聲波測(cè)井技術(shù)在場(chǎng)地勘察及地震安評(píng)中的應(yīng)用

單 波， 李黨民， 龍鵬偉

(西北電力設(shè)計(jì)院，西安 710032)

0 引言

聲波測(cè)井是彈性波速度測(cè)井的簡(jiǎn)稱，屬于地震勘探方法的范疇，它作為地球物理測(cè)井的一個(gè)分支，在石油、煤田、固體礦產(chǎn)等資源調(diào)查領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3]。

聲波測(cè)井同時(shí)也屬于原位測(cè)試技術(shù)[4-5]。在不同的地球物理前提下，它能有效解決許多地質(zhì)問題[6-7]，可提供斷層破碎帶、地層厚度、固結(jié)特性、軟硬程度以及地震折射法難于探測(cè)的低俗夾層等資料；可計(jì)算剪切模量、動(dòng)泊松比、楊氏模量等參數(shù)；它能進(jìn)行填土密實(shí)度的控制與檢查，評(píng)價(jià)地基的改良效果；測(cè)定灌注樁等建筑物的樁底埋深；用縱橫波速比來評(píng)價(jià)巖石的質(zhì)量和地基的各向異性；因此目前已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、電力、水利水電等眾多工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域[8-12]。

然而目前應(yīng)用較多的是利用剪切波速對(duì)場(chǎng)地土的類型、建筑場(chǎng)地類別進(jìn)行劃分，并利用P波和S波進(jìn)行工程力學(xué)參數(shù)的計(jì)算，為場(chǎng)地工程地質(zhì)評(píng)價(jià)和工程建筑設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

1 聲波測(cè)井的分類

聲波測(cè)井根據(jù)激發(fā)接收裝置不同，可以分為單孔法和跨孔法，而單孔法根據(jù)振源位置不同又可以分為井地激發(fā)接收和同井激發(fā)接收。因此聲波測(cè)井法可以大致分為三類：①井地激發(fā)接收方式；②同井激發(fā)接收方式；③異井激發(fā)接收方式。

1.1 井地激發(fā)接收方式

這類測(cè)量方式包括地面激發(fā)井中接收的井下接收方式(一般所說的聲波測(cè)井即指此種測(cè)量方法，稱為檢層法)和井中激發(fā)地面接收的井上接收方式(如石油勘察中的微測(cè)井)。

井上接收方式接收的為井中激發(fā)產(chǎn)生的SV波。

井下接收方式被多數(shù)采用，使用的是一個(gè)三分量檢波器，檢波器需要貼壁，所以有的帶有機(jī)械貼壁裝置，有的帶有橡皮囊，利用氣體或者液體使檢波器使探頭與孔壁耦合。振源位于孔口，距離1 m～2 m左右，垂直敲擊鐵板產(chǎn)生縱波，橫敲與地面緊密耦合的木板產(chǎn)生橫波，這里的橫波為SH波，有別與井上接收方式。由于為錘擊方式，所以探測(cè)深度有限。

1.2 同井激發(fā)接收方式

這種方式主要有聲波測(cè)井和懸掛式測(cè)井。聲波測(cè)井振源是一種電-聲能轉(zhuǎn)換器，每秒發(fā)射10次～20次，產(chǎn)生 20 kHz 左右的電脈沖，檢波器接收利用井水與井壁的速度差異產(chǎn)生的折射縱波和折射橫波(轉(zhuǎn)換波)，通常依據(jù)波到達(dá)兩個(gè)檢波器的時(shí)間差來求波速。如果地層的橫波波速小于井水的縱波波速時(shí)，檢波器接收不到轉(zhuǎn)換橫波信息，另外孔徑變換和探頭的傾斜對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響較大，使該方法應(yīng)用受限。

懸掛式聲波測(cè)井是一種較為快捷的方法。探頭主要由全密封電磁式激振源和兩個(gè)相距1m的檢波器構(gòu)成，當(dāng)振源向井壁作用一個(gè)沖擊力后，沿井壁就有P波和S波傳播，根據(jù)井液耦合器就可以把振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)兩道S波的初至計(jì)算波速值。

1.3 異井激發(fā)接收方式

這種方式通過一口井內(nèi)激發(fā)，其他井內(nèi)接收。當(dāng)孔距較小時(shí)，可以直接利用直達(dá)波測(cè)定速度，波形記錄通常分為三個(gè)部分：平穩(wěn)段、P 波段、S 波段。該方法抗干擾能力強(qiáng)，但為避免折射波的影響孔距不能太大。

