在港口工程建設(shè)中,越來越多的碼頭后方堆場(chǎng)需要開挖山體，將獲取的石料建設(shè)碼頭，又可以獲得較好的后方堆場(chǎng)場(chǎng)地，而這就需要準(zhǔn)確地查明第四系覆蓋層厚度及基巖埋深(或土石界面)，以及巖石風(fēng)化程度情況，以便對(duì)開挖土方以及邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。某項(xiàng)目位于花崗巖地區(qū)，地形及地質(zhì)條件復(fù)雜，采用常規(guī)勘察手段(鉆孔、槽探、釬探及坑探等)工作量大、成本也較高，且工期進(jìn)度難以滿足業(yè)主及設(shè)計(jì)人員要求，為此采取了高密度電法和瞬態(tài)面波法綜合探測(cè)場(chǎng)區(qū)，配合少量的鉆探工作量，對(duì)其場(chǎng)區(qū)地層分層、場(chǎng)區(qū)邊坡的的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行科學(xué)、正確的評(píng)價(jià)。探測(cè)結(jié)果表明上述兩種方法高效率、低成本地解決了工程問題，取得了較好的成果及顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

 

  1工區(qū)地質(zhì)特征 勘探區(qū)域?qū)儆诘蜕角鹆甑孛?，丘陵頂部高?約90m，相對(duì)高度10～80m，臨海側(cè)丘陵坡度陡峭，風(fēng)化較深，局部在40m以上。測(cè)區(qū)山頂也可見多處出露基巖，測(cè)區(qū)的西面為開挖區(qū)，南面靠近公路，西、南面都可見基巖出露。測(cè)區(qū)上部地層為粉土、黏性土、殘積土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等分布，下部為中風(fēng)化花崗巖或強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化花崗巖互層帶。 地震地質(zhì)條件調(diào)查表明,該場(chǎng)地介質(zhì)的波速和電阻率大致如表1所示。 從表1可知：粉土、黏性土、殘積土和花崗巖相互之間存在明顯的波速差異和電阻率差異，具備了面波探測(cè)和高密度電法勘探的地球物理?xiàng)l件。

 

  2高密度電法

 

  2.1方法原理

 

  高密度電法是集電剖面法和電測(cè)探法為一體 的一種地學(xué)層析成像(Geotomography，簡(jiǎn)稱GT)技術(shù)。高密度電法實(shí)際上是集中了多個(gè)深度電剖面和密集電測(cè)深于一體的一種技術(shù)方法。實(shí)行密集采樣來提高采樣率和“多次覆蓋”方法提高信噪比。多次覆蓋是指由不同的電流電極、不同的電位電極以地電斷面上相同的“點(diǎn)”進(jìn)行多次測(cè)量而且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和微機(jī)處理，大大提高了工作效率，并具有速度快、分辨率高、信息量大、便于進(jìn)行反演計(jì)算的特點(diǎn)。

 

  2.2數(shù)據(jù)采集

 

  根據(jù)工區(qū)地形地質(zhì)條件結(jié)合設(shè)計(jì)要求，共布置了30條高密度電法勘探線，布置如圖1所示。探測(cè)儀器采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-3型多功能數(shù)字直流激電儀和WGMD-1高密度測(cè)量系統(tǒng)，用直流電瓶做供電電源,最大供電電壓400V，采樣周期為1s。采用四極測(cè)探裝置進(jìn)行連續(xù)滾動(dòng)掃描測(cè)量，通過對(duì)采集參數(shù)逐項(xiàng)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)資料的效果分析對(duì)比后,確定出資料采集最佳參數(shù)：點(diǎn)距3m，1個(gè)排列電極為60根，排例長(zhǎng)度177m，最大AB/2達(dá)80m。工作時(shí)相鄰2個(gè)排列首尾之間重疊30根電極，以消除測(cè)量盲區(qū)和減小測(cè)量誤差。

 

