水电工程勘察中被动源面波法的应用

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【摘要】针对目前勘察水电工程所处复杂地质条件的技术缺陷，本文分析了被动源面波法应用的现实意义与应用原理，并提出了实践应用的方法策略，其目的是为相关建设人员提供一些理论依据。

【关键词】水电工程勘察；被动源面波法；频散曲线反演；SPAC法

引言

市场经济发展进程的不断加快，水电工程的施工建设环境日趋恶劣，其中影响最为严重的因素，地质条件，直接决定了工程建设使用的安全稳定性。基于此，相关建设人员应将现有的科学技术充分利用起来，即加大被动源面波法的应用研究，以将其无需考虑震源影响的作用效果发挥出来。这是降低复杂地质地形条件对水电工程影响的关键技术，研究人员应将其作为重点研究对象，以满足经济发展对水电工程建设使用的安全性及耐久性需求。

1研究被动源面波法应用于水电工程勘察的现实意义

现阶段，水电工程建设规模与涉及地质条件的复杂性不断扩大与增加，大幅度增加了施工建设的难度。从地质角度来看，一些工程项目处在高山峡谷、地形条件特殊复杂的地区，这就意味着水电工程施工建设具有信息资源缺乏、自然环境恶劣以及交通便捷性差等特点。当前，为查明水利水电坝址区域范围内工程所处的地质条件，施工技术人员大多在沿坝址轴线布置钻孔，并采用高密度电阻率法、浅层折射波法以及高频大地电磁测深法，来完成地质勘测工作。而地质条件的复杂性，使得钻探作业的顺利开展难度大，即钻机就位精度不够、钻探周期长以及成本高等问题，均降低了工程勘察的准确性。被动源面波法作为无需震源，就能够准确掌握水电工程所处的地质情况的工程勘察方法。其可高效作用于高海拔以及地质条件复杂的地区，为此，相关人员应加大以地球表面微弱振动为测量目标的被动源面波法的应用研究力度，以实现水电工程建设使用的可持续性目标[1]。

2水电工程勘察中被动源面波法应用原理分析

当重点采用大于1Hz的信号进行嵌布地层探测时，震源是由人类活动产生的，因此，相对于主动源，就是被动源。具体来说，地球表面时刻处在一种因自然界和人类活动而产生的微弱振动中，其振幅为10-4~10-2mm，且频率大多小于1Hz。其中因机械设备运行、车辆行驶以及其他生产建设活动而产生的微弱振动频率，通常大于1Hz。这种振动是由体波与面波组成的复杂状态，且面波能量占总信号能量的70%。研究表明，虽然面波的振动幅度与形态是随着空间与时间而表面的，但其在一定范围内仍具有统计稳定性。这种情况下，科研人员可通过记录振动的垂直分量，从而从中提取相关数据信息，以推断勘察地质地下介质的横波速度结构。被动源面波法主要由数据采集与数据分析处理两部分组成。其中数据处理功能中的提取瑞雷波频散曲线与反演频散曲线，是该方法应用的核心原理。在采用SPAC法进行数据处理时，首先，要将实测记录分成若干个数据段，以剔除干扰分析结果较大的数据段，即采用中心频率不同的窄带滤波器来处理各个数据段，最终成功提取待分析的频率成分。其次，针对各个频率成分，计算其中心台站与圆周上各个台站之间的空间自相关系数，从而进行方向平均。最后，当拟合不同观测半径的空间自相关系数，就能得到频散曲线。目前，使用最多的频散曲线反演方法为遗传算法（GA），其作为一种非线性的全局方法，比传统的最下二乘法应用可靠性更好[2]。

3水电工程勘察中被动源面波法应用实践

某水电工程位于高原地区，因地质条件较差，即地形陡峻、工程区两岸山体雄厚以及峰顶皆为雪山。为勘察出该工程地下100m范围内的地层结构，技术人员设置了若干条被动源面波法测线。

（1）对于数据采集工程，勘察人员采用了三角形台阵观测系统，如图1所示。值得注意的是，实际现场勘察工作中，技术人员要根据测线的桩号来确定台阵中心点和直线排列中心点位置，即利用钢尺来测定各检波点位置。此过程，对于检波器的安装，应通过监视软件，来保证其与地面的紧密耦合，以提高检测的一致性。

（2）在进行观测数据资料处理的过程中，要剔除干扰较大的数据段，以完成数据信息的预处理。该工程剔除的数据资料为水上地震爆炸信号波组。即采用如下公式的空间自相关系数函数，来实现与贝塞尔函数的拟合，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-准）}h（ω，准）d准dθ公式中：g軃（ω，γ）为空间协方差函数的方位平均。由于不同空间自相关系曲线表示不同的间距台站记录计算结果，可通过拟合频散曲线，来计算频散谱的计算结果。此过程，如采用手动方式来提取频散曲线，能够使数据处理人员通过先验信息来获得更为精确的处理结果[3]。

（3）在提取频散曲线后，就能采用遗产算法对其进行反演计算，以获取测点的横波速度结构。而后，通过初始模型，得到地层截面的深度与地层横波的速度。此过程要求，技术人员要将频散曲线转换到速度-深度域后的频散曲线。在完成测线上的测点反演计算后，就能绘制出测线被动源面波法的成果剖面图.

4结束语

经上述研究证实，要想实现被动源面波法在水电工程勘察中的应用目标，需遵循以下技术要求：

（1）需采用SPAC法，来提高被动源面波法处理采集地质数据信息的科学合理性。

（2）可通过建立三角形台阵观测系统，测定各检波点位置，以提高检测的一致性。

（3）对于观测数据信息的计算分析，要采用遗产算法（GA），即利用空间自相关系数公式，得出相速度；利用手动方式，提取频散曲线，从而获得更为精确的处理结果。

（4）测线被动源面波法成果剖面图的绘制，要将频散曲线转换到速度-深度域后，来保证技术应用的准确性。

参考文献

[1]吴学明，王超凡，高才坤，戴国强，王俊，曾宪强.被动源面波法在水电工程勘察中的应用研究[J].物探化探计算技术，2016，04：493~500.

[2]黄真萍，朱鹏超，胡艳.主动源与被动源面波勘探方法对比分析与应用[J].路基工程，2015，01：15~19.

[3]李彦恒，王靖，冯利，王超凡，高峰.被动源面波法和折射层析成像法在深基坑工程勘察中的综合运用[J].工程地球物理学报，2015，06：808~816.

作者:张晓峰 单位:湖南省水利水电勘测设计研究总院