2 技術(shù)原理

檢層法是較為普遍采用的單孔聲波測(cè)井方法，其采集方法見圖1。如前所述，檢層法采集接收的是橫波的水平分量 SH 波，所以可以利用其方向性，用重錘在與地面緊密耦合的木板兩面分別橫向敲擊，以獲取兩個(gè)反相的 SH 波記錄，利于橫波初至的判別讀取，計(jì)算地層速度。

圖1 單孔檢層法波速測(cè)試示意圖Fig．1 The schematic diagram of the principle of wave-velocity test

2.1 土層剪切波速計(jì)算

土層剪切波的傳播速度按式(1)計(jì)算。

v=Δh/ΔT

(1)

T=KiTL

(2)

(3)

式中v為波速層的波速；Δh為波速層的厚度；ΔT為波傳到頂面和底面的時(shí)間差；T為波從震源到達(dá)測(cè)點(diǎn)經(jīng)斜距校正后的時(shí)間；TL為波從震源到達(dá)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)時(shí)間；Ki為 斜距校正系數(shù)；Hi為測(cè)點(diǎn)的深度;L為從板中心到測(cè)試孔的水平距離。

2.2 土層的等效剪切波速計(jì)算

土層的等效剪切波速按式(4)計(jì)算：

Vse=d0/t

(4)

(5)

式中Vse為土層剪切波速；d0為計(jì)算深度，取20 m；t為剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間；di為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度；Vsi為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速；n為計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。

2.3 場(chǎng)地類別劃分與場(chǎng)地卓越周期計(jì)算

在抗震設(shè)計(jì)中，對(duì)擬建場(chǎng)地進(jìn)行場(chǎng)地類別的劃分，其目的是為了考慮場(chǎng)地條件對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的影響，以便采取合理的設(shè)計(jì)參數(shù)和抗震措施，劃分根據(jù)土層等效剪切波速和場(chǎng)地覆蓋層厚度，具體內(nèi)容參見《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)有關(guān)規(guī)定 。

在地震過程中，場(chǎng)地和地表建筑物都會(huì)受到振動(dòng)，如果場(chǎng)地土的卓越周期與建筑物的自振周期接近，建筑物將與場(chǎng)地土產(chǎn)生共振，使的建筑物振動(dòng)幅度變大，從而加劇建筑物的破壞。《地震區(qū)工程選址手冊(cè)》中規(guī)定，在做抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可應(yīng)用卓越周期劃分場(chǎng)地類別(表1)，因此場(chǎng)地卓越周期的測(cè)定，也是地震區(qū)抗震設(shè)計(jì)及安全評(píng)估的一項(xiàng)重要內(nèi)容。場(chǎng)地卓越周期除了通過實(shí)測(cè)手段獲取外，也可以通過土層剪切波速度的計(jì)算得到。

(6)

式中Tc為場(chǎng)地土的卓越周期；Hi為第i層土層厚度，一般應(yīng)計(jì)算至基巖面，當(dāng)基巖面較深時(shí)，可計(jì)算至30 m～50 m；Vsi為第i層土的剪切波速；n為土層層數(shù)。

表1 依據(jù)卓越周期進(jìn)行場(chǎng)地類別劃分

3 工作流程以注意事項(xiàng)

3.1 掃孔

應(yīng)安排鉆探人員根據(jù)工作要求打孔，被測(cè)孔如果不是剛打的孔，需要在波速測(cè)試前進(jìn)行掃孔，以避免泥漿沉淀，探頭無法放置到預(yù)定的深度；對(duì)某些軟弱地層或者卵石地層較易發(fā)生縮徑或者石塊卡孔問題，所有有必要在測(cè)試前掃孔，清除探頭被卡的隱患。

3.2 震源設(shè)置

震源距離井口距離1 m～2 m比較合適，如果井口附近有障礙物，可適當(dāng)遠(yuǎn)離，但盡量避免由于板孔距離較遠(yuǎn)引起的折射波干擾。震源一般選擇錘擊，為保證有效橫波的產(chǎn)生，在木板上需要放置數(shù)百公斤的物體，木板下最好有較大摩擦力來增加耦合效果，當(dāng)探測(cè)深度要求較大時(shí)，可以用重錘敲擊。儀器接收選擇普通的淺層地震儀即可。

