利用瞬態(tài)面波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征探測(cè)地下障礙物的研究與實(shí)踐

摘 要：城市工程物探中的面波勘探主要以多道瞬態(tài)面波的速度探測(cè)為主，在實(shí)際應(yīng)用中常遇到地表?xiàng)l件復(fù)雜、作業(yè)時(shí)效要求高的情況，限制了該方法適用性。本文通過(guò)對(duì)瞬態(tài)面波傳播機(jī)理的深入分析，全面總結(jié)了瞬態(tài)面波在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的特征，對(duì)如何運(yùn)用這些特征開(kāi)展地下障礙物快速探測(cè)提出了新的認(rèn)識(shí)。在工程實(shí)踐中，改進(jìn)優(yōu)化的探測(cè)技術(shù)與作業(yè)流程取得了顯著的工程效果，切實(shí)提高了瞬態(tài)面波在城市地下障礙物探測(cè)的運(yùn)用范圍和時(shí)效。

關(guān)鍵詞：地球物理勘探；城市工程物探；地下障礙物探測(cè)；運(yùn)動(dòng)學(xué)特征；瞬態(tài)面波

中圖分類(lèi)號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2024）01-0143-04

面波探測(cè)作為近幾十年新興物探方法之一，由于其具有分辨率高、分層能力強(qiáng)、施工方便、不受高速層影響等優(yōu)點(diǎn)，目前，在淺地表勘探中應(yīng)用廣泛[1]。

當(dāng)前，瞬態(tài)面波勘探主要是利用Rayleigh 波的頻散特性，即在水平層狀介質(zhì)中，其傳播速度會(huì)隨著頻率變化。其工作流程包括：首先采用合適的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)、通過(guò)野外觀(guān)測(cè)獲得面波時(shí)空域記錄；再采用二維傅里葉變換將時(shí)空域記錄轉(zhuǎn)換到頻率- 波數(shù)域或頻率- 速度域，根據(jù)頻譜能量分布提取頻散曲線(xiàn)；最后經(jīng)過(guò)反演獲得二維視橫波速度，從而得到不同深度的介質(zhì)屬性[2-3]。由此可見(jiàn)，以面波的頻散特性獲取地層速度結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)面波探測(cè)方式實(shí)施流程相對(duì)復(fù)雜，在數(shù)據(jù)采集、頻散曲線(xiàn)提取、速度結(jié)構(gòu)反演到最后的綜合解釋?zhuān)瑢?duì)探測(cè)人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)均有著較高的要求。并且，觀(guān)測(cè)時(shí)需要布置連續(xù)的具有一定長(zhǎng)度的排列采集多個(gè)面波記錄，面波測(cè)線(xiàn)布設(shè)對(duì)場(chǎng)地大小、地表平整度、地物分布等也具有較高的要求[4，5]。因此，在場(chǎng)地條件較好、探測(cè)人員專(zhuān)業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)扎實(shí)、作業(yè)時(shí)間充裕的情況下，通過(guò)速度剖面識(shí)別地下障礙物等異常體的傳統(tǒng)面波探測(cè)方式是最佳選擇。然而，城市工程物探常常遇到地表?xiàng)l件復(fù)雜、工作面有限、作業(yè)時(shí)效要求高的情況，導(dǎo)致該方法適用性降低。此外，由于瞬態(tài)面波激發(fā)及接收具有時(shí)間和空間的確定性，面波傳播過(guò)程中遇到地下異常時(shí)，在傳播路徑、波形能量等面波運(yùn)動(dòng)學(xué)方面也存在確定的異常特征。這些特征基本無(wú)需經(jīng)過(guò)特別的數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜的反演算法的加工便可獲取，是對(duì)地下異常最為直接的反映，相應(yīng)幾何學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征與地下異常具有很高的對(duì)應(yīng)性，可基于這些特征對(duì)異常體高效準(zhǔn)確地探測(cè)。

