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物探与化探, 2021, 45(6): 1512-1519 doi: 10.11720/wtyht.2021.0053

工程勘察

微动勘探技术在城市地面沉降检测中的应用研究

徐浩,1,2, 吴小平1, 盛勇2, 廖圣柱2, 贾慧涛2, 徐子桥2

1.中国科学技术大学 地球与空间科学学院,安徽 合肥 230026

2.安徽省地球物理地球化学勘查技术院,安徽 合肥 230022

Application of microtremor survey method in detection of urban land subsidence

XU Hao,1,2, WU Xiao-Ping1, SHENG Yong2, LIAO Sheng-Zhu2, JIA Hui-Tao2, XU Zi-Qiao2

1. School of Earth and Space Sciences,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China

2. Anhui Institute of Geophysical and Geochemical Prospecting Techniques,Hefei 230022,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2021-01-26   修回日期: 2021-09-10  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41874084

Received: 2021-01-26   Revised: 2021-09-10  

作者简介 About authors

徐浩(1985-),男,博士在读,主要从事地球物理及其在水工环地质中的应用、研究工作。Email: xuhao926@mail.ustc.edu.cn

摘要

城市地面沉降极易导致地面裂缝甚至塌陷,引发安全事故。城市环境中,人文干扰强烈,安全、环保要求高,导致传统物探方法无法在城市中有效开展。微动勘探技术是一种无源、高效、环境友好的物探方法,且能够在城市强干扰环境下对地下地质情况进行探测。选取合肥市谢岗小学作为研究场地,重点探究微动方法在地面沉降原因探测方面的适用性和有效性。根据采集到的微动数据,采用F-K法进行频散曲线提取,再进行反演得到地下横波速度结构,进而了解地下地质情况,最后采取钻探进行验证。研究结果表明:微动勘探技术可以有效地探测出地下不密实土体的位置、规模等信息,从而排除沉降区二次事故的发生。

关键词： 微动勘探 ; 城市地面沉降 ; 不密实体 ; 沉降原因 ; F-K法 ; 城市地质

Abstract

Urban land subsidence is liable to induce ground fractures or even collapse,thus causing safety accidents.However,traditional geophysical methods cannot be applied in cities due to the strong human interference and high requirements for safety and environmental protection in the urban environment.The microtremor survey method is a passive,efficient,and environment-friendly geophysical method and it can be used to detect the underground geological conditions in the urban environment with strong interference.Taking Xiegang Primary School in Hefei City as the research site,this paper focuses on the applicability and effectiveness of the microtremor survey method in detecting the causes of land subsidence.Based on the microtremor survey data collected,the dispersion curve was extracted using the F-K method and then the underground shear wave velocity structure was obtained through inversion,thus revealing the underground geological conditions.Finally,verification was conducted through drilling.The results show that the microtremor survey is an effective geophysical method for detecting the information such as the position and scale of underground unconsolidated soil,and thus the secondary accidents in subsidence areas can be eliminated.

Keywords： microtremor survey ; urban land subsidence ; unconsolidated soil ; land subsidence reason ; F-K method ; urban geology

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本文引用格式

徐浩, 吴小平, 盛勇, 廖圣柱, 贾慧涛, 徐子桥. 微动勘探技术在城市地面沉降检测中的应用研究. 物探与化探[J], 2021, 45(6): 1512-1519 doi:10.11720/wtyht.2021.0053

XU Hao, WU Xiao-Ping, SHENG Yong, LIAO Sheng-Zhu, JIA Hui-Tao, XU Zi-Qiao. Application of microtremor survey method in detection of urban land subsidence. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2021, 45(6): 1512-1519 doi:10.11720/wtyht.2021.0053

0 引言

地面沉降是在人类工程经济活动影响下,由于地下水流失,地下土层松散,地层固结压缩,导致地表高程降低的一种局部岩土体的下降运动[1],国内外的很多城市都发生了不同程度地面沉降现象[2,3,4,5,6],导致居民建筑物损毁,引发地裂缝甚至地面塌陷等次生地质灾害,严重威胁着人民生命财产安全[7]。

