高密度地震映像在某蓄水湖區(qū)減滲中的應(yīng)用

晉鳳明, 魏定勇, 劉愛友, 孫雪松, 劉 增

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100048)

高密度地震映像在某蓄水湖區(qū)減滲中的應(yīng)用

晉鳳明, 魏定勇, 劉愛友, 孫雪松, 劉 增

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100048)

闡述地震映像技術(shù)的工作原理,結(jié)合測區(qū)的地質(zhì)物探條件,布置開展冰上地震映像物探方法,通過地震映像時(shí)間剖面圖分析認(rèn)為,測區(qū)滲漏應(yīng)為垂直滲漏,并對(duì)可能滲漏區(qū)進(jìn)行劃分。

高密度地震映像;同相軸;淤泥

該湖區(qū)位于北京市西直門外,是一處以水上景色為主要游覽內(nèi)容的公園。近年來北京市水資源嚴(yán)重短缺,致使河湖環(huán)境用水日趨緊張,嚴(yán)重的水資源短缺也造成北京地區(qū)地下水急劇下降,湖區(qū)滲漏量增加,補(bǔ)水量逐年遞增。為維持湖區(qū)的水系景觀,減少水系滲漏量,降低公園的運(yùn)行維護(hù)成本,擬對(duì)湖區(qū)采取必要的減滲措施。

就本次湖底滲漏探測而言,一般認(rèn)為淤泥層及其下伏粘質(zhì)粉土為隔水層,當(dāng)湖底淤泥層(淤泥層和粘質(zhì)粉土層)變薄或缺失時(shí)即可推測為潛在滲漏區(qū)或滲漏區(qū)。因此,本次的物探勘察目的就是查明湖區(qū)淤泥的分布情況,重點(diǎn)標(biāo)記淤泥缺失區(qū)域和范圍,為工程防滲處理提供依據(jù)。

根據(jù)勘察期湖區(qū)運(yùn)營情況,物探工作僅在大湖范圍內(nèi)開展。

1 地質(zhì)條件及物探方法選取

本蓄水湖區(qū)位于永定河沖積扇中部,其內(nèi)部大湖系天然形成,在大湖東北側(cè)有南長河流過,而位于湖南側(cè)的雙紫渠在大湖東側(cè)匯入南長河中。

2010年11月,湖區(qū)水深多為0.5～1.7 m,大湖西北側(cè)局部超過2.3 m,南、北小湖水較淺,一般在0.5～1.1 m。

根據(jù)調(diào)查資料顯示,工作區(qū)地表以下20 m深度范圍內(nèi)自上而下主要地層為:①人工堆積層,巖性為淤泥(湖堤該層缺失);②新近沉積層,巖性為粘質(zhì)粉土及砂質(zhì)粉土或細(xì)砂,厚度2.3～3.0 m;③第四紀(jì)沉積層,巖性為卵礫石,揭露層厚15 m。

從資料來看,本蓄水湖湖區(qū)地層分層明顯,且地層簡單,各分層之間有密度和縱波波速差異,可開展地震類物探方法。

另外,勘察工期要求為2010年12月之內(nèi)完成,當(dāng)時(shí)正值湖區(qū)結(jié)冰,冰層厚度約20 cm。

綜合上述條件,為了快速、有效地完成勘察工作,選取了地震映像物探方法。

2 基本原理

高密度地震映像法其原理類似反射波地震勘探,在工作時(shí)一般采用小偏移距、單道接受,探測深度在幾十米范圍內(nèi),分辨率高,但不能獲得速度參數(shù)。該方法在野外采集形式上是以相同的小偏移距逐步移動(dòng)測點(diǎn)接受地震信號(hào),在地面或水面對(duì)地下地層或地下目的物進(jìn)行連續(xù)掃描,利用多種地震波信息來探測地下介質(zhì)變化的淺層地震勘探方法。其前提是地下介質(zhì)密度、速度、泊松比具有差異。其中把波速與介質(zhì)密度的乘積定義為波阻抗,它反映了地震波在介質(zhì)中穿透、反射的能力[1]。當(dāng)入射波從波阻抗Z1的巖層入射到波阻抗Z2的巖層分界面時(shí),反射系數(shù)表述為:

(1)

式中:γ為反射系數(shù);Z1、Z2分別為介質(zhì)I和介質(zhì)Ⅱ的波阻抗;ρ1、ρ2、V1、V2分別表示介質(zhì)I和介質(zhì)Ⅱ的密度和波速;其中Z=ρV。

在工程勘探中,地震映像法采用單道激發(fā)、單道接受,激發(fā)一道后,激發(fā)點(diǎn)S與檢波點(diǎn)R同時(shí)沿著測線移動(dòng)固定點(diǎn)距,再次激發(fā)采集(圖1)[2],最后形成的是共偏移距時(shí)間剖面見圖2。由于在工程中使用的偏移距約0～10 m,所以它是一個(gè)近自激自收的地震時(shí)間剖面,而且實(shí)際測量點(diǎn)是激發(fā)點(diǎn)與檢波點(diǎn)之間的中點(diǎn),因此實(shí)際上此地震時(shí)間剖面反應(yīng)的是該偏移距范圍內(nèi)的地下巖土層及地質(zhì)情況的變化[3]。

