CN111856551A - 浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法及系统,包括:获取待测区域内的地震波数据;从所述的地震波数据中提取瑞雷波数据;采用相邻道相位差方法计算瑞雷波的频散曲线;基于得到的频散曲线,采用深度‑半波长转换原理得到瑞雷波相速度对应的深度剖面;根据地质任务对剖面进行解释,得到地基加固构件的质量以及地质异常体的强弱。本发明能够较为精确地对地基加固构件(如搅拌桩碎石桩、堤坝防渗墙等)进行质量检测或评价;也能够提高对地下小型地质异常体的横向分辨能力。
Description
技术领域
本发明涉及瑞雷波勘探技术领域,尤其涉及一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法及系 统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
瑞雷波法是近些年兴起的一种浅层勘探方法,由于该方法野外施工工作效率高、浅层能 量强以及受场地影响小,在纵横向分辨率和浅部探测精度上具有较大的优势,因而在浅表层 岩土工程勘察、无损检测等方面应用广泛,在众多工程物探方法中占据着重要的地位。由于 瑞雷波在层状介质中传播具有频散特性,即波速随自身频率变化而变化,且瑞雷波速度与横 波速度具有密切相关性。通过所测得的瑞雷波记录经处理后可计算得出该场地下瑞雷波的频 散曲线Vr(f),根据半波长转换原理可以将Vr(f)转换为Vr(z),速度随着深度变化而变化,进 而可进行有关地下的异常目标体查找等工作。
目前国内外普遍使用F-K变换法提取频散曲线,也有使用线性拉东变换(f-v)方法提取 频散曲线,这两种方法都是使用多道地震记录提取一条频散曲线,对整个排列长度的下方做 了水平方向平均处理,因此,其横向分辨率低,主要用于垂直方向的分层。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法及系统,能够较为精确 地对地基加固构件(如搅拌桩碎石桩、堤坝防渗墙等)进行质量检测或评价,提高对地下小 型地质异常体(孤石、土洞或岩溶等物体)的横向分辨能力。
在一些实施方式中,采用如下技术方案:
一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法,包括:
获取待测区域内的地震波数据;
从所述的地震波数据中提取瑞雷波数据;
采用相邻道相位差方法计算瑞雷波的频散曲线;
基于得到的频散曲线,采用深度-半波长转换原理得到瑞雷波相速度对应的深度剖面;
根据地质任务对剖面进行解释,得到地基加固构件的质量以及地质异常体的强弱。
在另外一些实施方式中,采用如下技术方案:
一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探系统,包括:
用于获取待测区域内的地震波数据的装置;
用于从所述的地震波数据中提取瑞雷波数据的装置;
用于采用相邻道相位差方法计算瑞雷波的频散曲线的装置;
用于基于得到的频散曲线,采用深度-半波长转换原理得到瑞雷波相速度对应的深度剖面 的装置;
用于根据地质任务对剖面进行解释,得到地基加固构件的质量以及地质异常体的强弱的 装置。
在另外一些实施方式中,采用如下技术方案:
一种终端设备,其包括处理器和计算机可读存储介质,处理器用于实现各指令;计算机 可读存储介质用于存储多条指令,所述指令适于由处理器加载并执行上述的浅层横向高分辨 率瑞雷波勘探方法。
在另外一些实施方式中,采用如下技术方案:
一种计算机可读存储介质,其中存储有多条指令,所述指令适于由终端设备的处理器加 载并执行上述的浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明较为精确地对地基加固构件(如搅拌桩碎石桩、堤坝防渗墙等)进行质量检测或 评价;
因为现有的方法是一个排列只能得到一条频散曲线,对应排列的中心位置,它是代表地 面排列长度范围内地下介质的平均情况,地基加固构件横向宽度是远小于排列长度的,所以 现有技术不能对地基加固构件进行精确探测。
而本发明的技术可以用每两个相邻道计算一条频散曲线,它代表这两道之间地下介质的 情况,如果两道之间的距离小于等于地基加固构件横向宽度,就能很好的探测地基加固构件 的质量(速度的大小反映构件质量的好坏)。
同理,本发明也能够提高对地下小型地质异常体的横向分辨能力。
附图说明
图1为本发明实施例中的高速棒状异常(模型一);
图2为本发明实施例中的正演模拟所得的原始地震记录(模型一);
图3为本发明实施例中的变换得到的频散曲线(模型一);
图4为本发明实施例中的奇异值分解法提取的瑞雷波记录(模型一);
图5为本发明实施例中的瑞雷波相速度剖面(模型一,虚线区域为异常体位置);
