瑞雷面波在基础强夯效果检测中的应用_王桂福.pdf

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1、第 40卷 第 15期 2 0 0 9 年 8月 人民长江 Y a n g t z e R i v e r V o l . 40, N o . 15 A u g . ,2009 收稿日期: 2009-01-12 作者简介: 王桂福, 男, 新疆生产建设兵团农六师水利工程建设管理处处长, 工程师。 文章编号: 1001-4179( 2009) 15-0036-03 瑞雷面波在基础强夯效果检测中的应用 王 桂 福 1 刘 新 文 2 ( 1. 新疆生产建设兵团 农六师, 新疆 五家渠 831300; 2. 山西交通规划勘察设计院, 山西 太原 030001) 摘要: 瑞雷波勘探技术作为一种新兴的岩

2、土原位测试方法, 近年来发展迅速, 特别是瞬态多道瑞雷波勘探技术 出现后, 在工程质量检测中的应用更加广泛。 介绍了瑞雷面波勘探的基本原理, 通过应用实例介绍面波法在强 夯效果检测中的数据采集及处理方法。 应用结果表明: 该方法在水电工程坝基强夯效果的评价中有着广阔的 应用前景。 关键词: 面波;强夯效果评价;坝基; 水电工程 中图分类号:T V698文献标识码:A 近年来, 一些中小型水电站建设设计中, 常采用面板堆石 坝, 为保证堆石坝的稳定及堆石体的沉降符合设计要求, 一般要 对堆石体下部坝基河床覆盖层采用强夯法进行加固处理。 旁压 试验是目前广泛应用于强夯效果检测的方法。 该方法虽然直

3、接 有效, 但往往只能进行小区域范围内的详查, 不能进行大范围的 检测。 瑞雷波法是一种新兴的检测方法, 近年来已在工程检测 中得到了广泛的应用, 并取得了良好的效果。 该方法在强夯坝 基检测中也发挥了重要作用, 利用瑞雷波法可以了解基岩埋深、 强夯影响深度、地基在垂向和水平向的密实均匀性情况, 为设计 提供基本参数与依据 。 1瑞雷波工作原理 瑞雷面波是一种沿介质自由表面传播的弹性波, 其特有的 传播规律反映了传播途径中所涉及介质的弹性参数。 岩土的瑞 雷波传播速度与剪切波速度基本相同。 对于岩石, 二者误差不 超过 8%, 对于土体, 二者也只有 4%左右的差异。 因此, 利用它 们的相关

4、性, 瑞雷波勘探技术作为一种新兴的岩土原位测试方 法, 在近年来得到了迅速的发展。 特别是瞬态多道瑞雷波勘探 技术出现后, 逐渐被应用于越来越多的工程地质问题, 如剪切波 速测试、岩土层的厚度划分、不良地质体探查、地基加固效果评 价等, 显示出该技术有着广泛的应用前景。 多道瞬态面波勘察 不同于常规的物探手段, 它是近几年发展起来的勘察新技术, 可 在垂直和水平方向实现连续测量, 用于地基加固处理效果评价 是一种新的快速可靠的检测手段。 1. 1 瑞雷波与工程质量检测 在自由界面( 如地面) 上进行竖向激振时, 均会在其表面附 近产生瑞雷波, 瑞雷波的 3个主要特征与工程质量检测密切相 关:

5、( 1)在分层介质中, 瑞雷波具有频散特性; ( 2)瑞雷波的波长不同, 穿透深度也不同, 不同波长的瑞雷 波反映不同深度的介质情况; ( 3)瑞雷波传播速度与介质的物理力学性质密切相关。 研究证明, 瑞雷波能量约占整个地震波能量的 2/3, 且主要 集中在地表下一个波长范围内, 而传播速度代表着半个波长 ( r/2)范围内介质震动的平均传播速度。 因此一般认为瑞雷波 法的测试深度为半个波长, 而波长与速度及频率有如下关系: 设 瑞雷波的传播速度为 V r, 频率为 fK, 则波长为 r=Vr/ fK。 可见, 当速度不变时, 频率越低, 测试深度就越大。 瑞雷波检测方法分为瞬态法和稳态法两种

