灰岩地层隐伏洞体的瑞雷波勘查试验

2023-12-22吴腾飞罗显枫

湖北理工学院学报 2023年6期

吴腾飞,罗显枫

(1.湖北理工学院土木建筑工程学院,湖北黄石 435003;2.湖北迎果科技有限公司,湖北黄石 435106)

灰岩地层是岩土工程建设中常见的地质结构,其岩溶作用会造成溶洞、裂隙、软弱夹层等地质灾害,因而需要在工程施工前对场地进行地质勘查,以防不良地质结构对工程建设带来潜在危害,造成不必要的经济损失。

目前,隐伏溶洞探测方法有很多,应用较广泛的有瑞雷波法、地质雷达、电磁法、电阻率法等[1]。唐申强[2]利用地质雷达的瞬时振幅获得了岩溶涌水通道的边界特征和形态大小;潘卫东等[3]利用高密度电法对广州地铁隐伏溶洞进行探测,发现溶洞位置规模与实际存在一定偏差;杨嘉明等[4]探讨了高密度电阻率法在水电工程岩溶探测中的应用,揭示了该方法对物性差异不大的地质体或者异常体的分辨率较弱。瞬态瑞雷波法能对近地表地层结构进行高分辨成像,探明洞体空间上尺寸,对洞体结构分辨率高,能准确定位洞体空间位置[5]。本文针对灰岩地层含隐伏洞体的地质问题,分别建立空溶洞和充填溶洞地质模型,利用交错网格有限差分地震波法进行数值计算,研究瑞雷波在灰岩地层中的传播规律,并分析频散曲线特征,以期为实际灰岩地层隐伏洞体的现场勘查试验提供理论依据。

1 数值模拟

1.1 半空间单层均匀介质模型

半空间单层均匀介质模型大小为200 m×100 m;vp=1000 m/s;vs=500 m/s;ρ=1800 kg/m3;网格间距取0.5 m×0.5 m,即模型有400×200个网格点;道间距为2 m;炮间距为10 m;炮集记录共17组;采样率为0.4 ms;采样时间为500 ms。震源位于模型(0,0)处。由于雷克子波具有分辨率高、相位无畸变等优点,本文数值模型的震源均采用雷克子波,子波的主频为35 Hz。对该地质模型采用交错网格2阶时间差分近似和交错网格12阶空间差分近似进行地震波场数值模拟。弹性波场垂直分量炮集记录如图1所示,单炮记录对应的瑞雷波频散谱如图2所示,均匀介质模型模拟计算出的所有排列频散曲线如图3所示。从图2和图3可知,在均匀介质模型中仍然存在瑞雷波,其瑞雷波相速度主要集中在约490 m/s,略小于模型中横波速度(vs=500 m/s),但此时瑞雷波相速度的大小并没有随着频率大小而发生变化,即未发生频散现象。该模型得出的结论与瑞雷波基本理论是完全一致的,也证明了交错网格有限差分方法模拟弹性波波场的有效性和可靠性。

图1 弹性波场垂直分量炮集记录

图2 单炮记录对应的瑞雷波频散谱

图3 均匀介质模型模拟计算出的所有排列频散曲线

1.2 灰岩地层隐伏空溶洞模型

灰岩地层隐伏空溶洞介质模型大小为200 m×100 m;第1层参数:vp=700 m/s;vs=400 m/s;ρ=1900 kg/m3;第2层参数:vp=2000 m/s;vs=1200 m/s;ρ=1900 kg/m3;空溶洞参数:vp=340 m/s;vs=0 m/s;ρ=1.29 kg/m3;网格间距取0.5 m×0.5 m,即模型有400×200个网格点;道间距为2 m;炮间距为10 m,共收集17组炮集记录;其中第9和10炮的排列位于空溶洞上方;采样率为0.3 ms;采样时间为600 ms。空溶洞尺寸为10 m×10 m,且空溶洞离近地表面法向深度约为10 m。震源采用主频为35 Hz的雷克子波,震源至于地表(0,0)处,从左往右依次模拟弹性波场。排列位于空溶洞上方弹性波场垂直分量的炮集记录如图4所示,隐伏空溶洞模型的频散曲线特征如图5所示。

图4 排列位于空溶洞上方弹性波场垂直分量的炮集记录

(a) 排列位于空溶洞上方 (b) 排列不在空溶洞上方 (c) 空溶洞模型模拟计算出的所有频散曲线图5 隐伏空溶洞模型的频散曲线特征

从图4可以看出,瑞雷波有明显的频散现象,空溶洞位置处的波组发生了多次反射。从图5可以看出,存在基阶模频散曲线和高阶模频散曲线,且基阶瑞雷波能量强于高阶。当排列位于空溶洞上方时,频散曲线的形态变化大,尤其在24 Hz处产生一个拐向高速区的瞬时波动。当排列不在空溶洞上方时,频散谱分布均匀,瑞雷波相速度线性递增。观察图5(c)频散集,发现在空溶洞位置的频散曲线出现跳动的现象。因此,在灰岩地层隐伏空溶洞的地区用瑞雷波法进行地质勘查时,可以用频散曲线的变化特征对岩土体结构进行定性解释,为结构反演和资料解释提供地层参数。