图6为本发明实施例中的低速棒状异常(模型二);
图7为本发明实施例中的正演模拟所得的原始地震记录(模型二);
图8为本发明实施例中的变换得到的频散曲线(模型二);
图9为本发明实施例中的奇异值分解法提取的瑞雷波记录(模型二);
图10为本发明实施例中的瑞雷波相速度剖面(模型二,虚线区域为异常体位置);
图11为本发明实施例中的两个高速棒状异常(模型三);
图12为本发明实施例中的正演模拟所得的原始地震记录(模型三);
图13为本发明实施例中的变换得到的频散曲线(模型三);
图14为本发明实施例中的奇异值分解法提取的瑞雷波记录(模型三);
图15为本发明实施例中的瑞雷波相速度剖面(模型三,虚线区域为异常体位置);
图16为本发明实施例中的两个低速棒状异常(模型四);
图17为本发明实施例中的正演模拟所得的原始地震记录(模型四);
图18为本发明实施例中的变换得到的频散曲线(模型四);
图19为本发明实施例中的奇异值分解法提取的瑞雷波记录(模型四);
图20为本发明实施例中的瑞雷波相速度剖面(模型四,虚线区域为异常体位置);
图21为本发明实施例中的观测系统布置示意图(检测搅拌桩时);
图22为本发明实施例中的原始地震记录;
图23为本发明实施例中的截取的瑞雷波记录;
图24为本发明实施例中的奇异值分解重构提取的瑞雷波记录;
图25为本发明实施例中的直接截取法瑞雷波速度深度剖面;
图26为本发明实施例中的奇异值分解重构法瑞雷波速度深度剖面;
图27为本发明实施例中的黄河花园口6炮原始地震记录;
图28为本发明实施例中的τ-p变换法提取的瑞雷波记录(黄河花园口);
图29为本发明实施例中的相速度深度剖面(黄河花园口)。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指 明,本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解 的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申 请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图 包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其 指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施例中,公开了一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法,包括以下步骤:
(1)获取待测区域内的地震波数据;
具体地,建立瑞雷波勘探观测系统进行地震波数据采集;
瑞雷波勘探观测系统包括一台浅层地震仪、若干接收地震波垂直振动分量的检波器(它 将地震波引起介质质点的振动速度转换为电压信号)和震源等,沿着地面测量线按照一定的 间距将N个检波器(它与大线连接)垂直插入土中,测线上布置的N个检波器组成的整体称 为排列,相邻两个检波器之间的距离称为道间距,震源点与检波器之间的距离称为偏移距, 通常也特指震源与第1个或震源与最后一个(第N个)检波器之间的距离;
大线指的是:spread cable把各道的检波器组连接到地震仪器的电缆,一般是多芯的轻便 电缆。
震源一般采用几十公斤重的落锤,其上安置一个检波器作为触发器,当落锤着地时触发 器就立刻产生一个电压信号传给地震仪,此时地震仪开始接收经过大线传过来的检波器电压 信号,这种电压信号是由落锤砸地引起的地震波向四周传播(不同的波经过不同的传播路径) 到达检波器产生的,并将这种连续的模拟信号离散化采样转换为数字信息保存到地震仪电脑 的硬盘中,接收到的地震波包含纵波、横波(剪切波)和瑞雷波。
在天然地基岩土中探测小型地质异常体(是天然形成的)和地基加固构件(是人为植入 的)是十分困难的,本实施例方法提高了横向(水平方向)的分辨能力及野外工作效率。
根据地基加固构件的规格设置道间距,选择适当的偏移距在排列的两边各激发一炮数据, 为了保险起见可以做两个及以上偏移距的地震(波)记录;
对于地下(地质)异常体的探测,采用等道间距布置排列,也是在排列的两边各激发一 个或两个炮点,沿着测线移动排列时尽量保证排列有重复地段,当然是重复(重叠)地段越 多越好。
(2)从所述的地震波数据中提取瑞雷波数据;
具体地,可以直接在地震波记录中截取瑞雷波,也可以采用奇异值分解再重构方法。
在地震波记录中瑞雷波的能量是最强的,很容易识别,通过人机交互操作方法将每个接 收道瑞雷波出现的时窗数据截取保留下来,这就是直接在地震波记录中截取瑞雷波。
