多道瞬態(tài)面波在LNG罐區(qū)地基勘察中的應(yīng)用

周榮亮,劉彥華,徐睿知

(江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇 淮安 223001)

1 引 言

近年來(lái)，我國(guó)已建成了多個(gè)大型LNG儲(chǔ)罐[1]，其中油罐是液化天然氣廠的重要建筑，對(duì)火源及安全要求極為嚴(yán)格，運(yùn)用鉆探手段對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)勘察的成本較高，且安全指標(biāo)低[2]。多道瞬態(tài)面波作為淺層地基勘察手段，與傳統(tǒng)地質(zhì)鉆孔、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)相比，具有工程周期短、施工條件簡(jiǎn)單、效果良好的優(yōu)勢(shì)，十分適合此類(lèi)巖土工程地質(zhì)勘察[3-7]。在地表介質(zhì)傳播過(guò)程中，面波攜帶淺部土層的地質(zhì)信息，具有淺部地基勘察的理論基礎(chǔ)，與地震折射波法和反射波法相比，其抗干擾能力較強(qiáng)[8-10]。本文介紹了使用多道瞬態(tài)面波對(duì)兩座有效容積為10 000 m3的LNG儲(chǔ)罐罐體進(jìn)行地基勘察，并探討了多道瞬態(tài)面波在儲(chǔ)罐地質(zhì)勘察中的應(yīng)用，擴(kuò)展了瞬態(tài)面波在巖土工程勘察中的應(yīng)用領(lǐng)域，可作為類(lèi)似工程地基勘察評(píng)價(jià)提供借鑒。

2 多道瞬態(tài)面波工作原理

面波在傳播過(guò)程中，其振幅隨深度衰減，能量基本限制在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，同一波長(zhǎng)瑞雷波的傳播特性反映地質(zhì)介質(zhì)在水平方向的變化情況，不同波長(zhǎng)瑞雷波的傳播特性反映不同深度的地質(zhì)情況[11]。在地面激發(fā)產(chǎn)生一定頻率范圍的面波，再通過(guò)振幅譜分析和相應(yīng)譜分析，把記錄中不同頻率的瑞雷波分離開(kāi)來(lái)，從而獲得瑞雷波頻散曲線，通過(guò)解釋處理，可獲得地層深度與瑞雷波速度的分布[12]。由于瑞雷波的速度較低、能量較強(qiáng)，易于分辨，采用多道瞬態(tài)面波進(jìn)行測(cè)試，不僅在巖土體地質(zhì)特性研究中具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，而且在工程、環(huán)境的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[13]。面波是指在彈性分界面處由于波的干涉而產(chǎn)生，并且沿界面?zhèn)鞑?，波?dòng)現(xiàn)象集中在界面附近的一種彈性波，其具有以下幾種主要特性：①具有頻散特性，即不同頻率的面波具有不同的傳播速度；②傳播過(guò)程中能量集中在一個(gè)波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其穿透深度約為半個(gè)波長(zhǎng)；③面波傳播時(shí)與土層的力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，其傳播速度與剪切波波速基本相近，并且隨土體泊松比的變化不大[14-17]。在工程應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)多道瞬態(tài)面波法采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。得到不同測(cè)點(diǎn)的頻散曲線，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可以得到場(chǎng)地的面波速度結(jié)構(gòu)剖面，繼而判斷場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層特性與各地層厚度[18-20]。

3 工程實(shí)例

3.1 場(chǎng)地地質(zhì)概況和地球物理?xiàng)l件

表1 主要分巖土介質(zhì)的物性參數(shù)

根據(jù)本場(chǎng)地地球物理特征和場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件，為研究?jī)?chǔ)罐區(qū)地基沉降原因，布設(shè)13個(gè)多道瞬態(tài)面波測(cè)點(diǎn)，3條剖面線。測(cè)點(diǎn)沿著罐區(qū)周?chē)M(jìn)行布置，罐區(qū)地面平整，可以不考慮地形的因素，測(cè)點(diǎn)布置圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)點(diǎn)測(cè)線平面布置Fig.1 Layout plan of measuring points and lines