地震映像資料以地震映像時(shí)間剖面圖為基礎(chǔ)。地震映像法中,常用反射波作為主要的有效波。對(duì)采集的地震映像時(shí)間剖面進(jìn)行分析,當(dāng)界面水平時(shí),反射點(diǎn)的位置正好在記錄點(diǎn)上,每次激發(fā)的反射波傳播時(shí)間不變,同相軸為直線;當(dāng)界面深度發(fā)生變化時(shí),反射波的傳播時(shí)間會(huì)發(fā)生變化,同相軸相應(yīng)發(fā)生變化;當(dāng)在介質(zhì)中存在局部異常體或斷層的斷點(diǎn)、巖性分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射波,同相軸亦產(chǎn)生變化。

圖1 地震映像法工作原理Fig.1 Working principle of seismic image method注:S1、S2、S3、…Sn均為地震映像法測線上的激發(fā)點(diǎn);R1、R2、R3、…Rn均為地震映像法測線上的每個(gè)激發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的檢波點(diǎn);S1、S2均為相鄰兩個(gè)激發(fā)點(diǎn)之間的距離,稱為道間距;S1、R1均為每個(gè)激發(fā)點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的檢波點(diǎn)之間的距離,稱為偏移距。

圖2 地震時(shí)間剖面圖Fig.2 Profile map of earthquake time

3 工作布置

為查清工程區(qū)內(nèi)淤泥的分布狀況,在現(xiàn)場條件允許的情況下,各測線盡量互相交織成網(wǎng)狀,但開展物探勘測工作時(shí),正值本湖區(qū)冬季滑冰運(yùn)營期,湖區(qū)多處被隔離成滑冰區(qū),為不影響湖區(qū)正常運(yùn)營,物探工作共布置4條測線(圖3)。

圖3 物探工作平面布置Fig.3 Layout of geophysical prospecting work

4 成果分析

通過分析高密度地震映像時(shí)間剖面圖中各波組同相軸能量變化(頻率、斷續(xù)、消失等),可以確定淤泥層的分布范圍及缺失情況。

圖4為WT1號(hào)測線的地震映像剖面圖,該剖面呈東南—西北走向,總長度390 m。通過分析可以看出,該剖面水下部分共有四組完整地震映像同相軸,各同相軸能量較強(qiáng),從上到下頻率逐漸變低,同相軸除個(gè)別位置斷開外,其余部分連續(xù)性較好。這基本反映出地下沒有層位缺失,也就是說地下淤泥層是連續(xù)的,沒有大面積缺失,存在水平滲流通道的可能性較小。

結(jié)合工區(qū)取樣揭露巖性,該剖面可分為三段進(jìn)行具體分析:①該段范圍內(nèi),地震映像同相軸連續(xù)、簡潔明顯,說明水底層位明顯,水與淤泥分層明顯,即水底流塑狀或軟塑狀淤積物較少,淤泥固結(jié)良好;②該段范圍內(nèi),映像同相軸有一定起伏,推斷該段湖底有一定起伏。而在第一組同相軸上方有一組能量較弱的同相軸,推斷為水底流塑狀或軟塑狀淤積物,分布不太均勻;③該段范圍內(nèi),同相軸連續(xù)性好,而在剖面長度368～390 m處,水底地形向下傾,在第一組同相軸上方有一組能量較弱的同相軸,推斷為水底軟塑狀淤積物,分布較均勻。

WT1測線地震映像剖面圖整體說明,測線東南部淤泥固結(jié)良好,西北部有軟塑或流塑狀淤泥,說明固結(jié)稍差,側(cè)面反映測區(qū)東南部可能存在向下滲流,加速了淤泥固結(jié)。

圖4 WT1測線高密度地震映像剖面圖Fig.4 Profile of high-density earthquake image of WT1 measuring line

圖5為WT4號(hào)測線上的地震映像剖面圖,該剖面呈南北走向,總長度239 m。通過分析可以看出,該剖面同WT1號(hào)測線一致,水下部分共有四組完整地震映像同相軸,各同相軸能量較強(qiáng),從上到下頻率逐漸變低,同相軸除個(gè)別位置斷開外,其余部分連續(xù)性較好。同WT1測線一樣,基本反映出地下沒有層位缺失,也就是說地下淤泥層是連續(xù)的,沒有大面積缺失,存在水平滲流通道的可能性較小。

結(jié)合工區(qū)取樣揭露巖性,該剖面可分為兩段進(jìn)行具體分析:①在該段范圍內(nèi),同相軸連續(xù)性好,且基本水平;②在該段范圍內(nèi),映像同相軸有一定起伏,推斷該段湖底界面有一定起伏。整個(gè)剖面在第一組同相軸上方有一組能量較弱的同相軸,推斷為水底流塑狀或軟塑狀淤積物,分布不太均勻。

