不同地质条件下的瞬态瑞雷面波法岩溶注浆检测正演分析

不同地质条件下的瞬态瑞雷面波法岩溶注浆检测正演分析

韩丽娜

四川省兴冶岩土工程检测责任有限公司  成都 610000

【摘要】:瞬态瑞雷面波法具有频率低、传播速度慢，易于识别，对垂直缝隙非常敏感等特点，通过建立有限差分正演模型，分析不同覆盖层厚度、不同基覆界面产状、不同岩层产状下的瞬态瑞雷面波正演频散曲线，再结合反演计算检测结果，对比正演模型和反演结果，得到不同地质条件下瞬态瑞雷面波的检测精度。当覆盖层厚度过大，会导致震源能量衰减过大，不能有效探测岩溶路基注浆效果，锤击震源对5m洞径，覆盖层厚度超过10m，埋深超过15m的溶洞的检测效果较差。岩层倾角越大，注浆效果检测越差，超过63.4°不能反映溶洞。基覆界面倾角越大，注浆效果检测越差，超过30°后不能反映溶洞。

【关键字】:瞬态瑞雷面波法；注浆检测；数值模拟；综合评价

【中图分类号】：TU19【文献标识码】:A               

0引言

我国西南地区岩溶发育，为了避免岩溶塌陷等对铁路路基安全的不良影响，一般采用注浆加固处理，再采用有效的检测方式来判断路基岩体是否达到了应有的密实度和承载能力[1~2]。这种检测通常是大面积的、大范围的，选择行之有效的检测方法则至关重要。

瑞雷波在所有机械波中的能量最大，主要沿着地面传播。[3]其频率低、传播速度慢，易于识别，对垂直缝隙非常敏感，理论上适用于岩溶路基注浆检测。[4]基于岩土物性差异及瑞雷波传播的理论模型，形成的瞬态瑞雷面波法具有浅层分辨率高、勘测设备简单、受场地影响小、勘探速度快及经济适用等优点。[5~6]

瞬态瑞雷面波法的检测理论是在简化后的基本模型中建立起来的。但真实的地质条件是极其与基本模型存在很大的区别，地层的起伏变化、岩层面产状、覆盖层厚度可能对瞬态瑞雷面波法的传播产生影响，影响检测精度，为此开展不同地质条件下的瞬态瑞雷面波法岩溶路基检测，对进一步验证本方法的可靠性具有重要的意义。

1正演模型的建立

1.1模型尺寸

正演分析采用FLAC3D建立有限差分模型。按照激震点发射的各类波经模型边界反射后均不会传递到任何一个检波器为原则，避免模型尺寸过大增加计算量，取模型检测断面方向的长度为50m，横向长度为40m，深度尺寸为50m。模型网格尺寸要小于输入波形最高频率对应波长的1/8~1/10，以此确定模型的网格尺寸取为1m。

1.2模型参数

模型主要有两层介质，包括黏土质覆盖层和下伏灰岩。根据现场测试，黏土波速取值为150m/s，灰岩波速取值为500m/s，根据公式（1）~公式（3），计算得到模型的动力学参数见表1。

   公式（1）

       公式（2）

        公式（3）

式中  Vp为纵波波速，Vs为横波波速，VR为瑞雷波波速，ρ为密度，E为弹性模量，G为剪切模量，μ为泊松比，λ为拉梅系数。

表1 模型动力学参数表

1.3模型边界

模型的边界采用FLAC3D内置的自由边界，它在模型的切向和法向设置自由的阻尼器，吸收传播过来的入射波。该边界条件对入射角较小的波有很强的吸收能力，完全吸收入射角大于30°的入射波。另外，本模型尺寸规避了波自边界处反射后对检波处的影响。

1.4震源

运用瞬态瑞雷面波法检测时，锤击是目前较为常用的震源激发方式。通过该方式可产生多重地震波，包括雷克子波、高阶一阶子波和余弦子波，而雷克子波占据主要成分。本模型采用雷克子波作为震源，其数学表达式为见公式（4），波形见图1。

   公式（4）

式中  F为振幅，A为最大振幅，f为中心频率，t为时长，t0为初始时间。

图1 雷克子波波形

2 不同地质条件下的瞬态瑞雷面波检测正演分析

2.1不同覆盖层厚度的影响

建立覆盖层厚度为1~20m，溶洞位于基覆界面以下4m，溶洞直径4m，基覆界面水平的正演模型。再采用SWS反演分析，对比正反演结果，得到瞬态瑞雷面波法对溶洞的检测效果。

图2 模型示意图

计算得到不同检波器的波形图见图3。当覆盖层厚度为4m时，空洞处反射的波形振幅较大，能与其他杂波明显区分；当覆盖层厚度为8ｍ时，空洞处反射的波形振幅较小，当仍能与其他杂波区分辨别，而当覆盖层厚度为12ｍ时，空洞处反射的波形振幅已经衰减到很小，基本已经无法从杂波中辨识出来。

（a）覆盖层厚4m    （c）覆盖层厚12m

图3 检波器波形图

采用SWS系统解译得到频散特征信号图，见图4，图中频散曲线出现＂之＂字形折拐的位置为空洞所在位置。从图中可以看出，覆盖层厚度为4m时，频散曲线有明显的转折，反应了溶洞情况。覆盖层厚度为12m时，频散曲线无明显的转折变化，未检测到溶洞情况。

