CN106324661A - 一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，利用天然源地震面波测试技术，获取勘探点地层的面波频散曲线，反演地层垂直方向的横波速度曲线，计算岩层的横波风化波速比值，依据横波风化波速比划分岩层风化带。本发明不打孔、不用爆药放炮，直接测试勘探点位置的天然大地震动信息，经反演计算得到地层横波风化波速比，据此划分岩层风化分带，工作方便、快速，效率高、成本低。

Description

一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法
技术领域
本发明涉及天然源面波测试技术的应用，属于工程勘察领域。
背景技术
天然源面波检测技术已经在勘探工程领域得到广泛的应用，例如中国专利CN105319577A，就公开了一种天然源面波的勘探仪器及其使用方法。《天然源面波勘探技术》，余凯，毋光荣，中国水利电力物探科技信息网2012年学术年会论文集中介绍了该天然源面波的应用情况。《面波勘探技术要点与最新进展》，王振东，物探与化探2006(30)，该文介绍了面波技术的历史和进展。
岩体风化分带是水电水利工程及其它工程进行地质勘察的重要内容，主要是了解岩层垂直方向的全风化、强风化、弱风化、微风化和新鲜岩层的厚度分布情况。常用的方法是地质钻孔，取岩芯并在孔内测试岩层的超声波速度，利用岩层的超声波速度划分岩体风化带。该方法需要先进行地质钻孔，由于地质钻孔需要使用非常笨重的地质钻机，费工费时、成本高，在交通不便的地方，钻机搬运、安装和钻孔需要消耗大量人力、时间，成本费用高，时间长，严重影响工程进度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种岩体风化分带的方法，该方法利用天然源地震面波技术，不打孔、不用爆药放炮，直接测试勘探点位置的天然大地震动信息，经反演计算得到地层横波风化波速比，划分岩层风化分带，工作方便、快速，效率高、成本低。
本发明的基本思路为：利用天然源地震面波测试技术，获取勘探点地层的面波频散曲线，反演地层垂直方向的横波速度曲线，计算岩层的横波风化波速比值，依据横波风化波速比划分岩层风化带。
本发明的技术方案如下：一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，包括以下步骤：
①观测系统布置，观测系统由地震检波器及连接用电缆组成，地震检波器的分布形式包括三角型、圆型和直线型，以勘探点为中心布置自相关的观测系统，观测系统分布图的最大边长应与最大测试深度相近；
②天然源面波现场采集，将步骤①中布置好的地震检波器和电缆接入工程地震仪，工程地震仪的通频带设置为全通，采样间隔不大于0.5毫秒，采样时间不少于4小时；
③面波信号预处理，包括滤波、面波信号相关性分析处理；
④面波频散曲线处理：进行基阶、高阶面波能量分析和频散曲线分析；
⑤地层横波曲线反演：对频散曲线进行横波反演，计算出测深点的横波测深曲线；
⑥计算风化横波比值KWs：按计算每个测深点的风化横波速度比值，Vsi为各测点的横波速度，VsR为新鲜岩体横波速度；
⑦风化分层：根据KWs曲线的形态进行分段，划分风化分带。
所述步骤①中的地震检波器为2.5Hz垂直地震检波器。
所述步骤①中的观测系统为非等间距对称线性观测系统，可以有效观测到测点附近的高频面波，克服了常规天然源面波等间距排列观测系统下的平均效应产生的缺点。
所述步骤②中的工程地震仪为12道以上的工程地震仪。
所述步骤②中采用差分采样，即设置三个不同的采样间隔，可以针对浅部、中层、深层不同频率的要求，更好地接收到各层对应波长的面波，克服了常规天然源面波采集的平均效应。
进一步，所述步骤③中采用分段滤波，确定高频、中频和低频3段基阶面波的分布范围，形成高频、中频和低频3段面波数据，更精确地处理了上、中、下3层的面波信息，克服了一次处理产生平均效应的缺点。
进一步，所述步骤⑤中采用分段傅氏变换，扫描出高频、中频和低频3段的面波谱分布。
所述步骤⑥中，当测试点岩性已知时，按《水电水利工程物探规程》DL/T5010附录A选取对应岩石的横波理论速度值为新鲜岩体横波速度VsR；当测试岩体岩性未知时，取曲线底部的垂直段平均速度值为VsR。
所述步骤⑦中，
