地震波法在辛安泉輸水隧洞檢測中的應(yīng)用

2016-08-12 03:00:18劉東清山西省水利水電勘測設(shè)計研究院山西太原030024

陜西水利 2016年2期

劉東清（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院　山西　太原　030024）

劉東清
（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院山西太原030024）

本文主要講述地震波法的基本原理及工作方法，以及用該物探方法對辛安泉輸水隧洞進行裂隙、風化破碎帶檢測，劃分分化界線，進行圍巖分類，為后期施工提供科學依據(jù)。

地震波法；隧洞檢測；裂隙破碎帶

1　引言

風化裂隙帶是工程勘察與施工過程中經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)現(xiàn)象，而且對后期的工程建設(shè)造成極大的安全隱患，所以必須在施工之前對其進行準確的評價并進行相應(yīng)的處理。地震波法是一種傳統(tǒng)的物探方法的總稱，其根據(jù)解決問題的不同，可以分為反射波法、折射波法，瑞雷波（面波）法。

2　工程概況

辛安泉供水工程是山西省大水網(wǎng)建設(shè)的重點項目，是“兩縱十橫”大水網(wǎng)的第五橫。工程地處長治市，主要為長治市市區(qū)、郊區(qū)、長治縣、潞城市、壺關(guān)縣、屯留縣、黎城縣和平順縣提供農(nóng)業(yè)灌溉、人畜飲水、城市生活和工業(yè)生產(chǎn)用水。該項目分為取水工程和供水工程。取水工程由庫內(nèi)及庫尾集水池、兩岸側(cè)向入滲集水廊道、引水箱涵和匯水池組成。供水工程由總干線、黎城支線（供黎城縣）、平順支線（供平順縣）、屯留支線（供天脊化工、潞城市、屯留縣）和長治支線（供平順工業(yè)園區(qū)、長治市區(qū)、長治郊區(qū)、長治縣、壺關(guān)縣）組成。線路總長152.2km（其中隧洞長約18.5km），供水線路采用管道和隧洞輸水。這次工作的主要任務(wù)是對輸水隧洞進行地震波測試，劃分風化界線，進行圍巖分類。

3　工作原理及方法

3.1地震波法工作原理

地震波法的基本原理是利用波的運動學特性，研究地震波在傳播過程中波前的空間位置與其傳播時間之間的關(guān)系，這種關(guān)系可以用時間場來描述，所謂的時間場就是波至時間的空間分布［1］。可以用函數(shù)t=t（x，y，z）表示，一般情況下震源的位置與測線在一條直線上時，時間場函數(shù)t=t（x，y，z）對于測線而言變成了一個二維問題t=t（x，z），而對于測線上某一測點而言就變成了一個一維問題t=t（x）［1］。

本文主要講的是直達波的應(yīng)用問題。直達波就是從震源點發(fā)出的不經(jīng)過反射或是折射，以速度v直接傳播到各接收點的地震波。當震源位于地表附近時，并采用縱測線觀測時，其傳播時間與距離的關(guān)系為：

其中v*為波沿測線傳播的視速度，x為傳播距離。當接收點在激發(fā)點左側(cè)時，上式取負號。

當忽略震源深度時，一般可近似的認為v*等于表層層速度v。

3.2地震波法工作方法

直達波按照波的傳播方式分為縱波（vp）和橫波（vs）兩種：下面分別對兩種波的傳播方式和激發(fā)、接收方法予以簡單說明：

（1）縱波的激發(fā)方法與接收方式

由于縱波質(zhì)點的振動方向與傳播方向一致，所以在激發(fā)縱波時，振動的方向應(yīng)與波的傳播方向一致。基于上述特點，在隧洞測線選定后將檢波器的最大靈敏度軸與測線重合，并用石膏將檢波器固定于洞壁上，錘擊方向與檢波器接收方向、波傳播方向的關(guān)系示意圖如下圖3-1所示：

圖3-1　縱波測試示意圖

（2）橫波的激發(fā)方法與接收方式：

橫波的振動特點是質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直，所以接收檢波器的最大靈敏度軸應(yīng)當保證與質(zhì)點的振動方向一致，橫波的激發(fā)方向應(yīng)與橫波的傳播方向垂直。因此，測線選定后，將接收檢波器的最大靈敏度軸與X坐標軸（Y軸方向）垂直。為了獲得這種在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的剪切波，以定向錘擊作為橫波的Y向激發(fā)震源。為了獲得清晰的橫波波形，應(yīng)使激發(fā)方向與測線方向垂直，并使所有接收檢波器的最大靈敏度軸彼此平行，且在同一平面內(nèi)，如下圖3-2所示：

圖3-2　橫波測試示意圖

4　現(xiàn)場檢測及成果分析

4.1現(xiàn)場檢測

按照工作計劃的要求，沿洞壁兩側(cè)各布置一條測線，兩檢波器間距離為1m，震源的激發(fā)方式為錘擊法，采用縱波激發(fā)的方式，如圖3-1所示。

在數(shù)據(jù)的采集過程當中，為提高數(shù)據(jù)的準確度，減少噪聲，必須要保持檢測區(qū)域以及周圍沒有其它震動干擾。

4.2成果分析

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，由于受主觀與客觀因素的影響，不可避免地存在著誤差與個別點的畸變，這就需要在室內(nèi)資料處理中進行糾編工作。

