懸掛式測井儀在水域地震安全性評價(jià)中的應(yīng)用

路建波，戴梁，盛特奇

（浙江省工程地震研究所，浙江　杭州　310013）

懸掛式測井儀在水域地震安全性評價(jià)中的應(yīng)用

路建波，戴梁，盛特奇

（浙江省工程地震研究所，浙江杭州310013）

土層剪切波速是工程場地地震安全性評價(jià)工作中場地地震反應(yīng)分析所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。文章介紹了懸掛式測井儀的原理及測試方法，并以懸掛式測井儀在水域地震安全性評價(jià)工作中的測試實(shí)例來說明儀器滿足測試要求，分析其優(yōu)缺點(diǎn)及測試需要注意的問題。

懸掛式測井儀；剪切波速；地震安評；地震反應(yīng)分析

1　概述

《中華人民共和國防震減災(zāi)法》第三十五條，新建、擴(kuò)建改建建設(shè)工程，應(yīng)當(dāng)達(dá)到抗震設(shè)防要求。重大建設(shè)工程和可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建設(shè)工程應(yīng)當(dāng)按照國務(wù)院有關(guān)規(guī)定進(jìn)行地震安全性評價(jià)，并按照經(jīng)審定的地震安全性評價(jià)報(bào)告所確定的抗震設(shè)防要求進(jìn)行抗震設(shè)防。《工程場地地震安全性評價(jià)》（GB17741-2005）規(guī)定，應(yīng)進(jìn)行分層巖土剪切波速的原位測量和密度的測定。開展鉆孔分層巖土波速的原位測量，是為了獲得實(shí)際場地條件與環(huán)境下的土層波速資料，確保場地地震反應(yīng)分析計(jì)算中所建立的場地力學(xué)模型的合理性。其測量方法可采用單孔檢層法或跨孔法，測量間距不得大于2m，在地層分界面附近應(yīng)加密測點(diǎn)，以便獲得較為合理的波速剖面（盧壽德，2006）。跨孔法是在2個(gè)或者3個(gè)垂直鉆孔中進(jìn)行波速測試的方法，由于鉆孔成本較高，一般地震安全性評價(jià)項(xiàng)目采用單孔撿層法進(jìn)行剪切波速測試。單孔檢層法在地面激發(fā)正、反方向彈性剪切波，由孔內(nèi)傳感器接收，利用震相差來識(shí)別初值時(shí)間。在水域鉆孔中，地表無法激發(fā)有效的彈性剪切波，因此本文介紹了用懸掛式測井儀測試水域場地剪切波速的方法，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)及測試需要注意的問題。

2　測試儀器、方法

測試采用北京大地華龍科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的XG-Ⅰ波速測井儀。它是一套三通道高分辨率、數(shù)字化的測井儀器，具有分時(shí)采樣，迭加、濾波、信號(hào)增強(qiáng)、抑制噪聲以及現(xiàn)場實(shí)時(shí)計(jì)算，顯示實(shí)測波形和測試結(jié)果等功能。該儀器電路原理框圖如圖1所示，其基本組成有以下6個(gè)部分（其中微機(jī)為配套設(shè)備）：濾波放大部分；多路電子轉(zhuǎn)換開關(guān)；A/D轉(zhuǎn)換器；邏輯控制器；微機(jī)控制系統(tǒng)及其屏幕顯示部分；內(nèi)部檢測電路（未列入框圖）。

圖1　電路原理框圖

XG-Ⅰ型懸掛式波速測井儀主要由主機(jī)、井中懸掛式探頭及連接電纜等組成。井中懸掛式探頭（圖2），主要由全密封（防水）電磁式激振源、兩個(gè)獨(dú)立的全密封檢波器及高強(qiáng)度連接軟管等組成。當(dāng)震源向井壁作用一個(gè)沖擊力后，沿井壁地層就有P波和S波傳播，在井孔震源下方懸掛有兩個(gè)檢波器，S波傳播到檢波器位置時(shí)，通過井液耦合檢波器就可以把S波的初至?xí)r間和振動(dòng)波形轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由記錄儀器記錄下來。由兩道S波的初至?xí)r間差可計(jì)算出兩道間地層的波速值。