当KWs＝1.0时，岩层为新鲜岩体；
当0.8≤KWs＜1.0时，岩层为微风化层；
当0.6≤KWs＜0.8时，岩层为弱风化层；
当0.4≤KWs＜0.6时，岩层为强风化层；
当KWs＜0.4时，岩层为全风化层。
本发明利用天然源地震面波测试技术，获取勘探点地层的面波频散曲线，反演地层垂直方向的横波速度曲线，计算岩层的横波风化波速比值，依据横波风化波速比划分岩层风化带。本发明不打孔、不用爆药放炮，直接测试勘探点位置的天然大地震动信息，经反演计算得到地层横波风化波速比，据此划分岩层风化分带，工作方便、快速，效率高、成本低。
附图说明
图1是本发明的流程示意框图；
图2～4是本发明中地震检波器的布置图(图中黑点代表地震检波器)；
图5为实施例中测试现场布置图；
图6为实施例中非等间距对称线性观测系统图；
图7为风化波速比与风化带的对应表格。
具体实施方式
都戈毕斯(Dogo Bis)水电站位于非洲贝宁境内的韦梅(Ouémé)河上，坝址处大地坐标为北纬7°39′00〃、东经2°28′30″，河床高程49m。水电站处于Dogo森林中，东面距离帕维尼扬(Paouignan)市约30km，距贝宁最大城市科托努(Cotonou)约140km，距贝宁首都波多诺伏(Porto Novo)约120km。
枢纽区河床基岩出露，两岸偶见基岩出露，岩性以花岗岩、花岗片麻岩为主，岩体风化较强烈。地表覆盖砂质粘土。
从勘察区地层分析，本测区地层顺序主要为：砂质粘土层、强风化层、弱、微风化层，地层界面起伏不大。各岩土层密度、弹性波速度等物性参数存在一定差异，即存在波阻抗差异界面差异。波阻抗差异较大的界面主要有砂质粘土-强风化基岩与弱、微风化基岩之间界面。一般情况下，弱-微风化基岩波速大大高于强风化基岩及砂质粘土层波速，其余界面波速差异则较小；断裂发育时，构造破碎带波速一般比周围未破碎的岩石波速低的多，因此，地质上的破碎带往往都是地震上的低速带。因而，该场地具有开展地震面波测试的地球物理前提。
任务要求划分坝轴线岩体风化程度。
测试工作布置:
测线布置：如图4，根据要求，沿坝轴线布置地震勘探剖面2条，分别位于两岸土石坝段。根据现场要求，平行左岸坝轴线布置地震勘探剖面2条，分别位于左岸坝轴线左右各100m处。
测试仪器与技术参数:
(1)仪器设备
A.地震仪
采用重庆奔腾数控技术研究所研制的WZG-24A型浅层地震仪，为信号增强型通用数字工程地震仪，其主要性能指标为：通道数24道，24位A/D转换，采样间隔25～2000μS可选；动态范围144dB、谐波失真度±0.05％，通频带0.1～4000Hz。仪器性能满足本次测试要求。
b.检波器
采用动圈式检波器12个，中心频率为2.5Hz，接收频率范围0.5～120Hz。
(2)现场试验及采集参数的确定
现场进行检波器一致性试验，振幅误差小于5％，相位差小于0.1ms，其性能满足相关规范的要求。
(3)观测系统
如图5所示，天然源面波测试观测系统采用独特的直线型非等间距对称线性观测系统：测线点距为5m，每个测点进行一个天然源排列测试，每个排列12个检波器，检波器排列以测试点为中心，沿测线对称布置，两侧检波点距测试点的距离分别为0.5、1、2、4、6、8m，排列与测点的关系和距离见图5。该观测系统可以有效观测到测点附近的高频面波，克服了常规天然源面波等间距排列观测系统下的平均效应产生的缺点。
(4)天然源面波现场采集
天然源面波采集采用了差分采样技术，设置0.125ms、0.25ms、0.5ms三个不同的采样间隔，分别进行不同时间长度的全排列采集。第一次采样间隔为0.025ms，采样长度5分钟；第二次采样间隔为0.25ms，采样长度10分钟；第3次采样间隔为0.5ms，采样长度15分钟。该观测采样方法可以针对浅部、中层、深层不同频率的要求，更好地接收到各层对应波长的面波，克服了常规天然源面波采集的平均效应。
(5)天然源面波数据预处理
天然源面波数据预处理采用分段滤波技术，将每个测点对应排列的3次采集数据分别进行能量分析，确定高频、中频和低频3段基阶面波的分布范围，采用平行四边形滤波法滤3次采集数据的体波和声波，形成高频、中频和低频3段面波数据。该预处理方法更精确地处理了上、中、下3层的面波信息，克服了一次处理产生平均效应的缺点。
(6)面波频率扫描和面波速度计算