1.3 灰岩地层隐伏充填溶洞模型

灰岩地层中隐伏充填溶洞介质模型大小为200 m×100 m;第1层参数:vp=700 m/s;vs=400 m/s;ρ=1900 kg/m3;第2层参数:vp=2000 m/s;vs=1200 m/s;ρ=1900 kg/m3;空溶洞参数:vp=600 m/s;vs=200 m/s;ρ=1200 kg/m3;网格间距取0.5 m×0.5 m,即模型有400×200个网格点;道间距为2 m;炮间距为10 m,共收集17组炮集记录;其中第9和10炮位于充填溶洞上方;采样率为0.3 ms;采样时间为600 ms。充填溶洞尺寸为10 m×10 m的方形,且充填溶洞离近地表面法向深度约为10 m。震源仍采用主频为35 Hz的雷克子波。

排列位于充填溶洞上方弹性波场垂直分量的炮集记录如图6所示,从图6可以看出,瑞雷波存在频散现象,且弹性波场与地质结构紧密相关。尤其在充填溶洞附近的地震道,接收的波形明显不连续,且出现错断等特征(图6中红色框),这是由于弹性波传至充填溶洞处产生强绕射,与近地表瑞雷波发生相互干涉作用,导致充填溶洞附近弹性波震相发生变化。排列位于溶洞上方和不在溶洞上方的频散曲线特征如图7所示。对比图7中频散曲线发现,排列不在充填溶洞上方时,频散曲线出现了“之”型形态特征;当排列在溶洞上方时,频散曲线在充填溶洞对应的位置数据缺失,且在充填溶洞附近的炮集对应的频散曲线震荡较大。充填溶洞模型模拟计算出的所有频散曲线如图8所示,除了位于充填溶洞上方第9、10炮低频段频散信息缺失外,其它位置频散曲线变化不大。因此,在实际工程勘查时,用瑞雷波法勘查灰岩层含充填溶洞的地区,可用频散曲线形态及长短变化对其进行定性分析。

图6 排列位于充填溶洞上方弹性波场垂直分量的炮集记录

(a) 排列不在溶洞上方频散曲线 (b) (a)中频散曲线经转换后的H-V曲线 (c) 排列位于溶洞上方频散曲线 (d) (c)中频散曲线经转换后的H-V曲线图7 排列位于溶洞上方和不在溶洞上方的频散曲线特征

图8 充填溶洞模型模拟计算出的所有频散曲线

2 工程勘查实例

舜耕山隧道位于江淮平原的淮南丘陵区,地形起伏不大,高程为4.3～167.6 m,隧道南北两侧覆盖岩体较薄,中部较高。隧道地址区发育的主要地层有:寒武系下统馒头组、中统毛庄组、徐庄组、张夏组,上统固山组、土坝组;奥陶系下统贾汪组、肖县组、马家沟组;第四系新地层[6]。隧道穿越的岩性以灰岩和泥质灰岩为主,南端洞口段有少量的砂质页岩。隧道穿越的地层为单斜构造,节理、裂隙较发育。

2.1 数据采集与处理

勘查试验场地位于隧道北端,把隧洞看作一个空洞异常体,用多道瞬态瑞雷波法进行探查。瑞雷波现场勘查测线布置及地层剖面图如图9所示。该区域地表为粘土层,下伏为灰岩、局部泥质灰岩。为能让测线横跨隧道上方,测线的起点位于隧道上方东侧约45 m处。现场采用Geopen 24道工程地震仪,18磅铁锤作为激发震源,现场通过对比测试38 Hz和4.5 Hz检波器接收波形记录,发现38 Hz更适合记录现场地质特征。排列的道间距2 m,偏移距6 m,移动步距为2 m,采样率为0.1 ms,采样点数设置为2 000,共收集34组炮集记录。

图9 瑞雷波现场勘查测线布置及地层剖面图

2.2 结果分析

对场地收集的34组波形数据进行预处理、频谱分析、频散反演等处理[7-8],反演获得的测线L=70 m瑞雷波二维剪切波波速分布如图10所示。图10清晰地反映了灰岩地层上、中、下3层结构,上层波速变化从0 m/s至800 m/s,中层波速变化为800 m/s至1 600 m/s,下层波速大于1 600 m/s。虽然地层间剪切波速变化较大,但地质结构的过渡层较清晰,揭示了该区域灰岩地层较为均质化。在剖面水平位置约35～55 m、深度约10～25 m处,存在一个半椭圆高速异常,与左右两侧的灰岩层形成鲜明的波速差异,且剪切波速大于2 000 m/s,判定该高速异常为横跨灰岩层的隧道,且与隧道实际位置较为一致。隧道显示为高速异常特征,是由于横波传至隧洞水泥边墙附近,水泥边墙具有切变弹性,而隧道内空洞是无切变弹性,横波是沿着隧道空洞水泥边墙传播,隧洞内的速度值是通过线性插值计算出的虚假速度异常,并无真正意义上的高速异常。由此可知,利用瑞雷波法勘查灰岩含洞体的区域具有较高的分辨率和较好的勘查应用效果。