奇异值分解再重构方法的步骤是:找到最强的瑞雷波同相轴(一般都是倾斜的)波峰值 对应的时间,取其平均值将瑞雷波同相轴校正成水平的,将此时的地震波数据作为源矩阵A, 对其做奇异值分解A=U∑VT,把特征值矩阵∑的主要特征值保留下来,其余的特征值元素充 零,得到矩阵∑′,然后重构回去A′=U∑′VT,再对瑞雷波A′同相轴反校正,这个过程就去掉了 绝大部分体波(纵波、横波),得到的基本上都是瑞雷波。
其中,[V1,V2]是瑞雷波的速度范围(对于瑞雷波来说沿着x方向观察,瑞雷波的视速度 就是其真速度),τ称为截距时间。
(3)采用相邻道相位差方法计算瑞雷波的频散曲线;
具体地,传统的瑞雷波勘探是一个排列提取一条频散曲线;而本实施例中,每相邻两个 接收道得到一条频散曲线,利用N个接收道得到N-1条频散曲线;它们分别代表两道之间地 下的地质情况的综合反映。
接收道指的是:检波器用来接收的地震波信号。本实施例中的两道指的是两个接收道。
通过快速傅里叶变换得到每道瑞雷波记录gk(t)的频谱Gk(f),k=1,2,3,...,N。
Gk(f)=∫gk(t)e-i2πftdt;
利用每个频率对应的实部、虚部值的正负情况确定相位值,然后得到前后两道的相位差, 进而转换为时差,得到频散曲线VR(x,f),此时的速度VR是瑞雷波相速度,x是每两个相邻道 的中心坐标。
第k道的频谱:Gk(f)=∫gk(t)e-j2πftdt=ak(f)+jbk(f);
第k+1道的频谱:Gk+1(f)=∫gk+1(t)e-j2πftdt=ak+1(f)+jbk+1(f);
两道的相位差:Δφk,k+1(f)=φk(f)-φk+1(f)
两道的时差:Δtk,k+1(f)=Δk,k+1(f)/(2π)*T,T=1/f;
(4)基于得到的频散曲线,采用深度-半波长转换原理得到瑞雷波相速度对应的深度剖面;
由VR(x,f)得到VR(x,λ),进而利用半波长理论深度z=λ/2,得到VR(x,z)。
(5)根据地质任务对剖面进行解释,得到地基加固构件的质量以及地质异常体的强弱。
相速度剖面VR(x,z)中速度的大小就代表着地下介质的相对强弱,介质越柔软瑞雷波速度 越小,液体中瑞雷波速度为零;所以对地下孤石、岩溶或土洞、地基加固构件等地下孤立物 体的解释就是根据瑞雷波相速度大小分布形成的影像,地基加固构件一般是均匀的,当整体 中有一部分速度过低时就出现质量问题。
本发明在搅拌桩碎石桩、堤坝防渗墙等地下建筑构件质量检测中,有较好的效果。
为了模拟在地下均匀介质中存在单个棒状低速或高速异常体的情况,选取适当参数并建 立一个均匀介质中存在着一个孤立低速异常体的模型。模型参数为均匀介质中VP1=2000m/s, VS1=400m/s,ρ1=2g/cm3;高速异常体VP2=1000m/s,VS2=200m/s,ρ2=2g/cm3,低速异 常体为一个长10m宽1m的细长长方体,上顶埋深2m,下底埋深12m,横向宽度为1m,如图1所示。正演数值模拟中网格大小为0.5m×0.5m,采样间隔为0.1ms,采样点数为4001, 模型大小为50m×20m。观测系统设置为单个排列布置,双边放炮,偏移距为15米,道间距 0.5米,41道检波器接收,即排列长度为20米,共模拟得到2炮地震记录,使用Z分量的记 录数据,如图2所示。如果在f-k域(或τ-p域)只能提取一条(或有限的几条)频散曲线, 如图3所示,分别是正反两炮得到的半波长转换的相速度深度曲线(也可以称为频散曲线, 纵坐标为深度,负号无意义,是在surfer软件中绘图的需要),从中大概知道某一深度范围 内有一个高速异常体,但在横向的具体位置不能给出。如果对原始地震记录做奇异值分解重 构方法提取面波,如图4所示,然后采用相邻道相位差法计算频散曲线,41道可以得到40 条频散曲线,将其按照半波长转换深度,得到的相速度剖面如图5所示,从图中可以明显算 出异常体的横向位置,但垂向分辨率很低。
模型二是低速异常体的情况,与模型一类似,只是把背景参数与异常体参数互换了一下, 如图6所示。正演数值模拟得到2炮地震记录如图7所示。在f-k域提取的频散曲线,如图8 所示,从中大概知道某一深度范围内有一个低速异常体,但在横向的具体位置不能给出。如 果对原始地震记录做奇异值分解重构方法提取面波,如图9所示,然后采用相邻道相位差法 计算频散曲线,41道可以得到40条频散曲线,将其按照半波长转换深度,得到的相速度剖 面如图10所示,从图中可以明显算出异常体的横向位置,但垂向分辨率很低。
模型三是两个相邻的高速异常体的情况,并排相距4.5米,与模型一类似,如图11所示。 正演数值模拟得到2炮地震记录如图12所示。在f-k域提取的频散曲线,如图13所示,从 中大概知道某一深度范围内有一个低速异常体,但在横向的具体位置不能给出。如果对原始 地震记录做奇异值分解重构方法提取面波,如图14所示,然后采用相邻道相位差法计算频散 曲线,41道可以得到40条频散曲线,将其按照半波长转换深度,得到的相速度剖面如图15 所示,从图中可以明显看出两个异常体的横向位置,但垂向分辨率很低。
