水電工程勘察中被動源面波法的應用

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【摘要】針對目前勘察水電工程所處復雜地質條件的技術缺陷，本文分析了被動源面波法應用的現(xiàn)實意義與應用原理，并提出了實踐應用的方法策略，其目的是為相關建設人員提供一些理論依據(jù)。

【關鍵詞】水電工程勘察；被動源面波法；頻散曲線反演；SPAC法

引言

市場經濟發(fā)展進程的不斷加快，水電工程的施工建設環(huán)境日趨惡劣，其中影響最為嚴重的因素，地質條件，直接決定了工程建設使用的安全穩(wěn)定性。基于此，相關建設人員應將現(xiàn)有的科學技術充分利用起來，即加大被動源面波法的應用研究，以將其無需考慮震源影響的作用效果發(fā)揮出來。這是降低復雜地質地形條件對水電工程影響的關鍵技術，研究人員應將其作為重點研究對象，以滿足經濟發(fā)展對水電工程建設使用的安全性及耐久性需求。

1研究被動源面波法應用于水電工程勘察的現(xiàn)實意義

現(xiàn)階段，水電工程建設規(guī)模與涉及地質條件的復雜性不斷擴大與增加，大幅度增加了施工建設的難度。從地質角度來看，一些工程項目處在高山峽谷、地形條件特殊復雜的地區(qū)，這就意味著水電工程施工建設具有信息資源缺乏、自然環(huán)境惡劣以及交通便捷性差等特點。當前，為查明水利水電壩址區(qū)域范圍內工程所處的地質條件，施工技術人員大多在沿壩址軸線布置鉆孔，并采用高密度電阻率法、淺層折射波法以及高頻大地電磁測深法，來完成地質勘測工作。而地質條件的復雜性，使得鉆探作業(yè)的順利開展難度大，即鉆機就位精度不夠、鉆探周期長以及成本高等問題，均降低了工程勘察的準確性。被動源面波法作為無需震源，就能夠準確掌握水電工程所處的地質情況的工程勘察方法。其可高效作用于高海拔以及地質條件復雜的地區(qū)，為此，相關人員應加大以地球表面微弱振動為測量目標的被動源面波法的應用研究力度，以實現(xiàn)水電工程建設使用的可持續(xù)性目標[1]。

2水電工程勘察中被動源面波法應用原理分析

當重點采用大于1Hz的信號進行嵌布地層探測時，震源是由人類活動產生的，因此，相對于主動源，就是被動源。具體來說，地球表面時刻處在一種因自然界和人類活動而產生的微弱振動中，其振幅為10-4~10-2mm，且頻率大多小于1Hz。其中因機械設備運行、車輛行駛以及其他生產建設活動而產生的微弱振動頻率，通常大于1Hz。這種振動是由體波與面波組成的復雜狀態(tài)，且面波能量占總信號能量的70%。研究表明，雖然面波的振動幅度與形態(tài)是隨著空間與時間而表面的，但其在一定范圍內仍具有統(tǒng)計穩(wěn)定性。這種情況下，科研人員可通過記錄振動的垂直分量，從而從中提取相關數(shù)據(jù)信息，以推斷勘察地質地下介質的橫波速度結構。被動源面波法主要由數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析處理兩部分組成。其中數(shù)據(jù)處理功能中的提取瑞雷波頻散曲線與反演頻散曲線，是該方法應用的核心原理。在采用SPAC法進行數(shù)據(jù)處理時，首先，要將實測記錄分成若干個數(shù)據(jù)段，以剔除干擾分析結果較大的數(shù)據(jù)段，即采用中心頻率不同的窄帶濾波器來處理各個數(shù)據(jù)段，最終成功提取待分析的頻率成分。其次，針對各個頻率成分，計算其中心臺站與圓周上各個臺站之間的空間自相關系數(shù)，從而進行方向平均。最后，當擬合不同觀測半徑的空間自相關系數(shù)，就能得到頻散曲線。目前，使用最多的頻散曲線反演方法為遺傳算法（GA），其作為一種非線性的全局方法，比傳統(tǒng)的最下二乘法應用可靠性更好[2]。

3水電工程勘察中被動源面波法應用實踐

某水電工程位于高原地區(qū)，因地質條件較差，即地形陡峻、工程區(qū)兩岸山體雄厚以及峰頂皆為雪山。為勘察出該工程地下100m范圍內的地層結構，技術人員設置了若干條被動源面波法測線。

（1）對于數(shù)據(jù)采集工程，勘察人員采用了三角形臺陣觀測系統(tǒng)，如圖1所示。值得注意的是，實際現(xiàn)場勘察工作中，技術人員要根據(jù)測線的樁號來確定臺陣中心點和直線排列中心點位置，即利用鋼尺來測定各檢波點位置。此過程，對于檢波器的安裝，應通過監(jiān)視軟件，來保證其與地面的緊密耦合，以提高檢測的一致性。

（2）在進行觀測數(shù)據(jù)資料處理的過程中，要剔除干擾較大的數(shù)據(jù)段，以完成數(shù)據(jù)信息的預處理。該工程剔除的數(shù)據(jù)資料為水上地震爆炸信號波組。即采用如下公式的空間自相關系數(shù)函數(shù)，來實現(xiàn)與貝塞爾函數(shù)的擬合，以得出相速度v（f）。g軃（ω，γ）=12π2π0乙g（ω，γ，θ）dθ=12π2π0乙2π0乙exp{irkcos（θ-準）}h（ω，準）d準dθ公式中：g軃（ω，γ）為空間協(xié)方差函數(shù)的方位平均。由于不同空間自相關系曲線表示不同的間距臺站記錄計算結果，可通過擬合頻散曲線，來計算頻散譜的計算結果。此過程，如采用手動方式來提取頻散曲線，能夠使數(shù)據(jù)處理人員通過先驗信息來獲得更為精確的處理結果[3]。

（3）在提取頻散曲線后，就能采用遺產算法對其進行反演計算，以獲取測點的橫波速度結構。而后，通過初始模型，得到地層截面的深度與地層橫波的速度。此過程要求，技術人員要將頻散曲線轉換到速度-深度域后的頻散曲線。在完成測線上的測點反演計算后，就能繪制出測線被動源面波法的成果剖面圖.

4結束語

經上述研究證實，要想實現(xiàn)被動源面波法在水電工程勘察中的應用目標，需遵循以下技術要求：

（1）需采用SPAC法，來提高被動源面波法處理采集地質數(shù)據(jù)信息的科學合理性。

（2）可通過建立三角形臺陣觀測系統(tǒng)，測定各檢波點位置，以提高檢測的一致性。

（3）對于觀測數(shù)據(jù)信息的計算分析，要采用遺產算法（GA），即利用空間自相關系數(shù)公式，得出相速度；利用手動方式，提取頻散曲線，從而獲得更為精確的處理結果。

（4）測線被動源面波法成果剖面圖的繪制，要將頻散曲線轉換到速度-深度域后，來保證技術應用的準確性。

參考文獻

[1]吳學明，王超凡，高才坤，戴國強，王俊，曾憲強.被動源面波法在水電工程勘察中的應用研究[J].物探化探計算技術，2016，04：493~500.

[2]黃真萍，朱鵬超，胡艷.主動源與被動源面波勘探方法對比分析與應用[J].路基工程，2015，01：15~19.

[3]李彥恒，王靖，馮利，王超凡，高峰.被動源面波法和折射層析成像法在深基坑工程勘察中的綜合運用[J].工程地球物理學報，2015，06：808~816.

作者:張曉峰 單位:湖南省水利水電勘測設計研究總院