（1）儀器本身造成的誤差的消除

儀器本身誤差屬于系統(tǒng)誤差，產(chǎn)生這種誤差的原因，是由于地震儀本身內(nèi)部電子原件時間延遲造成的，可采用兩檢波器間的時間差進行消除。

（2）洞壁起伏不平產(chǎn)生的誤差的消除

產(chǎn)生這種誤差的原因是由于在測量洞壁長度時，測繩是貼著洞壁進行的，在凸起的地方兩檢波器間的距離（規(guī)定兩檢波器間的距離為1m）增長；在凹進去的地方，兩檢波器間的距離縮短。一般來說，在巖性與巖石構(gòu)造無很大變化的區(qū)間內(nèi)，巖體縱波速度應(yīng)該相近，如果縱波速度數(shù)據(jù)變化很大，必須進行偏差矯正，具體來說就是波速偏大，乘以系數(shù)使其變小（系數(shù)的采用主要是根據(jù)經(jīng)驗進行的）。

表4-1　　辛安泉供水工程輸水隧洞洞壁巖體地震波測試成果表

（3）畸變點的剔除

畸變點的出現(xiàn)是極個別的。引起這種誤差的原因一般難于查找，因此在數(shù)據(jù)處理時將其剔除。

（4）縱波波速的計算

后期縱波波速vp的計算依據(jù)公式：

其中：

Δs——為兩檢波器間的距離，其單位為m；

Δt——為兩檢波器接收的時間差，其單位為ms；

具體檢測成果見表4-1“辛安泉供水工程輸水隧洞洞壁巖體地震波測試成果表”

從上表4-1可以看出：在左洞壁，樁號0～0+50.5，巖體縱波波速1111m/s～1515 m/s，平均值為1388m/s，巖體完整性系數(shù)為0.05～0.09，巖體破碎；樁號 0+60.5～0+64.5，巖體縱波波速840m/s～1459m/s，平均值為1168m/s，巖體完整性系數(shù)為0.03～0.09，巖體破碎；樁號1+456.0～1+469.0，本段的巖體縱波波速2705m/s～2778m/s，平均值為2742m/s，巖體完整性系數(shù)為0.29～0.31，巖體較破碎；樁號1+469.0～ 1+492.0，本段的巖體縱波波速3128m/s～3326m/s，平均值為3227m/s，巖體完整性系數(shù)為0.39～0.44，巖體完整性差；樁號1+750.0～1+762.0，本段的巖體縱波波速2752m/s，巖體完整性系數(shù)為0.30，巖體較破碎；樁號1+762.0～1+774.0，本段的巖體縱波波速3125m/s，巖體完整性系數(shù)為0.39，巖體完整性差；樁號1+774.0～1+789.0，本段的巖體縱波波速2535m/s～2788m/s，平均值為2662m/s，巖體完整性系數(shù)為0.26～0.31，巖體較破碎；樁號1+789.0～1+794.0，本段的巖體縱波波速1569m/s，巖體完整性系數(shù)為0.10，巖體破碎。

在右洞壁，樁號0～0+50.5，本段的巖體縱波波速1176m/s～1667m/s，平均值為1391m/s，巖體完整性系數(shù)為0.06～0.11，巖體破碎；樁號0+60.5～0+64.5，本段的巖體縱波波速847m/s～1473m/s，平均值為1128m/s，巖體完整性系數(shù)為0.03～0.09，巖體破碎；樁號1+456.0～1+477.0，本段的巖體縱波波速1887m/s～2296m/s，平均值為2152m/s，巖體完整性系數(shù)為0.14～0.21，巖體較破碎；樁號1+477.0～1+492.0，本段的巖體縱波波速3129m/s，巖體完整性系數(shù)為0.39，巖體完整性差；樁號 1+750.0～1+774.0，本段的巖體縱波波速2647m/s～2837m/s，平均值為2742m/s，巖體完整性系數(shù)為 0.28～0.32，巖體較破碎；樁號1+774.0～1+789.0，本段的巖體縱波波速2951m/s～3564m/s，平均值為3258m/s，巖體完整性系數(shù)為0.35～0.51，巖體完整性差；樁號1+789.0～1+794.0，本段的巖體縱波波速1368m/s，巖體完整性系數(shù)為0.07，巖體破碎；樁號6+517.0～6+520.0，本段的巖體縱波波速2857m/s，巖體完整性系數(shù)為0.33，巖體較破碎。

從上述分析可以看出，輸水隧洞的巖體完整性從破碎～完整性差。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）中對圍巖工程地質(zhì)分類的描述，辛安泉供水工程輸水隧洞的巖體圍巖為Ⅲ～Ⅴ類，巖體極不穩(wěn)定～局部穩(wěn)定性差。