地下土体的松散程度严重影响其机械波的传播速度[8]。微动勘探技术又叫被动源面波法(passive surface wave method),是面波勘探方法的一种。20世纪五六十年代,Aki[9]和Capon[10]分别用空间自相关法(SPAC法)和频率—波数法(F-K法)从微动信号中分离出面波并提取了面波频散曲线。之后,地震学家们对该方法进行了系统的探索研究[11,12,13,14],使该方法能用来解决实际地质问题。冈田广(Okada)[15]在前人研究的基础上,经过十余年的实践和研究,系统地提出了微动勘探方法,从而使微动方法从理论走向实用。国内的研究者们于20世纪80年代末90年代初引入微动勘探方法[16,17,18],并较早应用在地热资源勘查和浅部工程物探的研究工作之中[19,20,21],由于早期数据处理技术的限制,在岩土工程勘察领域一直应用不多。2010年以后,该方法有了长足的发展,应用领域也得到了进一步的扩展,目前在岩土工程勘察[22,23]、地质灾害[24,25,26]、地热勘查[27,28]、城市地质调查[29,30,31]中均有应用,但应用在地面沉降检测中尚无研究案例。本文利用地下土体的松散程度与机械波传播速度的关系,将微动勘探技术应用于地面沉降原因的检测中,对其应用效果进行研究。

1 微动勘探技术

1.1 基本原理

微动信号是天然源信号的一种,携带有丰富的地下结构信息。信号来源主要有两种:一是人类日常生产生活带来的震动,频率一般大于1 Hz;二是各种自然现象,如河流、海浪、潮汐等,频率一般小于1 Hz。微动信号具有极大的随机性,可以用空间—时间上的平稳随机过程来描述[9]。尽管微动源是随机的,微动信号也是随机的,但由于波的多重反射和折射,微动在传播过程中积累了反映场地介质固有特性的信息。可以利用这种不随时间变化的固有信息,通过对微动信号分析,反演地下介质参数[30]。

微动勘探的具体过程是:根据野外勘探目标,选取适宜的采集系统,包括台站排列形式、台站数等;然后从微动信号中提取出面波频散曲线,面波频散曲线提取的方法有多种,目前最常采用的有空间自相关法和频率—波数法;得到频散曲线后,可以通过反演或者经验公式来计算得到地下视S波速度,从而获得地下土层的构造信息[32]。具体流程如图1所示。

图1

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图1   微动勘探技术原理示意

Fig.1   Schematic diagram of the principle for microtremor survey


1.2 频散曲线提取方法研究

微动数据处理的核心步骤在于频散曲线的提取。在当前,微动勘探面波频散曲线提取方法中最常用的有SPAC法和F-K法两种。由于在城市环境下进行勘探,很难找到有能够满足SPAC处理方法的圆形台阵布设场地,故一般采用直线型台阵较多,处理方法选用F-K更加适用,主要处理流程如图2所示。

图2

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图2   F-K法提取面波频散流程示意

Fig.2   Flow chart of surface wave dispersion extraction by F-K method


根据前人研究,Tokimatsu K等[32]提出了一种高分辨率的频率—波数法,对其进行编程实现,并进行改进——保持其高分辨率特色的基础上拓展其勘探深度范围,搭配不同的观测微动系统,既可以实现浅部精细构造的探测,也可进行深部构造勘探,均取得较满意的效果。具体算法实现过程,即在处理微动数据时,用 Sii(f)·Sjj(f)对互功率谱Sij(f)进行规格化,从而得到高分辨率频率—波数谱P(f,k):

P(f,k)=∑i=1m∑j=1mBi*(f,k)·Bj(f,k)·Sij(f)·exp{i[kx(xi-xj)+ky(yi-yj)]}

其中:(xi,yi)、(xj,yj)分别为第i、j个拾震器的坐标;(kx,ky)为波数k在x、y方向的分量; Bi*为Bi的共轭,

Bi(f,k)=∑j=1mQij(f,k)∑i=1m∑j=1mQij(f,k),

Qij(f,k)为矩阵exp{i[kx(xi-xj)+ky(yi-yj)]}·Sij(f)的逆矩阵。

求出每一个频率f在二维波数kx-ky平面上的高分辨率频率—波数谱,找到谱中的极大值点位置对应的(kx,ky),可以求得对应的波数k,进而求得对应频率的相速度 VR(f)=2πf/k。