（a）覆盖层厚4m    （c）覆盖层厚12m

图4 岩溶空洞散射特征信号图

覆盖层厚0~5m深度范围内，采用瑞雷面波法勘探出的空洞位置与空洞实际位置较为接近，探测结果比较准确；当覆盖层厚度在5m~10m深度范围内，采用瑞雷面波法能探测到地下空洞的存在，但空洞位置低于实际位置，不能准确探测空洞深度；当覆盖层深度大于10m时，瑞雷面波法不能准确探测出地下空洞的存在。

图5 不同覆盖层厚度下空洞探测深度与实际深度对比

2.2不同基覆界面形状的影响

建立不同基覆界面形状及产状，覆盖层厚度4m，溶洞位于基覆界面以下4m，溶洞直径4m条件下的模型。

计算结果见图6。倾角较小时，采用瞬态瑞雷面波法，探测空洞位置较为准确；当倾角小于30°时，可用瞬态瑞雷面波法检测岩溶路基注浆效果。当基覆界面倾角在30°以上时，不能准确探测空洞位置，需要结合钻孔资料对注浆效果进行综合判定。若瞬态瑞雷面波法检测结果与钻探结果偏差较大，则需要综合其他物探方法进行综合分析确定岩溶路基注浆效果。

图6 不同基覆界面产状下空洞探测深度与实际深度对比

2.3不同岩层倾角的影响

灰岩是层状构造的沉积岩，瑞雷波在传播的过程中会在岩层的层面形成反射波，当倾角不同时，反射波的程度及振幅不同。建立粘土覆盖层厚度为2m，基覆界面水平，岩层倾角为0°、11.3°、26.6°、45°、63.4°和71.6°，溶洞位于基覆界面以下4m，溶洞直径4m的正演模型，见图7。

图7 倾斜岩层计算模型图

计算结果见图8。当岩层倾角小于30°时，采用瞬态瑞雷面波法探测出的空洞位置与实际位置较为接近，探测结果比较准确；当岩层倾角大于30°，且随着倾角大小的増加，勘探误差增大，瑞雷面波法不能准确探测到地下空洞的位置，因此在此种情况下，需要结合钻探资料，对该岩溶路基注浆效果进行综合判定。若瑞雷面波勘探与钻探结果相差过大，则需要其他检测方式对注浆效果进行综合判定。

图8 不同岩层倾角下空洞探测深度与实际深度对比

4岩溶注浆路基瞬态瑞雷面波检测效果评价

4.1综合评价体系的确定

采用模糊数学方法，通过建立多层次模糊综合评价体系得到瞬态瑞雷面波法检测岩溶路基注浆效果的影响因素，见图9。

图9 瞬态瑞雷面波法检测岩溶路基注浆效果评价体系

3.2权重确定

引用 Saaty的1-9的标度法来反映指标之间的相对重要性的比较，对指标的相对重要性之比做出判断，定性区分事物的能力可用5个重要程度的属性表示，9个数值即为9个标度。根据主观评估的方式确定某层内指标进行相互比较得到矩阵，即判断矩阵，根据统计结果得到判断矩阵。

对矩阵进行一致性检验，采用一致性比率指标。

         公式（5）

式中 CI为矩阵偏离一致性指标，RI为随机一致性指标。

当CR<0.1时，认为一致性是可接受的。经计算得一致性指标比率小于0.1，因此，组合权重可作为目标的评价权值。

4结论

通过建立有限差分正演模型，再通过SWS反演数据处理，对比反演结果和正演模型，分析不同覆盖层厚度、不同基覆界面倾角、不同岩层倾角下的瞬态瑞雷面波在岩溶路基中的检测效果，得到主要结论如下：

（1）覆盖层的厚度变化对检测结果影响较大，当覆盖层厚度在0~5m时，瑞雷面波勘探结果较为准确；厚度5~10m时，检测结果存在一定误差，仅能对检测结果进行定性分析，当厚度大于10m时则检测效果不明显；

（2）岩层倾角小于30°时，瑞雷面波法检测结果较为准确；当倾角大于30°时，瑞雷面波勘探结果会随着倾角的增大勘探误差增大；

（3）基覆界面形态的改变也会勘探误差有一定影响，当基覆界面形态不规则和界面倾角小于30°时，瑞雷面波法探测结果较为准确，而当倾斜角度大于30°时，探测结果会随着倾角的增大而误差增大。

参 考 文 献

[1] 魏安辉，增德礼. 路基采空区注浆效果检查方法初探[J]. 路基工程，2006，（4）：91-93

[2] 黄真萍，刘振干. 瞬态振动法瑞雷面波采集质量的探讨与分析[J]. 物探与化探. 2005，29（2）

[3] 李春花. 基于ANSYS的瞬态瑞雷面波法地下空洞探测探测参数分析[D]. 西南交通大学硕士论文. 2011年10月

[4] 郑立宁，谢强，任新红，冯治国，赵文. 岩溶路基注浆质量瞬态瑞雷面波法检测数值模拟[J]. 西南交通大学学报. 2011, 46(5): 739-746

[5] 叶唐进. 瞬态瑞雷面波法ANSYS数值模拟中的参数研究[D]. 西南交通大学硕士学位论文. 2012年10月

[6] 张立.层状介质中瑞利面波波场特征分析和反演方法研究[D]. 西南交通大学博士学位论文. 2009年7月

[7]