圖5 WT4測線高密度地震映像剖面圖Fig.5 Profile of high-density earthquake image of WT4 measuring line

另外,工程中還布置了WT2和WT3測線,WT2測線與WT1測線平行,所得成果相似。WT3測線與WT1、WT2測線基本垂直,所得成果圖上映像同相軸也是基本連續(xù),沒有明顯斷開段,從而推斷不存在淤泥嚴(yán)重缺失區(qū)。

通過物探4條測線成果,整體推斷本蓄水湖中大湖區(qū)沒有明顯的淤泥層缺失區(qū),即湖底隔水層存在且連續(xù),存在水平滲流通道的可能性較小。從同相軸能量強(qiáng)弱推斷,本蓄水湖大湖西北側(cè)淤泥固結(jié)性差,而東南側(cè)固結(jié)性好,存在垂直滲流的可能性較大。

5 成果驗(yàn)證

物探成果提交時(shí),正值冬季湖區(qū)結(jié)冰,湖區(qū)開展滑冰運(yùn)營項(xiàng)目。后在第二年春季,劃船項(xiàng)目未開展之前,筆者布置了大量勘探取樣點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)在WT1和WT4測線上的勘探點(diǎn)取樣成果如表1所示。

從取樣結(jié)果可見,在物探測線上的所有取樣點(diǎn)均取到淤泥,雖厚度不等,但并無缺失,這也從側(cè)面反映出物探成果的可靠性。

圖6是根據(jù)探測區(qū)域的物探資料并結(jié)合取樣成果繪制的淤泥厚度等值線圖,圖中顯示,在本蓄水湖大湖西北淤泥層分布較厚,其余區(qū)域分布不均,或薄或厚,厚度區(qū)域?yàn)?.2～1.2 m。

根據(jù)鉆探取樣成果,在本蓄水湖區(qū)淤泥層下分別存在粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粉土兩大類,且基本分區(qū)存在,如圖6中Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū),這與物探地震映像推斷成果基本一致,在砂質(zhì)粉土Ⅱ區(qū),地震映像第一連續(xù)同相軸簡潔明顯,能量強(qiáng),水底層位分層明顯,淤泥固結(jié)良好,存在垂直滲漏可能性大。

圖6 工區(qū)淤泥層厚度等值線平面圖

表1 物探測線上的勘探點(diǎn)取樣結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

通過本次物探勘察成果可以看出,高密度地震映像法在冰層上勘察淤泥層的分布狀況是有效的。通過總結(jié)得出以下認(rèn)識(shí):

(1) 就本工區(qū)而言,地震映像法可根據(jù)同相軸的變化情況判斷淤泥層橫向分布的連續(xù)性,但無法定量給出淤泥層的垂向分布范圍。

(2) 根據(jù)本次探測結(jié)果,大湖湖底淤泥整體呈軟塑狀,局部為流塑狀。湖區(qū)淤泥一般厚度0.3～1.2 m,僅在湖區(qū)邊緣地帶及中部零星分布有淤泥厚度較薄區(qū),即0.2～0.3 m,基本不存在淤泥缺失區(qū)。

(3) 根據(jù)物探推斷及取樣成果分析,本蓄水湖中大湖東側(cè)和南側(cè)淤泥厚度相對(duì)較小,且其下以砂粉、粉砂為主,推測為主要滲漏區(qū)。根據(jù)勘探資料揭露,場區(qū)地下水埋藏較深,20 m深度范圍未揭露地下水,因此推斷測區(qū)以垂直滲漏為主。

[1] 張賡,庹先國,葛寶,等.地震映像法在古河道探測中的應(yīng)用[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,38(1):38-41.

[2] 張向陽,吳文斌.地震映像法在巖溶地基初步勘察中的工程應(yīng)用[J].山西建筑,2015,41(11):74-75.

[3] 單娜琳,程志平.地震映像方法及其應(yīng)用[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2003,23(1):36-40.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

The Application of High Density Seismic Image in the Reduction ofInfiltration in a Water Storage Lake

JIN Fengming, WEI Dingyong, LIU Aiyou, SUN Xuesong, LIU Zeng

(BeijingInstituteofWater,Beijing100048)

This paper introduces the working principle of seismic imaging technology,combining the geological and the geophysical conditions,carries out ice seismic imaging geophysical methods.Through the axis of the seismic wave phase,the authors think that the test area leakage should be vertical leakage and possible leakage areas are divided.

high density seismic image; phase axis; mud

2016-05-16;改回日期:2016-05-25

晉鳳明(1982-),男,高級(jí)工程師,地球物理勘探專業(yè),從事水利水電、巖土工程物探勘探及科研工作。E-mail:13520281817@139.com

P631.4; TV223.4

A

1671-1211(2016)03-0279-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.006

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.020.html 數(shù)字出版日期:2016-05-30 09:37