天然源面波反演采用分段傅氏变换技术，将每个测点对应排列的3次采集数据分别进行傅里叶变换，分别扫描出高频、中频和低频3段的面波谱分布，扫描时上段使用5～8道、中段使用4～10道、下段使用1～12道的处理后信号，计算各谱段的波长、速度。计算各谱段的面波速度，绘制该测点的面波速度曲线图。
(7)横波速度计算
现场在岩体露头进行Vs、VR试验测试，得出土层公式为：Vs＝1.05VsR、风化岩层中公式为Vs＝1.36VsR、微风化和新鲜岩层中Vs＝1.42VsR。
岩层风化带划分：
①本区岩层为花网岩，现场测试新鲜花网岩的面波速度Vsi为3000～2900m/s，弱风化层Vsi为2800～2500m/s、强风化层Vsi为2000～1600m/s、全风化层Vsi为1000m/s以下。
②计算风化波速比值：按(Vsi为各测点的横波速度)计算每测深点的风化横波速度比值；
③风化分层：根据Kws曲线的形态进行分段，按图7中的表格内容进行风化分带划分。
根据绘制的各测线风化曲线，采用二层地球物理模型进行解释全风化层(覆盖层)、强风化层(砂层)、弱风化层和微风化和新鲜岩层。

Claims (9)

1.一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①观测系统布置，观测系统由地震检波器及连接用电缆组成，地震检波器的分布形式包括三角型、圆型和直线型，以勘探点为中心布置自相关的观测系统，观测系统分布图的最大边长应与最大测试深度相近；
②天然源面波现场采集，将步骤①中布置好的地震检波器和电缆接入工程地震仪，工程地震仪的通频带设置为全通，采样间隔不大于0.5毫秒，采样时间不少于4小时；
③面波信号预处理，包括滤波、面波信号相关性分析处理；
④面波频散曲线处理：进行基阶、高阶面波能量分析和频散曲线分析；
⑤地层横波曲线反演：对频散曲线进行横波反演，计算出测深点的横波测深曲线；
⑥计算风化横波比值KWs：按计算每个测深点的风化横波速度比值，Vsi为各测点的横波速度，VsR为新鲜岩体横波速度；
⑦风化分层：根据KWs曲线的形态进行分段，划分风化分带。
2.根据权利要求1所述的一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，其特征在于：所述步骤①中的地震检波器为2.5Hz垂直地震检波器。
3.根据权利要求1所述的一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，其特征在于：所述步骤①中的观测系统为非等间距对称线性观测系统。
4.根据权利要求1所述的一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，其特征在于：所述步骤②中采用差分采样。
5.根据权利要求4所述的一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，其特征在于：所述步骤③中采用分段滤波。
6.根据权利要求5所述的一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，其特征在于：所述步骤⑤中采用分段傅氏变换。
7.根据权利要求1所述的一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，其特征在于：所述步骤②中的工程地震仪为12道以上的工程地震仪。
8.根据权利要求1所述的一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，其特征在于：所述步骤⑥中，当测试点岩性已知时，按《水电水利工程物探规程》DL/T5010附录A选取对应岩石的横波理论速度值为新鲜岩体横波速度VsR；
当测试岩体岩性未知时，取曲线底部的垂直段平均速度值为VsR。
9.根据权利要求1所述的一种利用天然源面波进行岩体风化分带的方法，其特征在于：所述步骤⑦中，
KWs＝1.0时，岩层为新鲜岩体；
0.8≤KWs＜1.0时，岩层为微风化层；
0.6≤KWs＜0.8时，岩层为弱风化层；
0.4≤KWs＜0.6时，岩层为强风化层；
KWs＜0.4时，岩层为全风化层。
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