3.3 測(cè)試

首先緩慢將三分量檢波器放到預(yù)定探測(cè)深度，由深到淺測(cè)量。對(duì)于機(jī)械式固定裝置探頭，當(dāng)檢波器放到位置時(shí)松開固定器進(jìn)行固定，對(duì)于橡皮囊固定器需要充氣或者充水，以與井壁緊密耦合，可以采取 20 m 以下 2 m 測(cè)試一個(gè)點(diǎn)，20 m以上1 m一個(gè)點(diǎn)的做法進(jìn)行測(cè)量，有時(shí)為了獲取薄層信息，可以采取加密測(cè)點(diǎn)間隔，50 cm 或者 30 cm。

3.4 資料處理

獲得完整數(shù)據(jù)記錄后，應(yīng)該記錄板距孔的垂直距離。對(duì)數(shù)據(jù)資料可以有選擇性的進(jìn)行濾波處理，然后根據(jù)每個(gè)測(cè)點(diǎn)兩個(gè)反相的橫波初至來判讀時(shí)間，并利用公式(1)到公式(5)計(jì)算獲取等效剪切波速和每層的波速，最后結(jié)合鉆孔資料判斷場(chǎng)地分類，也根據(jù)公式(6)計(jì)算卓越周期，根據(jù)表1來判斷場(chǎng)地分類。

4 實(shí)例分析

某一重大建設(shè)工程場(chǎng)地需要進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià)工作，為場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)估計(jì)和場(chǎng)地地震地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)提供資料和數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行波速測(cè)試工作，進(jìn)行場(chǎng)地評(píng)價(jià)。

4.1 場(chǎng)地分類和動(dòng)力學(xué)參數(shù)

通過對(duì)記錄數(shù)據(jù)的計(jì)算，獲得剪切波速曲線見圖2。計(jì)算 20 m 以上的等效剪切波速為 310.3 m/s，覆蓋層厚度大于 5 m，可以判定該場(chǎng)地類別為Ⅱ類。求取的動(dòng)力參數(shù)見表2。

圖2 剪切波速度隨深度變化的關(guān)系曲線Fig．2 The relationship of shearing-wave velocity to depth

地層名稱動(dòng)泊松比動(dòng)剪切模量/MPa動(dòng)彈性模量/MPa黃土10.17117.4266.2黃土20.17180.5430.2粉細(xì)砂0.15223.5524.1園 礫0.21364.4865.1泥 巖0.17512.61202.4

4.2 場(chǎng)地卓越周期計(jì)算

根據(jù)公式(6)計(jì)算出來的卓越周期為0.257 8，根據(jù)表1可以判定場(chǎng)地為Ⅱ類，與通過剪切波速劃分的場(chǎng)地類別一致。本次計(jì)算卓越周期取的深度為20 m，因?yàn)樵撋疃然疽堰_(dá)基巖面，在某些場(chǎng)地，如果覆蓋層較厚，那么選擇的計(jì)算深度就要相應(yīng)加大，不然用依舊用20 m計(jì)算出來的卓越周期可能偏小，場(chǎng)地分類會(huì)與剪切波速劃分的類別不一致。

5 結(jié)論和建議

在上述介紹中，對(duì)單孔檢層法的采集處理和實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)說明和討論分析。雖然目前各種方法都較為成熟，但是各有優(yōu)劣之處，跨孔法直觀，但成本較高，如果下層波速較高，也容易受到折射波的干擾；單孔懸掛法速度較快，但測(cè)量離不開水，干孔不能測(cè)量，其激發(fā)波長(zhǎng)較小，在井壁破碎嚴(yán)重，孔徑變化大時(shí)，波形記錄質(zhì)量較差；單孔檢層法速度稍慢，采集稍煩瑣，但其抗干擾能力較強(qiáng)，干孔也可測(cè)量。所以在選擇聲波測(cè)井方式時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、技術(shù)要求選擇測(cè)井方式。

目前聲波測(cè)井應(yīng)用逐漸廣泛，除了提及的場(chǎng)地類別劃分、卓越周期求取等方面，還可應(yīng)用于依據(jù)剪切波速判別液化情況等，但許多領(lǐng)域并不完善，還有待于進(jìn)一步的研究，以發(fā)揮更大的作用。

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