  從圖2中可以看出，表層4m以上電阻率值為20～300Ω·m，說明風(fēng)化測(cè)區(qū)內(nèi)上覆土層厚度一般在0～6m，在溝谷和坡腳處較深，局部可達(dá)10m。根據(jù)鉆孔資料上覆土層主要為殘坡積含碎石黏土、亞黏土，電阻率值較低，在100Ω·m內(nèi)，山坡地段碎石含量較多的地段電阻率值稍高，可達(dá)到250～300Ω·m。且在全區(qū)范圍內(nèi)差異不大，這與 高密度電法資料反映的結(jié)果相吻合。在山腰部分高密度電法勘探資料比較復(fù)雜，電阻率值變化很大。電阻率值一般為1000～4000Ω·m，3~20m的電阻率的值變化都很大，中間的有的為高阻（4000Ω·m以上），有的一直都是低阻（1000~2000Ω·m），說明該區(qū)域內(nèi)地層斷裂發(fā)育，風(fēng)化極不均勻，存在極大的風(fēng)化深槽。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證：其表層的中風(fēng)化層以上地層厚度都在20m以上；下伏基巖主要有花崗巖，花崗巖電阻率值較高，在3000Ω·m以上，完整花崗巖的電阻率值更高，發(fā)育深度一般在5～20m，局部地段最深達(dá)20m以上。裂隙破碎帶在電阻率等值斷面圖上主要表現(xiàn)為條帶狀低阻異常，而較大規(guī)?；鶐r則為高阻閉合圈。說明存在風(fēng)化槽等不良地質(zhì)現(xiàn)象，花崗巖球形風(fēng)化特征反映明顯。3 瞬態(tài)面波法 3.1方法原理[1-2] 地層表面激發(fā)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)在地層中傳播會(huì)產(chǎn)生面波和體波信號(hào)。通過激發(fā)產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞利面波，在地面沿面波的傳播方向上，以一定的道間距ΔX設(shè)置N個(gè)檢波器，就可以檢測(cè)到面波在(N-1)ΔX長(zhǎng)度范圍內(nèi)的傳播過程。離震源一定距離的2個(gè)相距ΔX接收器，就可接收到瑞利面波的時(shí)域信號(hào)fi(t)，則相鄰道X長(zhǎng)度內(nèi)面波的傳播速度 VR（ω）=2πfi·ΔX/準(zhǔn) （1） 式中：fi為面波的頻率；準(zhǔn)為相鄰檢波器的相位 差。

 

  根據(jù)式(1)，只要知道兩接收器間的距離ΔX和每一頻率的相位差準(zhǔn)，就可以求出每一頻率的相速度VR（ω）。對(duì)于同一測(cè)點(diǎn)，根據(jù)一系列不同頻率fi對(duì)應(yīng)的VRi值，就可以得出一條VR-f曲線，即所謂的頻散曲線。 瑞利面波頻率的f、速度VR、相應(yīng)的波長(zhǎng)λR之間有: λR=VR/f

 

  （2） 根據(jù)彈性波理論，瑞利面波的振幅隨深度呈指數(shù)急劇衰減，能量主要集中在介質(zhì)的自由表面附近,其深度差不多在一個(gè)波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)。由半波長(zhǎng)理論可知，所測(cè)量的瑞利面波平均速度VR可以認(rèn)為是1/2波長(zhǎng)深度處介質(zhì)的平均彈性性質(zhì)，即勘探深度H有: H=λR/2=VR/2f

 

  （3） 根據(jù)式(3)，可把VR-f曲線轉(zhuǎn)換為VR-H曲線，該曲線的變化規(guī)律反映了該點(diǎn)介質(zhì)隨深度的變化 規(guī)律，拐點(diǎn)、突變點(diǎn)等特征點(diǎn)反映了地層地質(zhì)的力學(xué)特征。

 

  3.2 數(shù)據(jù)采集 根據(jù)工區(qū)地形地質(zhì)條件確定采集測(cè)線分布。對(duì)采集參數(shù)逐項(xiàng)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，確定出資料采集最佳參數(shù)：采集道數(shù)選擇要求測(cè)震儀具有多通道接受端口，本次采用24通道。檢波器型號(hào)為4Hz檢波器，激發(fā)震源采集錘擊震源，探測(cè)土石分界時(shí)，為了避免產(chǎn)生近域效應(yīng)，偏移距為排列長(zhǎng)度L的1/8~1/2，其中排列長(zhǎng)度L為整個(gè)排列檢波器布置的長(zhǎng)度。以免探測(cè)不到較薄的土層，檢波器間距選取0.5m或1m。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行面波數(shù)據(jù)采集時(shí)，采樣點(diǎn)選取采樣點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn)或2048點(diǎn)，信號(hào)采樣率一般選擇為0.20ms。

