莫飞
黑龙江省九0四水文地质工程地质勘察院 黑龙江省哈尔滨市 150028
摘要：在建筑工程里岩土工程勘察是非常重要的，在岩土工程勘察中利用地球物理方法是经济、无损的好手段，地球物理方法以地下岩土层或地质体的物性差异为基础，通过自然或人工建立的地球物理场对地下地质体不同的地球物理响应，来确定地质体的空间几何参数（大小、形状、埋深等），并可获取岩土体的物性参数，达到解决相关地质问题的目的。然而单一地球物理方法仅是对应某种物理属性，如电法对应电阻率、地震方法对应速度等，在应用中，不可避免地存在多解性问题。为了减少多解性的影响，就需要考虑不同方法的特点，开展综合地球物理方法研究，提高地球物理方法在岩土工程勘察中的解释精度。
关键词：综合地球物理方法；岩土工程勘察；应用
引言
地球物理方法具有成本低、效率高、无损性的优点被广泛用于岩土工程勘察中，但单一方法的多解性问题，常导致解释结果难以满足勘察精度要求。鉴于高密度电阻率法和瑞雷波法对于相同几何参数的地质体，具有不同的地球物理响应特征，提出了利用高密度电阻率法和瑞雷波法的综合地球物理方法开展岩土工程勘察工作。
1地球物理勘探技术在岩土工程应用中面临的挑战
1.1反演不具有唯一性
在地球物理勘探技术中的大多数办法都需要通过反演来求得待测物的里参数或者影响剖面，主要的反演方式是通过对误差样本函数优化进行的。但是这个过程常常不具有唯一性，这就使得工程师对反演结果认识存在局限性。导致反演不具有唯一性的原因主要可以归纳为三个方面：一是物理现象本身具有非唯一性；二是两侧信息的空间与频率内涵存在局限性；三是存在反演过度收敛与局部优化问题。地球物理探测方法的反演受到多种条件的限制，因此工程师要谨慎的诠释反演结果，来防止对施测结果的过度解读。为了解决这一问题，可以通过采用多种地球物理探测方法进行联合反演，并对施测的方法进行评价。
1.2现场条件违背反演的基本假设
地球物理探测方法可分为一维方法、二维方法、三维方法。比如多道瞬态面波法是一维的，电阻率层析成像法已经演化到了三维方法。但是在岩土工程中，因为施工的场地以及施工费用的限制，而存在着不能使用三维方法进行探测的问题，所以在目前的岩土工程中应用的方法多以一维和二维为主。这就导致了工程师会认为用这样的方式进行实测能获得相应的剖面，而忽视了现场条件违背了反演的基本假设。对于这个挑战的对策是，规划测线的位置要尽可能的降低二维或者三维效应，如果没有办法降低，可以采用三维模拟的方式进行施测，要避免对施测成果的过度解读并且要对成果的可信度进行确认。
1.3勘探深度与分辨率
虽然浅地表地球物理技术在勘探深度以及解析能力上有了显著的提高，但是与工程师的期待仍有差距。其中折射震测对地质条件复杂的速度构因为其限制因素而无法进行解析；电阻率层析成像法与其他方法相比来说勘探深度更佳，但是随着勘探的深度增加分辨率会相应的下降，而且下降明显，并且在电阻率低的区域其对周围以及下方的解析能力降低；主动式瞬态面波法主要对深度为３０ｍ以内的地层进行勘探，而且随着勘探深度的增加，其分辨率也会呈现明显的下降；跨孔走时层析成像探测在跨孔区域的解析能力并不均匀，上下两方的解析能力下降，表现较差，这就要求跨孔的孔距不应过大。
2高密度电阻率法
2.1方法原理
高密度电阻率法，是基于直流电阻率法的基本原理，利用微机控制技术，集电剖面法和电测深法于一体，在多路转换器的程序控制下，实现在剖面上一次性布极，获取多种装置类型的地电断面分布信息，是目前探测精度较高的工程地球物理探测方法。高密度电法野外工作装置形式较多，总电极数与点距可根据场地条件及勘察深度任意选择，而且对同一断面可选用多种装置多次测量，获取多种装置的不同数据，减少仅用一种装置类型测量所造成的多解性，图1是常用的几种装置类型。其中单位电极距a决定高密度电阻率法的分辨率，电极距越小，分辨率越高，但探测深度相对降低。隔离系数n决定了勘探深度和浅层的覆盖次数。n值越大，采集的数据就越多，获取信息就更丰富，但工作效率低。
图1高密度电阻率法常用排列示意图
