依據(jù)彈性波法能夠推斷出巖體結(jié)構(gòu)類型，并在壩基中加入巖體荷載和邊界條件等條件因素。更進(jìn)一步解析壩基巖體滑移的地質(zhì)模型。同時(shí)，對(duì)巖體試驗(yàn)結(jié)果、滑動(dòng)面材料組成和結(jié)構(gòu)特征等，結(jié)合滑移面進(jìn)行分析，確定壩基巖體的抗剪強(qiáng)度。

壩基為土體時(shí)還應(yīng)該考慮其承載力，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可得表2。

表2 壩基承載力與瑞利表面波的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

3.3.2 地下工程圍巖和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

水利工程地下為掩體穩(wěn)定性分析主要包括：（1）如果想要初步推斷出巖體的穩(wěn)定性，可以運(yùn)用彈性波法對(duì)水利工程地下工程中的圍巖巖體進(jìn)行工程地質(zhì)劃分；（2）進(jìn)一步查明圍巖巖體的基礎(chǔ)構(gòu)造，即由斷層面、節(jié)理裂隙、劈理、軟弱夾層和空域附近的邊界面相互結(jié)合的構(gòu)造體，并通過(guò)各種分析方法和工程實(shí)例進(jìn)一步推斷圍巖巖體的穩(wěn)定性；（3）對(duì)圍巖巖體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位變形檢測(cè)或模型原位試驗(yàn)，并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定出圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

水利工程地質(zhì)調(diào)查是一項(xiàng)確保主體工程穩(wěn)定性與安全性不可或缺且十分重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，結(jié)合先進(jìn)儀器與技術(shù)，探明地質(zhì)構(gòu)造對(duì)后期穩(wěn)定性分析提供了基礎(chǔ)條件。彈性波法作為物理地下探查法的一種，在探明地下地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等方面的工程實(shí)踐中因其全面性而有著廣泛的應(yīng)用。

彈性波法可以精確探測(cè)到地下一定深度的地層和巖性特征。同時(shí)，如上所述，它也可以當(dāng)作地層巖性的物理力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)表征尺度。

目前，該方法也還存在諸多不完備的方面，例如：（1）當(dāng)巖體多層重疊時(shí)，彈性波測(cè)驗(yàn)通常不能準(zhǔn)確判斷下地層的存在，因?yàn)閺椥圆ǖ乃俣群偷刭|(zhì)地層分布的差異關(guān)系一般也不一樣；（2）如果存在比較薄的地質(zhì)夾層，則不能確定下地層的存在，容易忽略，并將下地層錯(cuò)認(rèn)為淺層；（3）傾向斜巖層的深度測(cè)定困難；（4）彈性波法也難以辨別對(duì)稱性的向斜構(gòu)造和水平構(gòu)造。

解決上述問(wèn)題，在于加強(qiáng)彈性波的基本理論探索，結(jié)合現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)，改進(jìn)現(xiàn)有儀器設(shè)備，對(duì)其探測(cè)精度進(jìn)行提升。