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【摘要】針對目前勘察水電工程所處復(fù)雜地質(zhì)條件的技術(shù)缺陷，本文分析了被動(dòng)源面波法應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用原理，并提出了實(shí)踐應(yīng)用的方法策略，其目的是為相關(guān)建設(shè)人員提供一些理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】水電工程勘察；被動(dòng)源面波法；頻散曲線反演；SPAC法

引言

市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，水電工程的施工建設(shè)環(huán)境日趨惡劣，其中影響最為嚴(yán)重的因素，地質(zhì)條件，直接決定了工程建設(shè)使用的安全穩(wěn)定性?；诖?，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)將現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)充分利用起來，即加大被動(dòng)源面波法的應(yīng)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(fù)雜地質(zhì)地形條件對水電工程影響的關(guān)鍵技術(shù)，研究人員應(yīng)將其作為重點(diǎn)研究對象，以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水電工程建設(shè)使用的安全性及耐久性需求。

1研究被動(dòng)源面波法應(yīng)用于水電工程勘察的現(xiàn)實(shí)意義

現(xiàn)階段，水電工程建設(shè)規(guī)模與涉及地質(zhì)條件的復(fù)雜性不斷擴(kuò)大與增加，大幅度增加了施工建設(shè)的難度。從地質(zhì)角度來看，一些工程項(xiàng)目處在高山峽谷、地形條件特殊復(fù)雜的地區(qū)，這就意味著水電工程施工建設(shè)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(diǎn)。當(dāng)前，為查明水利水電壩址區(qū)域范圍內(nèi)工程所處的地質(zhì)條件，施工技術(shù)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(zhì)勘測工作。而地質(zhì)條件的復(fù)雜性，使得鉆探作業(yè)的順利開展難度大，即鉆機(jī)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(zhǔn)確性。被動(dòng)源面波法作為無需震源，就能夠準(zhǔn)確掌握水電工程所處的地質(zhì)情況的工程勘察方法。其可高效作用于高海拔以及地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，為此，相關(guān)人員應(yīng)加大以地球表面微弱振動(dòng)為測量目標(biāo)的被動(dòng)源面波法的應(yīng)用研究力度，以實(shí)現(xiàn)水電工程建設(shè)使用的可持續(xù)性目標(biāo)[1]。

2水電工程勘察中被動(dòng)源面波法應(yīng)用原理分析

當(dāng)重點(diǎn)采用大于1Hz的信號進(jìn)行嵌布地層探測時(shí)，震源是由人類活動(dòng)產(chǎn)生的，因此，相對于主動(dòng)源，就是被動(dòng)源。具體來說，地球表面時(shí)刻處在一種因自然界和人類活動(dòng)而產(chǎn)生的微弱振動(dòng)中，其振幅為10-4~10-2mm，且頻率大多小于1Hz。其中因機(jī)械設(shè)備運(yùn)行、車輛行駛以及其他生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)而產(chǎn)生的微弱振動(dòng)頻率，通常大于1Hz。這種振動(dòng)是由體波與面波組成的復(fù)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(dòng)幅度與形態(tài)是隨著空間與時(shí)間而表面的，但其在一定范圍內(nèi)仍具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性。這種情況下，科研人員可通過記錄振動(dòng)的垂直分量，從而從中提取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以推斷勘察地質(zhì)地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)。被動(dòng)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(yīng)用的核心原理。在采用SPAC法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先，要將實(shí)測記錄分成若干個(gè)數(shù)據(jù)段，以剔除干擾分析結(jié)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(gè)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(gè)頻率成分，計(jì)算其中心臺(tái)站與圓周上各個(gè)臺(tái)站之間的空間自相關(guān)系數(shù)，從而進(jìn)行方向平均。最后，當(dāng)擬合不同觀測半徑的空間自相關(guān)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(yīng)用可靠性更好[2]。

3水電工程勘察中被動(dòng)源面波法應(yīng)用實(shí)踐

某水電工程位于高原地區(qū)，因地質(zhì)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(nèi)的地層結(jié)構(gòu)，技術(shù)人員設(shè)置了若干條被動(dòng)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(tái)陣觀測系統(tǒng)，如圖1所示。值得注意的是，實(shí)際現(xiàn)場勘察工作中，技術(shù)人員要根據(jù)測線的樁號來確定臺(tái)陣中心點(diǎn)和直線排列中心點(diǎn)位置，即利用鋼尺來測定各檢波點(diǎn)位置。此過程，對于檢波器的安裝，應(yīng)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(jìn)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(yù)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(guān)系數(shù)函數(shù)，來實(shí)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(zhǔn)）}h（ω，準(zhǔn)）d準(zhǔn)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(guān)系曲線表示不同的間距臺(tái)站記錄計(jì)算結(jié)果，可通過擬合頻散曲線，來計(jì)算頻散譜的計(jì)算結(jié)果。此過程，如采用手動(dòng)方式來提取頻散曲線，能夠使數(shù)據(jù)處理人員通過先驗(yàn)信息來獲得更為精確的處理結(jié)果[3]。

（3）在提取頻散曲線后，就能采用遺產(chǎn)算法對其進(jìn)行反演計(jì)算，以獲取測點(diǎn)的橫波速度結(jié)構(gòu)。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(shù)人員要將頻散曲線轉(zhuǎn)換到速度-深度域后的頻散曲線。在完成測線上的測點(diǎn)反演計(jì)算后，就能繪制出測線被動(dòng)源面波法的成果剖面圖.

4結(jié)束語

經(jīng)上述研究證實(shí)，要想實(shí)現(xiàn)被動(dòng)源面波法在水電工程勘察中的應(yīng)用目標(biāo)，需遵循以下技術(shù)要求：

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

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

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

（4）測線被動(dòng)源面波法成果剖面圖的繪制，要將頻散曲線轉(zhuǎn)換到速度-深度域后，來保證技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]吳學(xué)明，王超凡，高才坤，戴國強(qiáng)，王俊，曾憲強(qiáng).被動(dòng)源面波法在水電工程勘察中的應(yīng)用研究[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2016，04：493~500.

[2]黃真萍，朱鵬超，胡艷.主動(dòng)源與被動(dòng)源面波勘探方法對比分析與應(yīng)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(dòng)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(yùn)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2015，06：808~816.

作者:張曉峰 單位:湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院