6、。 这两种方法的 区别在于震源不同。 瞬态法是在激震时产生一定频率范围的瑞 雷波, 并以复频波的形式传播; 而稳态法是在激震时产生相对单 一频率的瑞雷波, 并以单一频率波的形式传播。 本次在强夯检 测项目中采用的是瞬态瑞雷波法。 现场数据采集采用纵排列接收瑞雷波。 首先做现场试验, 根据场地情况, 选择合适的工作参数, 如偏移距、道间距、记录长 度、采集间隔等。 1. 2 资料处理方法 瑞雷波法资料处理主要是求取频散曲线。 其处理流程为: 调取瑞雷波数据文件X-V在时间域加窗圈定瑞雷波群 二维傅立叶变换在 F-K拾取瑞雷波信息生成 H-V域频 散曲线瑞雷波分层及层速度计算计算结果存盘或打印。

7、二维傅立叶变换的公式如下: F ( , k R)= 1 2 + - + - f ( t , x ) e - i ( t - kRx )d t d x ( 1) f ( t , x )= + - + - F ( , k R) e i ( t - k Rx )d d k R ( 2) 式中 f ( t , x )为实测的时域信号;F ( , k R)为 f ( t , x )的二维谱; =2f 为信号的圆频率;k R为瑞雷波的波数。 必须指出: 在 X-V时间域对所要处理的瑞雷波群数据进 行加窗提取瑞雷波群之前, 应对反相道进行倒相, 并去掉异常数 第 15期 王桂福等: 瑞雷面波在基础强夯效果检

8、测中的应用 据道。 如果经二维 F-K变换后所拾取的瑞雷波特征峰值曲线出 现不连续、分叉等现象时, 应返回到 X-V时间域加窗重新提取 瑞雷波群。 在 H-V域对所得的瑞雷波视速度深度曲线进行 调整并正演拟合计算 , 直到拟合系数达到满意值为止。 通过将各个面波点对应的频散曲线, 用 1/2波长转化为深 度, 然后将一条剖面上的所有面波点经过地形校正后做成面波 相速度映像图。 2工程实例 某混凝土面板堆石坝坝顶高程 318. 5 m , 最大坝高 90. 5 m 。 根据设计, 其堆石体下部坝基河床覆盖层采用强夯法进行加固 处理, 以保证堆石坝的稳定及堆石体的沉降符合设计要求。 采 用 3 0

9、00 k N m夯击能, 即落距 15 m , 锤重 200 k N , 加固面积 20 000 m 2。 坝址区河床覆盖层为第四系全新统冲积砂砾石地 基, 结构松散, 一般厚 10 13 m, 具强透水性, 河床呈 U字型, 下 伏基岩为志留系砂质页岩、页岩, 一般具微弱透水性。 测区覆盖 层夯前地面起伏不大, 标高为 238. 79 242. 36 m; 夯后地面较 平整, 标高为 240. 8 243. 57m。 2. 1 工作布置 瑞雷波测试工作布置见图 1。 夯前: A线( 长 209 m) 、B线 ( 长 53 m ) 、C线( 长 65 m) ; 夯后在原测线上进行瑞雷波测试。

10、其中 A线位于河床的中间线附近, B 、C 两线布于 A线两端。 图 1某电站坝址区河床覆盖层瑞雷面波测试布置 采用多道( 12道或 24道 ) 采集系统, 可以在时间域中很好 地识别面波成份, 根据弹性波在半无限空间的传播规律, 设计出 最佳面波接受窗口。 面波数据采用 12道采集系统, 道间距 1 m, 每排列偏移距 为 6m和 10m, 接收传感器使用 4 H z 垂直地震检波器。 震源采 用落重方式, 以 50 k g 铁球提升 1 m左右自由锤击地面激发面 波。 2. 2 资料整理与分析 2. 2. 1资料整理 数据信号处理采用频率波数谱分析法, 输入地震记录后, 确 定瑞雷波时域窗

11、口, 经过二维傅立叶变换, 把记录数据由时间 空间域转换到频率波数域, 得到二维振幅谱图像, 在振幅谱图 中拾取面波振幅等值线图的极大值, 根据拾取的极大值求得面 波频散曲线。 在层状介质中, 面波能量的传播深度和它的波长 有关, 波长越长的面波, 它的能量传至地表以下的深度也越大。 面波沿地表传播的速度与面波传播深度内介质的弹性参数有 关, 包括介质的密度、压缩波和剪切波速度, 而主要的影响参数 是介质的剪切波速度。 研究水平地层面波的频散特征, 可以求 得地层内部不同深度的弹性参数, 通过反演分析即可对岩土层 的速度和厚度进行划分。 2. 2. 2资料分析 面波频散曲线是对地层速度结构分层