為了提高瞬態(tài)面波的應(yīng)用范圍和解決問(wèn)題的能力，本文從瞬態(tài)面波的傳播特征入手，通過(guò)數(shù)值模擬、波場(chǎng)分析等方面總結(jié)了瞬態(tài)面波在城市地下障礙物探測(cè)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，并結(jié)合實(shí)際探測(cè)案例，提出了基于上述特征對(duì)地下異常進(jìn)行快速、準(zhǔn)確探測(cè)的方法，進(jìn)一步拓展了瞬態(tài)面波探測(cè)的能力。

1 常規(guī)瞬態(tài)面波探測(cè)的局限性

通常，瞬態(tài)面波探測(cè)全流程包括現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)、多道面波記錄、頻率速度譜分析、速度剖面重構(gòu)[6-9]，該方法流程取得好的探測(cè)效果需具備下列條件：

一是現(xiàn)場(chǎng)要有足夠的連續(xù)平整的場(chǎng)地，以便能夠線(xiàn)性、連續(xù)布置面波排列及震源，獲取覆蓋地下目標(biāo)體的足夠多的面波信息。由于一個(gè)面波排列僅能得到該排列中心點(diǎn)位置的速度，需要多個(gè)排列線(xiàn)性滾動(dòng)采集才能得到速度剖面。因此，對(duì)一個(gè)小目標(biāo)的探測(cè)，也需要遠(yuǎn)大于目標(biāo)體規(guī)模的場(chǎng)地條件。

二是為了獲取高質(zhì)量，往往需要結(jié)合場(chǎng)地條件，每一炮都選取合適激振能量及方式，以確保激發(fā)高質(zhì)量面波信號(hào)。同時(shí)每個(gè)排列也要合理的布置檢波點(diǎn)位置，保證檢波器與地面的耦合質(zhì)量，才能采集到高質(zhì)量的面波信號(hào)。

三是由于城市地下結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，很多情況下其速度結(jié)構(gòu)并不是嚴(yán)格的層狀速度結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)叵麓嬖诟鞣N速度異常結(jié)構(gòu)時(shí)，其頻率速度譜的能量團(tuán)的分布連續(xù)性會(huì)變差。如何準(zhǔn)確的根據(jù)頻率速度譜的能量團(tuán)分布拾取準(zhǔn)確的頻散曲線(xiàn)，對(duì)處理人員的經(jīng)驗(yàn)要求很高。

四是根據(jù)頻散進(jìn)行速度反演時(shí)，限于反演算法的局限，對(duì)于復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)，由于邊界條件及控制參數(shù)難以精準(zhǔn)給定，也會(huì)導(dǎo)致反演可靠性難以保證。

五是基于速度對(duì)地下異常進(jìn)行判斷時(shí)，由于速度異常的引發(fā)因素存在多解性，如何根據(jù)速度差異進(jìn)行精確的異常解釋?zhuān)瑢?duì)解釋人員的經(jīng)驗(yàn)要求也很高。

綜上所述，在復(fù)雜的城市探測(cè)環(huán)境下，要用好多道瞬態(tài)面波速度探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下障礙物的探測(cè)，對(duì)場(chǎng)地條件、算法用性、操作人員專(zhuān)業(yè)知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)要求較高，一定程度限制了該方法在城市地下障礙物探測(cè)中使用，有必要進(jìn)一步提升改進(jìn)方法的適用性。

2 基于數(shù)值模擬的瞬態(tài)面波快速探測(cè)方法

對(duì)于瞬態(tài)面波法而言，由于其激發(fā)及接收具有時(shí)間和空間的確定性，面波傳播過(guò)程中遇到地下異常體時(shí)，其傳播路徑、波形等運(yùn)動(dòng)學(xué)特征也會(huì)表現(xiàn)出與地下異常關(guān)聯(lián)性特征，這種特征也具有確定性，可以用來(lái)判斷地下異常的屬性。因此，利用瞬態(tài)面波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征對(duì)地下障礙進(jìn)行探測(cè)在理論上是可行的。本文建立了典型的淺埋大型井室的數(shù)值模型，并通過(guò)彈性波數(shù)值計(jì)算[10，11]，對(duì)面波的傳播特征進(jìn)行了模擬，識(shí)別了存在地下障礙物時(shí)面波的運(yùn)動(dòng)學(xué)顯著特征。