模型四是两个相邻的低速异常体的情况,并排相距4.5米,与模型二类似,如图16所示。 正演数值模拟得到2炮地震记录如图17所示。在f-k域提取的频散曲线,如图18所示,从 中大概知道某一深度范围内有一个低速异常体,但在横向的具体位置不能给出。如果对原始 地震记录做奇异值分解重构方法提取面波,如图19所示,然后采用相邻道相位差法计算频散 曲线,41道可以得到40条频散曲线,将其按照半波长转换深度,得到的相速度剖面如图20 所示,从图中可以明显看出两个异常体的横向位置,但垂向分辨率很低。
图22是某地搅拌桩达到7天龄期测得的地震记录,桩径40cm,本次是一次检测5根桩 的质量,所以安插检波器是在每个桩中心及桩周边,并且在两个桩之间也插上检波器,其布 置示意图如图21所示,检波间距的具体分布如表1所示,偏移距为9米。
表1道间距分布情况
道号 | 1-2 | 2-3 | 3-4 | 4-5 | 5-6 | 6-7 | 7-8 |
道间距 | 0.4 | 0.26 | 0.4 | 0.3 | 0.45 | 0.35 | 0.3 |
道号 | 8-9 | 9-10 | 10-11 | 11-12 | 12-13 | 13-14 | 14-15 |
道间距 | 0.3 | 0.3 | 0.25 | 0.25 | 0.4 | 0.37 | 0.38 |
道号 | 15-16 | 16-17 | 17-18 | 18-19 | 19-20 | X | X |
道间距 | 0.34 | 0.32 | 0.35 | 0.28 | 0.2 | X | X |
采用了两种方法提取瑞雷面波,第一种方法是直接在原始记录中截取面波,记录如图23 所示,第二种是采用奇异值分解重构方法提取面波,记录如图24所示,它们对应的瑞雷波速 度剖面分别如图25和图26所示。这两种提取瑞雷面波的方法都能从不同的角度来反映桩身 的质量(强度),同样存在不能准确测出桩长度的问题。
图27是黄河花园口大堤外某处采集的6炮地震记录,当时堤坝外渗水出来,还做了电法 探测工作。面波数据采集工作的观测系统是设计8米偏移距,1米道间距,24道接收,每个 排列正反两个炮点,一共做了3个排列,排列之间重叠一道。采用线性拉东变换(τ-p变换) 方法提取瑞雷面波,如图28所示,然后采用相邻道相位差法计算频散曲线,再用半波长原理 将频散曲线转换为瑞雷波相速度深度剖面,如图29所示,找到了地面两处地下大约22深的 软弱层,与电法的解译结果是吻合的。
实施例二
在一个或多个实施例中,公开了一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探系统,包括:
用于获取待测区域内的地震波数据的装置;
用于从所述的地震波数据中提取瑞雷波数据的装置;
用于采用相邻道相位差方法计算瑞雷波的频散曲线的装置;
用于基于得到的频散曲线,采用深度-半波长转换原理得到瑞雷波相速度对应的深度剖面 的装置;
用于根据地质任务对剖面进行解释,得到地基加固构件的质量以及地质异常体的强弱的 装置。
需要说明的是,上述装置的具体实现方式采用实施例一中公开的方法实现,具体不再赘 述。
实施例三
在一个或多个实施方式中,公开了一种终端设备,包括服务器,所述服务器包括存储器、 处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实 现实施例一中的浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法。为了简洁,在此不再赘述。
应理解,本实施例中,处理器可以是中央处理单元CPU,处理器还可以是其他通用处理 器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC,现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器,并向处理器提供指令和数据、存储器的 一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如,存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中,上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形 式的指令完成。