12、的基础, 若对每个面 波测试点的频散曲线进行分层和层速度计算, 确定各层的厚度, 计算各层的波传播速度, 并对获得结果进行反演拟合处理, 即可 达到定量解释的效果; 同时对同一条测线上的相邻点在垂直方 向上相同的层速度连接起来, 用一系列颜色代表逐渐递增的速 度, 就可得到层速度彩色剖面图, 根据测线上的面波层速度等值 线彩色剖面图, 可作出面波层速度等值线断面图。 ( 1)夯前面波检测成果。 夯前的检测成果主要是划分基岩 面, 并作为夯后检测的评价基础。 面波成果解释以面波等层速 度剖面图和面波层速度等值线断面图为基础, 夯前面波检测成 果见图 2( 为节省篇幅, 这里只展示 A线的一部分)

13、 。 图 2某电站坝址区河床覆盖层瑞雷面波层速度剖面 从面波等层速度剖面图中可看出, 各测线自上而下层速度 逐渐递增, 表层松散, 图中自上至下等值线速度依次为 288、 430、610 m/s 。 较完整的基岩面波速度在 610 m/s 以上, 面波速 度为 430 610 m/s 之间的区域可以认为是基岩风化区或砂砾 石密实度较高。 A线 430 m/s 分界线高程为 234 231 m( 深约 9 12 m, 以本条测线最高高程为准, 下同) ; 610 m/s 分界线高程 为 232 228m( 深约 11 15m) 。 ( 2)夯后面波检测成果。 夯后检测主要是同夯前的测试结 果进行

14、对比分析, 以评价强夯效果。 A线夯后 ( 桩号 62. 75 187. 25m) 面波等层速度剖面图见图 2, 可以发现, 河床覆盖层 上部瑞雷波层速度较夯前有明显提高, 但局部存在不均匀现象。 夯后所反应的基岩线与夯前基本相同, 稍有差异, 不排除是两次 测试误差形成的结果。 图 3A线夯前及夯后部分瑞雷面波频散曲线对比 A线( 桩号 62. 75 187. 25 m) 夯前与夯后的部分频散曲线 见图 3, 这里把夯前、夯后的测试点高程作了统一的校正。 从夯 前、夯后的频散曲线对比图可以看出, 夯后上部面波速度较夯前 37 人民长江2009年 表 1A 线强夯影响深度及夯后面波速度提高率统

15、计 桩段 / m 强夯影响 深度/m 影响段波速 平均值/( m s - 1) 夯前夯后 夯后影响段波 速提高率 /% 最小最大平均 66 777. 018625111. 7047. 4836. 36 78 898. 019115916. 8756. 4837. 74 90 1018. 019417735. 4751. 2243. 20 102 1138. 020417318. 7356. 1135. 08 114 1258. 020716519. 2232. 1927. 32 126 1375. 51862195. 7924. 8418. 02 138 1495. 51862123. 842

16、6. 5514. 66 150 1616. 01781992. 4417. 4711. 93 162 1736. 01722076. 8330. 6621. 36 174 1857. 01852217. 5732. 3419. 97 合计5. 5 8. 01882172. 4456. 1126. 88 表 2夯前与夯后瑞雷面波速度频态分布统计 V r 波速区间/( m s - 1) 夯前频态分布 /%夯后频态分布/% 100-1506. 600. 61 150-20037. 9710. 51 200-25028. 0633. 62 250-30023. 3738. 21 300-3505. 9

17、913. 73 350-4003. 13 400-4500. 09 有明显提高, 至下部, 夯后与夯前曲线趋于重合, 说明强夯只对 上部有影响, 河床覆盖层上部瑞雷波波速在夯后有明显的提高, 强夯的影响深度及面波速度提高率统计见表 1。 对夯前与夯后 河床覆盖层部位( 不含基岩部位) 瑞雷波速进行统计分析表明: 夯前河床覆盖层瑞雷波速 V r为 127 314 m/s , 平均 219 m/s , 夯 后河床覆盖层瑞雷波速V r为 148 405 m/s , 平均 257 m/s 。 夯 前、夯后河床覆盖层瑞雷波速 V r频态分布、频态分布图见表 2, 图 4。 图 4频态分布 3结 语 面波