2.1 模型設(shè)置及參數(shù)選取

圖1 為城市常見(jiàn)的典型地下障礙物（被掩埋的大型井室）的數(shù)值模型示意圖，為了提高計(jì)算效率，地層簡(jiǎn)化為各項(xiàng)同性均勻介質(zhì)，井室簡(jiǎn)化為10m 寬、6m 高的長(zhǎng)方形空腔。幾何尺寸及地層參數(shù)如圖1 中所示，炮點(diǎn)位于模型地表O 點(diǎn)，豎向激振。數(shù)值計(jì)算采用有限元算法，按平面應(yīng)變問(wèn)題計(jì)算，模型采用四邊形網(wǎng)格單元，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 數(shù)值模擬效果

圖2 為數(shù)值計(jì)算在100ms、350ms 時(shí)刻的位移值波場(chǎng)快照?qǐng)D。由圖2 可見(jiàn)，地面激振產(chǎn)生的彈性波，會(huì)隨著傳播的推進(jìn)，出現(xiàn)不同的波型。在未到達(dá)井室之前，主要有面波（R）、橫波（S）、首波（H）以及縱波（P）；當(dāng)各種型遇到井室之后，各種彈性波均產(chǎn)生了散射，從而形成散射波，包括散射面波（BR）、轉(zhuǎn)換面波（TR）、散射橫波（BS） 和散射縱波（BP）。不同的波型在地下的空間傳播運(yùn)動(dòng)學(xué)特征對(duì)比顯示，無(wú)論是散射前還是散射后，橫波和縱波波前均是一個(gè)圓形，即它們?cè)诘叵驴臻g均以球形擴(kuò)散的方式向四周傳播，而面波散射前后均只沿地表傳播，并未像縱橫波一樣波前面呈圓形。同時(shí)，由于面波傳播過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)是呈逆時(shí)針的橢圓形運(yùn)動(dòng)，且傳播深度主要受頻率影響，即每個(gè)頻率的面波主要集中在該頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)傳播，因此面波對(duì)地表附近的地下障礙物等引起的速度異常尤為敏感。由于面波能量強(qiáng)、頻率低，在遇到地下障礙物等速度異常時(shí)，較縱波、橫波等波型散射波能量更強(qiáng)。如果在地面上進(jìn)行瞬態(tài)面波觀(guān)測(cè)，將很容易采集到散射面波。圖2 為該模型地面多道瞬態(tài)面波的模擬采集剖面，即在地表記錄的豎向位移。其中，道間距為1 m，最小偏移距6 m，最大偏移距77 m。圖3 所示散射面波（BR） 能量?jī)H次于入射面波（R），且在空間上與入射面波形成一個(gè)水平狀的“V”字形（ 圖中紅色虛線(xiàn)），其“V”的底部正好對(duì)應(yīng)面波散射的起始點(diǎn)，即地下井室的左邊界位置（圖中偏移距40 m 位置的黑色虛線(xiàn)）。

由此可見(jiàn)，瞬態(tài)面波在遇到地表附近的地下障礙物時(shí)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)上最明顯的特征即表現(xiàn)為面波散射特征，且在地面多道瞬態(tài)面波探測(cè)剖面上能采集到典型的“V”字型特征的面波信號(hào)，便可根據(jù)“V”字的底部位置對(duì)地下障礙物的水平位置進(jìn)行快速判斷。

綜上所述，這些動(dòng)力學(xué)屬性的變化特征以及“V”字形散射等運(yùn)動(dòng)學(xué)特征可直觀(guān)的從多道瞬態(tài)面波記錄上分辨出來(lái)，無(wú)需復(fù)雜的速度計(jì)算過(guò)程。因此，數(shù)值模擬結(jié)果表明了基于瞬態(tài)面波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征能對(duì)地下障礙物進(jìn)行快速、可靠地探測(cè)。

3 地下障礙物面波快速探測(cè)案例實(shí)證

地下掩埋井是城市物探中典型地下障礙物探測(cè)對(duì)象，本文通過(guò)觀(guān)測(cè)面波在遇到掩埋井時(shí)的傳播路徑的變化特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)掩埋井的位置進(jìn)行快速準(zhǔn)確的探測(cè)，進(jìn)而闡明如何運(yùn)用面波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征對(duì)地下障礙物進(jìn)行快速探測(cè)。

