多道瞬态面波技术在金州石河岩溶勘察中的应用

多道瞬态面波技术在金州石河岩溶勘察中的应用摘要:多道瞬态面波勘探技术是一种高新技术,在地质灾害勘察中应用效果良好,具有可探测范围内精度高、速度快、成本低等优点。在金州石河岩溶勘察中,我们利用多道瞬态面波技术,对地表变形区域及推断存在地下溶洞的区域进行了探测,利用瞬态瑞雷面波数据解译软件及成果软件对解译成果进行了分析绘图。利用解译成果可以获取岩溶塌陷坑的浅层形态以及对岩土体力学性质进行初步判断。

关键词:面波勘探岩溶勘察波速剖面

1 前言

多道瞬态面波勘探技术一种新兴的岩土勘察测试技术,利用频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性解决了许多工程地质、岩土工程问题。由于瞬态面波法对薄层的第四系松散土体具有较高的解析能力,常用作第四系土体的分层及基岩面的探测。根据这一特性,我们可以用来确定岩溶塌陷坑的浅层形态以及岩土体力学性质的初步判断。这次在大连市金州区石河街道利用多道瞬态面波法对地下岩溶进行了勘察分析,并与传统勘察方法进行了对比。在大连市金州区石河街道钓鱼台村岩溶塌陷勘察中,我们尝试使用了北京水利水电物探研究所研制的SWS5型24道瞬态面波工程检测仪。

2 勘察区概况

勘察区位于大连市金州区石河街道钓鱼台村,总面积为0.107km2。钓鱼台村自1970年开始出现岩溶塌陷坑群,沿村内一条季节性小溪两侧线性分布,在农用机井周边也有集群出现。至今共出现6个岩溶塌陷坑群,共计35个塌陷坑。由于塌陷坑群所处农田和公路部位,发生变形后,大多数被回填,所以一些塌陷坑群在表面上难以确定准确位置,而钻探等传统手段也容易发生遗漏。由于SWS5型检测仪可以每2m就生成一个测点,并解译出连续的面波波速剖面,可以对变形区进行精确的定位。

塌陷区地层为第四系全新统粉质粘土混砾石及震旦系南关岭组灰岩。

3 数据采集及数据处理

3.1 数据采集

在大连市金州区石河街道钓鱼台村岩溶塌陷勘察中,我们尝试使用了北京水利水电物探研究所研制的SWS5型24道瞬态面波工程检测仪。偏移距6～8m,道间距2m,采样间隔0.5ms,记录长度1024ms。面波的激发采用落重法,高2m,重70kg。此外,为了更可靠地采集到面波,每一测点均重复激发3～4次,选面波能量强、干扰小、信噪比高的一炮记录作为该测点的面波数据。

3.2 数据处理

采用SWS-5型面波仪专用瞬态瑞雷面波数据处理软件进行,处理最终可得到各测点处面波速度随深度的变北曲线。即频散曲线,频散曲线及其特征反映了测点处面波速度随深度的变化情况及地下地质条件,是面波资料分析、解释的主要资料。数据处理完成后,可以利用瞬态瑞雷面波数据成图软件生成连续的面波波速剖面,可以更为直观地表现地下岩土体的发育状况。

4 资料分析及解释

4.1 岩溶剖面形态的分析及解释

通过面波波速剖面特征及其变化与地下地质条件,如各层的厚度、波速等密切相关,分析这些变化规律和特征,可以初步确定地层的层数以及各层的厚度,再通过对剖面波速等值线的综合定量解释,并结合已有地质资料,达到地质分层,分析岩溶塌陷坑群浅层分布形态的目的。

由于瞬态瑞雷面波法在探测深度上有所限制,但是其浅部探测精度高,成果直观,可以充分发挥其长处,进行岩溶的浅部形态探测。北方岩溶在浅部又通常表现为垂向发育的陷落洞,与松散岩土体分层明显,这成为瞬态瑞雷面波法在北方岩溶勘察中的一个极为有利的条件。

在图1中,在距起点0.9—2.1m处可见一面波波速急速下降区波速为260—320m/s,可推断该区内岩土体较为松散。区域外围波速较高,为360—420m/s,该区域内岩土体的密实度较高。可由此推断波速下降区为岩溶变形区域,其陷落洞可能由松散岩土体充填。这一位置的钻孔也验证了这一推断是准确的。

在图2中,面波波速剖面清晰地表现出了地下岩溶发育的垂直剖面形态。通过在平面图上的展布,也可以标示出变形部位的平面分布特征。由陷落洞形成的低速区剖面上表现为波速变化剧烈,低速区两侧的高速区图像分布较为均匀。图2中距起点50m处为前期钻孔,孔内充填物波速较岩溶陷落洞中的充填物更为松散,所以波速更低。该钻孔所处位置上部为陷落洞,下部为不连续溶洞,受面波法探测深度所限,不能全部揭示。

4.2 对岩土体力学性质的判断

瑞利波速与横波速度之间满足VR= 0.91VS,由此可以很方便地得到横波速度。用面波勘探法求岩土体力学参数公式的如下:

(1)标准贯入次数N值

N=10[log(Vs)-1.9554]/0.337

(2)静止土压系数K

K=[log(Vs)-1.875]/0.398

(3)固结屈服力Py

Py=[log(Vs)1.998]/0.51 (kgf/cm)

(4)单轴压缩强度Q

Q=[log(Vs)2.127]/0.443 (kgf/cm)

将图1中陷落洞区域面波波速(260—320m/s)代入上述公式进行计算可知:

这一区域N取值范围为15—18；K的取值范围为1.46—1.69；Py的取值范围为0.898—1.075；Q的取值范围为0.743—0.946。这样,我们就可以在短时间内大量地取得勘探范围内任一深度的岩土体力学参数,而不是花费更多的费用,用更长的时间等待钻孔、取样、室内测试这样一个过程。

由此可以看出,瞬态面波法是一种可以快速、经济地确定地基各种力学参数的有效方法,可以为岩溶塌陷地质灾害治理提供有效的设计参数。该方法也可以在突发性地质灾害的应急抢险工程中发挥重要作用,大大减少了抢险工程时间,可以把地质灾害造成的损失降到最低,由此带来的经济效益、环境效益和社会效益是不可估量的。

5 结语

从金州岩溶的勘察应用效果来看,多道瞬态面波勘探技术在岩溶地质灾害勘察中具有较高的实用价值。它可以在无钻孔的情况下得到地下各层瑞利波波速,进行岩土体分层。同时可以转换成横波波速,从而判断各层岩土体的力学参数。

该方法具有经济性、快速性以及有效的探测精度。但是受探测深