18、勘探是一种新型的物探方法, 瑞雷波传播速度与介质 的物理力学性质密切相关。 利用面波勘探评价水电工程中的强 夯效果具有分辨率高, 反映明显等优点; 结合干密度、颗粒分析、 原位渗透、旁压测试等可对基础强夯效果做出较好地评价。 参考文献 : 1 朱介寿等. 地震学中的计算方法. 北京: 地质出版社, 1988. 2 陈宏林, 丰继林. 工程地震勘察方法. 北京: 地质出版社, 1998. 3 刘云祯等. 瞬态面波法的数据采集处理及其应用实例. 物探与化 探, 1996, ( 20) .( 编辑: 赵凤超) ( 上接第 17页) 资源浪费、提高水利用率、发展高产优质高效农业, 还有利于降 低农业面

19、源污染物入河量。 4. 2. 3开展水质监测 水质监测工作是中华人民共和国水法赋予水行政主管 部门的重要职责。 监督水功能区水质, 是合理利用和有效保护 全省水资源的重要基础性工作 , 是维护广大人民群众根本利益、 落实科学发展观的基本要求, 对于推进生态省建设, 构建和谐社 会, 实现全省水资源的可持续利用, 具有十分重要的意义。 水行政主管部门开展水质常规监测工作, 能充分发挥水质 监测及评价在维护河流健康中的重要作用。 除重要水功能区 外, 需要增设农村河道监测断面以加强对农村河道水质的监控。 在水质监测的基础上, 通过评价和分析, 可以了解河道水质在整 治前后的变化情况并总结经验教训

20、。 另外, 一旦发现河道水体 出现污染问题, 可及时向有关部门报告, 提出相应的措施和建 议。 4. 2. 4健全采砂制度 为了防止河道采砂中存在的“未批先采、乱采乱弃 ”等严重 影响堤防安全和水生态环境的问题, 水行政主管部门应明晰职 责, 做到全面规划、划定河道砂石开采区和禁采区; 科学评估、确 定可采砂河道的开采方式及开采量和开采深度。 从制定规范程 序、建立采砂制度、健全采砂长效管理机制入手, 通过有序实效 的管理, 做到惩防并举、统筹兼顾, 使河道采砂既不影响生活、生 产和生态用水的需要, 又改善河道水生态面貌; 既维系业主利 益、支持经济社会发展, 又保护河道水环境质量、维护河流生

21、命 健康。 4. 2. 5 强化日常管理 农村河道水环境综合整治既是一项集社会效益、经济效益、 环境效益为一体的社会工程, 又是一项工程量大、涉及面广、情 况复杂的系统工程。 各级水行政主管部门要高度重视河道水环 境整治工作, 以“万里清水河道”建设为契机, 结合“千村示范、 万村整治”和“五整治一提高”工程, 做好河道的日常管理与维 护工作。 通过精心的管理与维护, 实现农村河道水更清、流更 畅、岸更绿、景更美。 具体措施包括: 强化组织领导, 多渠道 解决整治与管理维护的资金; 加强保护河道水环境的宣传, 增强人们的环保意识和水资源保护意识; 建立和完善农村河 道保洁制度, 落实保洁人员,

22、 形成河道长效保洁管理机制; 实 行严格的监督检查制度, 注重对河道水环境的日常维护与保养。 参考文献 : 1 韩玉玲, 应聪慧等. 关于应用植物措施建设生态河道的思考, 见: 华东七省市水利学会协作组第十九次学术年会论文集. 江西: 江 西省水利学会, 2006. 2 应聪慧, 韩玉玲. 浅论植物措施在万里清水河道建设中的应用. 浙 江水利科技, 2005, ( 5) . 3 蒋屏, 董福平, 应聪慧等. 河道生态治理工程人与自然和谐相 处. 北京: 中国水利水电出版社, 2003. 4 董哲仁. 河流形态多样性与生物群落多样性. 水利学报, 2003, ( 11) . 5 廖文根, 彭静, 何少苓. 水环境承载力及其评价指标体系探讨. 中 国水利水电科学研究院学报, 2002, ( 1) : 1-8. 6 袁弘任. 三峡水库纳污能力分析. 中国水利, 2004, ( 20) : 19- 22. 7 许新宜, 杨志峰. 试论生态环境需水量. 中国水利, 2003, ( 3A ) : 12 -15.( 编辑: 常汉生) 38