2.2数据预处理
高密度电阻率法数据预处理内容主要包括数据拼接、突变点剔除、曲线圆滑、地形数据预编辑等几项内容。受仪器采集道数限制，在完成一条剖面测量后，需要将各段剖面数据拼接，形成完整的剖面数据。在数据采集过程中，由于工业游散电流干扰、电极接地条件、人工脉冲、电极断电、激化补偿不稳和人为操作误差等相关因素存在，必定存在个别数据明显为不符合真实地下信息的“突变点”，这些点具有明显的数值偏大或偏小，或与邻近数据没有形成连续的变化，发生突然跳跃等特点。为此，需对这些“畸点”进行剔除，如有必要，还应进行插值补点。为了压制高频干扰，突出整体异常，还需对实测曲线进行了低通滤波“圆滑”处理。在工区内地形起伏较大时，为了避免地形因素的影响，应对地形数据进行编辑，使地形数据参与视电阻率异常的反演，以确保反演结果精度，而不受地形影响。预处理后的数据方可进行后续视电阻率图件绘制和反演解释。
3瑞雷波法
3.1方法原理
瑞雷波是地震中面波的一种，瑞雷波在致密弹性体中人工激发产生并以柱面波前方式传播，在传播过程中，遇到岩石的物理力学性质发生明显改变时，在频散曲线上会发生畸变，而在瑞利波频散曲线上易于识别这些异常。瑞雷波法就是利用瑞雷波这一特性进行勘察的一种地球物理方法。瑞利波探测方法分为稳态和瞬态,目前多采用瞬态瑞雷波法。瞬态瑞利波采用瞬态冲击震源，一次激发和接收，可以获得宽频带的瑞雷波振动信号，这相当于稳态成百上千次激发的信息，如图2所示。仪器记录同一瑞雷波列在传播方向上的不同位置的2个时间域信号，经离散傅里叶变换(DFT)转换为一系列不同频率的正弦分量。由此可以得到信号的频谱分布、相应频率的相关程度和相移大小Δφ(f)，由式（1）和式（2）可以计算出相邻不同频率成分的滞后时间Δt(f)和平均速度-vR(f)。Δt(f)=Δφ(f)/2πf（1）-vR(f)=Δx/Δt(f)（2）根据平均速度[-vR(f)]和频率（f），利用式（3）可以得到波长λR。λR=-vR/f（3）通过-vR-λR关系曲线可知，同一波长的瑞雷波传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的瑞
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雷波传播特性则反映不同深度的地质情况。如果探测的对象是非均匀介质，不同频率的振动按不同的速度传播，一定的频率对应一定的波长，即一定的地层深度，这就是瑞雷波的频率(深度)——速度分散特性。通过对频散曲线进行反演，即可得到某一深度范围内的地质构造情况和不同深度的瑞雷波传播速度vR值；vR值的大小与介质的物理力学特性有关，据此可对探测对象(围岩)的物理力学性质做出评价。
图2瑞雷波法勘探原理示意图
3.2数据预处理
瑞雷波预处理主要包括以下几方面内容：（1）原始资料进行整理核对、编录；（2）分析纵波与面波以及各阶面波的时空域分布特征；（3）根据面波在时间—空间域中的分布特征确定面波时间—空间窗口；（4）根据上述确定窗口，在频率—波数域内提取面波；（5）面波进行频散分析，形成频散数据。
结语
地球物理方法具有的诸多优点使其在工程勘察领域中的作用日益突出。但在勘察过程中，应当认识到地球物理方法从数据采集时存在的干扰噪声到反演解释时的多解性问题，均可能引入虚假信息，因此，有必要开展综合地球物理方法研究工作。同时，综合地球物理方法不仅仅是多种方法的综合解释，同时还可以开展多种方法的联合反演，通过不同的地球物理响应特征，从多方面验证结果的可靠度，提高勘察精度。
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论文作者:莫飞
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2019/1/4
标签：方法论文; 电阻率论文; 地球物理论文; 深度论文; 岩土论文; 数据论文; 剖面论文; 《防护工程》2018年第28期论文;