3.2 野外數(shù)據(jù)采集

本次瑞雷面波勘探采用北京水電物探研究所研發(fā)的SWS-6地震勘探系統(tǒng)，震源采用63.5 kg標(biāo)貫錘作為震源，激震板為30 cm×30 cm金屬板，檢波器為重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的低頻面波檢波器，其固有頻率為4 Hz。本次設(shè)計(jì)勘探深度為20 m，野外工作參數(shù)設(shè)定如下：記錄道24道，道間距1～2 m，偏移距5～15 m，采樣間隔0.5 ms，記錄長(zhǎng)度2 048 ms。

4 資料處理與成果分析

4.1 資料處理

瞬態(tài)面波法通過(guò)人工震源激發(fā)，產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞雷面波，再通過(guò)SWS處理軟件把記錄中不同頻率的瑞雷面波分離出來(lái)，從而得到一條稱為“頻散曲線”的VR～f曲線，然后根據(jù)VR～f曲線的結(jié)果進(jìn)行反演計(jì)算，求取各巖土層的厚度及速度等。根據(jù)對(duì)BZK06號(hào)鉆孔瞬態(tài)面波測(cè)試，和已知地層進(jìn)行對(duì)比(圖3)。

圖3 BZK06號(hào)鉆孔面波測(cè)試成果解釋圖與鉆孔對(duì)比Fig.3 Interpretations of surface wave test results of BZK06 borehole and comparison of boreholes

表2 地層資料與速度

上覆覆蓋層主要以第四系填土層與洪沖積層，填土層主要在地表表層，深度范圍在0～5 m左右，VS=170～330 m/s，沖洪積層主要以粉質(zhì)黏土為主，VS=200～360 m/s?；鶐r主要為全強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，VS=400～700 m/s。底板深度在5～13 m。表層素填土受持續(xù)低溫影響速度較高，表層速度不均勻。場(chǎng)地基巖面總體呈東低西高，右側(cè)底板深度在12 m左右，左側(cè)底板深度在4 m左右。根據(jù)對(duì)BZK06鉆孔面波測(cè)試進(jìn)行分析，單點(diǎn)成果圖與地層分層基本一致。各單點(diǎn)、測(cè)線成果圖見(jiàn)圖3～圖6。

圖4 1號(hào)剖面擬速度Fig.4 Pseudo velocity diagram of section 1

圖5 2號(hào)剖面擬速度Fig.5 Pseudo velocity diagram of section 2

圖6 3號(hào)剖面擬速度Fig.6 Pseudo velocity diagram of section 3

4.2 平面成果解釋

通過(guò)對(duì)各個(gè)面波點(diǎn)基巖面高程數(shù)據(jù)的分析，形成三條剖面線，使用各基巖面高程在Surfer內(nèi)形成高程等值線圖，可以很直觀地看出整體基巖面為左高右低，右側(cè)基巖面埋深在12 m左右，左側(cè)基巖面埋深在4 m左右，基巖面埋深等值線圖見(jiàn)圖7。綜上所述，可以得出該罐區(qū)沉降原因是由于基巖面不平整，罐區(qū)整體向左傾斜。

圖7 基巖面埋深等值線Fig.7 Contour map of bedrock surface buried depth

5 結(jié) 論

通過(guò)此次工程勘察，可以肯定多道瞬態(tài)面波勘探尋找基巖界面與軟弱夾層的依據(jù)是合理和可靠的。對(duì)此次方法測(cè)試總結(jié)了以下三點(diǎn)問(wèn)題：

1)通過(guò)面波點(diǎn)，到剖面線，再到整個(gè)平面，它能準(zhǔn)確地反映和區(qū)分地下不同巖土層的界面，更有效地達(dá)到勘察目的，并且為勘察提供重要的依據(jù)。

2)在此次勘察中遇到的凍土問(wèn)題進(jìn)行分析，凍土對(duì)此數(shù)據(jù)的誤差影響不大，得出多道瞬態(tài)面波可以在溫度較低的條件下工作，并能夠采集出有效數(shù)據(jù)。

3)在一些特殊場(chǎng)地條件的工程勘察中，多道瞬態(tài)面波具有工期短，效率高，費(fèi)用低，施工條件簡(jiǎn)單，施工更為安全的優(yōu)勢(shì)。