圖2　信號(hào)傳播示意圖

波速測試成孔質(zhì)量的好壞，會(huì)給所測的地層波速造成很大的實(shí)際誤差，另外，鉆孔的垂直度、套管與地形的接觸程度（下沉漿粉會(huì)使套管與地層接觸良好）等都會(huì)影響地層的波速。地下水徑流較大、塌孔形成孔壁擴(kuò)徑、孔中無耦合液，使檢波器無法與井壁接觸時(shí)，就很難采集到良好的剪切波形，有時(shí)甚至采集不到波形（孔壁擴(kuò)徑檢波器懸空，又無泥漿介質(zhì)）；遇到這種情況應(yīng)加大泥漿濃度且充滿整個(gè)鉆孔候進(jìn)行波速測試。測試順序自下而上逐點(diǎn)進(jìn)行，測點(diǎn)每次向上平移1.0m（林鳳仙，2012）。在測試時(shí)選擇震源發(fā)射幅度，分別確定第一、二道增益，以波形起始清晰、振幅盡可能大、但又未被限幅（削波）為宜。主機(jī)對信號(hào)機(jī)芯數(shù)據(jù)處理，采用兩道互相關(guān)分析方法，自動(dòng)計(jì)算剪切波在兩道檢波器間傳播的時(shí)間差，從而計(jì)算出兩道剪切波傳播速度。對于可能失準(zhǔn)的點(diǎn)進(jìn)行人工標(biāo)定計(jì)算。

3　水域場地剪切波速測試成果實(shí)例

根據(jù)《浙江省防震減災(zāi)條例》要求，舟山某跨海大橋需要進(jìn)行地震安全性評價(jià)，現(xiàn)場進(jìn)行了兩個(gè)水域剪切波速的測試工作。

圖3和圖4給出了ZK1和ZK4兩個(gè)鉆孔的實(shí)測波形記錄圖，根據(jù)波形圖可以看出，從下到上波形起始清晰，各道前后兩個(gè)波峰時(shí)差可以準(zhǔn)確的讀取。對于少量記錄不清波形，經(jīng)過調(diào)整增益及相關(guān)分析，也可準(zhǔn)確讀取前后2個(gè)波到時(shí)差。這樣就可準(zhǔn)確測定每1m波速。從實(shí)測波形圖直觀地看出，初至波由上至下逐步左移，這標(biāo)志著剪切波速由上至下逐漸增大。

圖3　ZK1鉆孔實(shí)測波形

圖4　ZK4鉆孔實(shí)測波形

ZK1鉆孔波速成果表　表1

ZK4鉆孔波速成果表　表2

表1和表2給出了兩個(gè)鉆孔波速測試成果表，兩個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)顯示剪切波速由上至下逐漸遞增大，說明巖性越往下土層越密實(shí)，與土層的沉積有較好的一致性。兩個(gè)鉆孔測點(diǎn)間隔為1m，試深度均達(dá)到100m，能夠滿足工程場地地震安全性評價(jià)工作的規(guī)范要求，可作為土層地震反應(yīng)分析的輸入數(shù)據(jù)。另外根據(jù)鉆孔波速成果表，兩個(gè)鉆孔的覆蓋層厚度均大于80m，等效剪切波速分別為134m/s和149m/s，判定擬建場地為Ⅳ類場地。

4　結(jié)論與討論

剪切波速是工程場地地震安全性評價(jià)工作中土層地震反應(yīng)分析的輸入數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確與否直接影響地表設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)結(jié)果。由于在水域鉆孔地表無法激發(fā)有效的剪切波，懸掛式測井儀采用孔內(nèi)自激發(fā)方式有效的解決了這一問題。

從前述結(jié)果看出，由于懸掛式波速測井儀震源和檢波器距離固定且很近，并且在測試時(shí)震源和接收器都在鉆孔中，因此大大減少了噪聲，增強(qiáng)了有效信號(hào)，提高了所測地層波速值的準(zhǔn)確性，測試結(jié)果能夠滿足工程場地地震安全性評價(jià)工作的規(guī)范要求。

本儀器對檢測人員和鉆孔的成孔質(zhì)量要求較高，檢測人員必須時(shí)刻注意測試條件改變所帶來的影響，隨時(shí)監(jiān)測調(diào)整參數(shù)以保證記錄圖像質(zhì)量。隨著電子技術(shù)、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理等手段的廣泛運(yùn)用，鉆探技術(shù)人員和波速測試人員水平的不斷提高，會(huì)越來越接近實(shí)際地層波速值，為今后工程建設(shè)需要提供可靠的參數(shù)和設(shè)計(jì)依據(jù)。

［1］安建，張穹，劉玉辰.2009.中華人民共和國防震減災(zāi)法釋義［M］.北京：法律出版社.

［2］GB1741-2005，工程場地地震安全性評價(jià)［S］.

［3］盧壽德.2006.《工程場地地震安全性評價(jià)》宣貫教材［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

［4］林鳳仙，段繼平，楊江華.2012.懸掛式測井儀在場地地震反應(yīng)剪切波速測試中的應(yīng)用.［J］云南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），34（S2）：256-259.

［5］GB50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

P315.3+1

A

1007-7359（2016）04-0263-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.104

路建波（1984-），男，工程師，工學(xué)碩士，主要從事工程地震方面研究工作。