 

  3.3 資料分析與解釋 面波信號(hào)數(shù)據(jù)分析主要是將面波有效信號(hào)的提取，設(shè)置合理的時(shí)間窗在時(shí)域信號(hào)窗口提取有效面波信號(hào)數(shù)據(jù)；面波頻散曲線的求取，根據(jù)有效面波時(shí)域信號(hào)求取面波基階模態(tài)的頻散曲線，進(jìn)行深度轉(zhuǎn)換，得到深度-波速曲線；利用空間相似性原理進(jìn)行測(cè)點(diǎn)間數(shù)據(jù)插值，得到測(cè)線面波波速云圖；面波頻散曲線的遺傳反演分析，得到面波頻散曲線的反演分層結(jié)果。

 

  在測(cè)區(qū)內(nèi)共布置297多個(gè)面波勘探點(diǎn)，做質(zhì)檢點(diǎn)22個(gè)（靠近鉆孔附近），占勘探點(diǎn)總數(shù)的7.4%，均方相對(duì)誤差為2.72%，利用面波資料和鉆探資料進(jìn)行地質(zhì)分層，效果良好，滿足地質(zhì)勘察要求。圖3為測(cè)區(qū)內(nèi)ZK2鉆孔旁的一個(gè)面波勘探點(diǎn)的解釋成果圖，該點(diǎn)揭露的資料比鉆孔揭露的資料更豐富，在殘積土層，鉆孔資料與面波資料基本吻合，而在風(fēng)化巖地層檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)頻散曲線明顯地分為3層，即2.8～9.0m，9.0～17.8m，＞17.8m。每個(gè)地層中還有一些細(xì)微的地層速度變化。由圖3可見，地震剖面解釋深度和鉆孔深度吻合非常好，相對(duì)誤差不大，說明地震解釋符合該地區(qū)實(shí)際情況，結(jié)果準(zhǔn)確。 結(jié)合鉆孔資料對(duì)比，確定面波速度為350m/s以上，電阻率1000Ω/m以上為基巖。根據(jù)調(diào)整判定速度以及電阻率的標(biāo)準(zhǔn)，確定土石分界的最終結(jié)果。根據(jù)高密度電法和面波的對(duì)比解釋結(jié)果和場(chǎng)區(qū)22個(gè)鉆孔的資料，繪制出場(chǎng)區(qū)的基巖等高線圖(圖4)。從圖中可以看出，基巖高程有中間高，四周低之勢(shì)，最低高程為62m，最高高程為86m，基巖高程差大于30m。整個(gè)場(chǎng)區(qū)的覆蓋層和基巖的體積比例為2∶8。根據(jù)該比例計(jì)算工程開挖土方量，從而降低了工程預(yù)算風(fēng)險(xiǎn)。

 

  結(jié)論

 

  1)將高密度電法和瞬態(tài)面波方法獲取的資料 結(jié)合少量鉆孔，進(jìn)行分析解釋，認(rèn)為整個(gè)工區(qū)的地質(zhì)條件不好，局部風(fēng)化槽很深，對(duì)該區(qū)進(jìn)行開挖時(shí)，注意風(fēng)化槽形成邊坡的保護(hù)；巖石完整性 好，開挖的基巖是良好的回填材料。

 

  2）高密度電法和面波技術(shù)在基巖埋深及覆蓋層厚度勘探和地層劃分上與常規(guī)地震折射波法和反射波法以及鉆探相比，具有準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、有效等明顯的優(yōu)勢(shì)，因此在工程地質(zhì)勘察中，可充分利用其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提高工作效率、縮短工作周期、降低費(fèi)用，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相互補(bǔ)充。具有很好的應(yīng)用前景及推廣應(yīng)用價(jià)值。

 

  3）高密度電法和面波的布線以及施工要注意結(jié)合地形地貌特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，否則會(huì)影響使用效果，這就要求野外實(shí)際觀測(cè)方法須進(jìn)一步的改進(jìn)、提高。