实施例一中的浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法可以直接体现为硬件处理器执行完成, 或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只 读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质 中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。 为避免重复,这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到,结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤,能够 以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来 执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来 使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限 制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法,其特征在于,包括:
获取待测区域内的地震波数据;
从所述的地震波数据中提取瑞雷波数据;
采用相邻道相位差方法计算瑞雷波的频散曲线;
基于得到的频散曲线,采用深度-半波长转换原理得到瑞雷波相速度对应的深度剖面;
根据地质任务对剖面进行解释,得到地基加固构件的质量以及地质异常体的强弱。
2.如权利要求1所述的一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法,其特征在于,获取待测区域内的地震波数据的方法包括:
建立瑞雷波勘探观测系统进行地震波数据采集;
沿着地面测量线按照设定的间距将N个检波器垂直插入土中;
震源落地时,触发产生电压信号传给地震仪;所述电压信号由震源砸地引起的地震波向四周传播到达检波器产生的;
将连续的模拟电压信号离散化采样转换为数字信号,得到地震波数据。
3.如权利要求1所述的一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法,其特征在于,从所述的地震波数据中提取瑞雷波数据,具体过程包括:
采用直接截取的方法:将每个接收道瑞雷波出现的时窗数据截取保留下来,从而直接在地震波记录中截取瑞雷波。
4.如权利要求1所述的一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法,其特征在于,从所述的地震波数据中提取瑞雷波数据,具体过程包括:
采用奇异值分解再重构的方法:
首先找到最强的瑞雷波同相轴波峰值对应的时间,取其平均值将瑞雷波同相轴校正成水平的,将此时的地震波数据作为源矩阵A;
对源矩阵A做奇异值分解A=U∑VT,把特征值矩阵∑的主要特征值保留下来,其余的特征值元素充零,得到特征值矩阵∑′;
重构回去A′=U∑′VT,再对矩阵A′同相轴反校正,得到瑞雷波。
6.如权利要求1所述的一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法,其特征在于,采用相邻道相位差方法计算瑞雷波的频散曲线的过程,具体包括:
每相邻两接收道得到一条频散曲线,利用N个接收道得到N-1条频散曲线;
通过快速傅里叶变换得到每道瑞雷波记录的频谱;
利用每个频谱对应的实部、虚部值的正负情况确定相位值;
根据前后两道的相位差,进而转换为时差,得到频散曲线VR(x,f),此时的速度VR是瑞雷波相速度,x是每两个相邻道的中心坐标,f为频率。
7.如权利要求1所述的一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法,其特征在于,采用深度-半波长转换原理得到瑞雷波相速度对应的深度剖面的过程具体包括:
根据波长λ与速度V和周期T(频率f)的关系,以及周期T与频率f的关系,由VR(x,f)得到VR(x,λ),进而利用半波长理论深度z=λ/2,得到VR(x,z)。
8.一种浅层横向高分辨率瑞雷波勘探系统,其特征在于,包括:
用于获取待测区域内的地震波数据的装置;
用于从所述的地震波数据中提取瑞雷波数据的装置;
用于采用相邻道相位差方法计算瑞雷波的频散曲线的装置;
用于基于得到的频散曲线,采用深度-半波长转换原理得到瑞雷波相速度对应的深度剖面的装置;
用于根据地质任务对剖面进行解释,得到地基加固构件的质量以及地质异常体的强弱的装置。
9.一种终端设备,其包括处理器和计算机可读存储介质,处理器用于实现各指令;计算机可读存储介质用于存储多条指令,其特征在于,所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法。
10.一种计算机可读存储介质,其中存储有多条指令,其特征在于,所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的浅层横向高分辨率瑞雷波勘探方法。
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