城市道路翻修改造等原因造成部分排水管道的井室被掩埋，后續(xù)管道檢修或鄰近工程實(shí)施時(shí)往往需要精確探測(cè)定位。由于掩埋井通常位于交通繁忙的道路下方，車(chē)流量大，占道作業(yè)時(shí)間有限，需采取高效、準(zhǔn)確、可靠的方法實(shí)施探測(cè)。為此，本案例首先根據(jù)相關(guān)資料確定檢修井的大致位置，采用單排列快速探測(cè)掩埋井的位置，測(cè)線(xiàn)布置如圖4 所示。現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)采用24 道主頻為4.5 Hz 的檢波器、道間距為1.0 m 的排列，采用落球震源，最小偏移距為6 m。圖5 為該排列的首端和末端分別激振得到的記錄，可以直觀(guān)看出，剖面上存在與理論模擬一致的面波“V”字形特征，且首端與末端敲擊時(shí)的“V”字形朝向相反，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，“V”字的底對(duì)應(yīng)掩埋井的邊界位置。綜合數(shù)值模擬及實(shí)際探測(cè)記錄結(jié)果可知，首端敲擊的波形剖面上的“V”字的底對(duì)應(yīng)的10.0 m的位置應(yīng)為掩埋井的左邊界，末端敲擊的波形剖面上的“V”字的底對(duì)應(yīng)的13.0 m 的位置應(yīng)為掩埋井的右邊界，并可根據(jù)兩個(gè)邊界的距離估算出該掩埋井沿測(cè)線(xiàn)方向的寬度約為3.0 m。后期檢修時(shí)對(duì)該井室進(jìn)行了開(kāi)挖，準(zhǔn)確找到了該井位。

由此可見(jiàn)，利用瞬態(tài)面波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征（面波的“V”字形特征）并結(jié)合首末端聯(lián)合敲擊，通過(guò)一個(gè)排列就能快速的對(duì)掩埋井的位置及尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確的探測(cè)，不失為一種快速高效的掩埋障礙物探測(cè)方法。利用常規(guī)多道瞬態(tài)面波的速度探測(cè)，由于要布置多個(gè)排列進(jìn)行連續(xù)探測(cè)，雖然也能準(zhǔn)確獲取掩埋井的位置，但相對(duì)本案例運(yùn)用的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬瞬態(tài)面波的時(shí)間和空間傳播特征，分析了面波在遇到地下障礙物的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，并結(jié)合地下掩埋井探測(cè)案例，有效地利用這些特征對(duì)淺埋地下障礙物進(jìn)行快速探測(cè)，進(jìn)一步拓展了瞬態(tài)面波的探測(cè)能力，相關(guān)結(jié)論如下：

（1）瑞雷面波沿地表水平傳播，淺埋地下井室等地下障礙物會(huì)引起面波的運(yùn)動(dòng)學(xué)（面波散射）特征發(fā)生變化，從地面接收的多道瞬態(tài)面波剖面中，入射面波與散射面波的同相軸會(huì)形成“V”字形態(tài)，利用面波的這一運(yùn)動(dòng)學(xué)特征可以對(duì)地下障礙的邊界位置進(jìn)行快速探測(cè)。

（2）利用面波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行地下障礙物探測(cè)時(shí)，面波的散射特征比較穩(wěn)定，無(wú)需經(jīng)過(guò)特別的數(shù)據(jù)處理便可得到該特征。因此相對(duì)于常規(guī)的速度剖面探測(cè)方法探測(cè)地下障礙物，該方法具有更高的效率、更好場(chǎng)地適應(yīng)性、更低的探測(cè)成本以及更可靠的結(jié)果。

（3）本文提出的瞬態(tài)面波探測(cè)新應(yīng)用方式在場(chǎng)地的適應(yīng)性、實(shí)施的效率和成本等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可拓展到淺埋地下管道、地下人防、大型箱涵等城市地下基礎(chǔ)設(shè)施的探測(cè)應(yīng)用方面，進(jìn)一步拓寬瞬態(tài)面波的探測(cè)范圍和能力。

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