对相速度VR(f)进行归一化处理,f-VR域信号的振幅值最大为1[33],然后对f-VR谱上同一频率处不同相速度的振幅值求η次幂,η一般在0.1~0.8之间取值,可根据经验多取几个值相互对比,以达到低频的次峰振幅值得到增强、主峰振幅保持不变、减小了主次峰值的差异的效果,进而低频得到增强。

2 应用案例

合肥市谢岗小学,建成于2005年,教学楼建筑面积2 550 m2,主体部分为5层框架结构,纵向总长39.4 m,横向总宽20.4 m,建筑高度18 m。教学楼自2010年抗震加固以来,使用条件及环境未改变,使用荷载也未发生变化,无改造历史。

自2015年以来,校园内及周边发现地面变形现象,并进行了地面沉降监测,2019年以来地面变形现象尤为明显,学校多个建筑物(围墙、器材室等)出现开裂,操场地面变形尤为严重,周边居民区硬化,路面出现了不同程度的开裂。主教学楼未见明显裂痕,但与其接触的地面部位下沉明显,且墙体局部瓷砖出现裂痕。地面沉降开裂情况如图3所示。

图3

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图3   研究区内沉降开裂情况

Fig.3   Settlement and cracking in the study area


笔者根据现场地面开裂情况,布设了微动勘探剖面,测点分布见图4所示。采集微动数据,主要用于研究引起地面裂缝的地下岩土体的相关信息。

图4

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图4   微动勘探点及验证钻孔分布

Fig.4   Location of microtremor survey and verification boreholes


2.1 微动野外施工及数据处理方法选择

综合考虑探测效果及场地条件限制,本次研究的微动数据采集阵列采用7点直线型排列,即探测点呈-4 m—-2 m—-1 m—0 m—1 m—2 m—4 m对称7点计算。数据采集系统示意图如图5。

图5

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图5   7点直线型微动台阵示意

Fig.5   Schematic diagram of 7-points linear microtremor array


本次微动勘探数据面波频散曲线提取方法采用对排列阵型要求不严苛的F-K法。根据该处理方法,编制了数据处理程序,并对野外采集到的微动数据进行成图、频散曲线提取后得到每个勘探点的频散曲线。如图6所示,为试验中7号剖面12号点的原始数据和频散曲线。

图6

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图6   7号剖面12号点的原始波形(a)及频散曲线(b)

Fig.6   The original waveform (a) and dispersion curve (b) for the 12th point of No.7 profile


2.2 研究区地质概况

研究区地貌单元为江淮波状平原,微地貌为南淝河二级阶地[34]。地质历史时期,因剥蚀堆积形成岗坳相间、垄畈起伏的波状平原,微地貌表现为缓坡地、岗坡地和坡岗地,为研究区内及附近面积最广的主要地貌类型。

从以往的工程地质资料来看,如图7所示,区内地下2 m以浅部分广泛分布杂填土,杂填土的厚度并不均匀,局部地区可达3 m左右;研究区内零星分布粉质黏土层,地下土体不均性较强;根据以往钻孔揭示,强风化岩层面在地下20 m左右。

图7

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图7   研究区工程地质剖面

Fig.7   Engineering geological profile of the study area


研究区地下水类型主要为上层滞水和承压水。其中上层滞水主要赋存于杂填土中,补给来源主要为大气降水、地表水及周边管线渗漏水,地下水排泄方式主要为蒸发、径流,地下水水量、变化幅度受天气影响较大;承压水主要赋存于地下砂质黏土、粉砂和细砂夹中砂中,补给来源主要为侧向补给,水量一般,具承压性。

2.3 探测结果分析

从获得的微动探测剖面来看,7号剖面微动异常较多(图8),且与现场地面裂缝位置重合度较高,下面首先分析微动勘探7号剖面及验证钻孔JZ5的钻遇地层情况。

图8

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图8   微动勘探7号剖面异常图(a)及钻孔JZ5验证实物照片(b)

Fig.8   Contour maps of No.7 profile(a) and physical picture of JZ5 borehole(b)


在微动勘探7号剖面中存在多处低速异常,考虑到对地面构筑物影响,主要考察地下20 m以浅的异常,其中7-2异常在17~18号点之间地下10 m附近,规模不大,厚度约1.5 m左右。

为了验证此异常情况,JZ5号井孔在此打入土层12 m。从该孔钻遇的土层来看(图9),在地下10 m左右存在一中—软塑性黏土层,厚度约2 m左右,与其上下邻近的硬塑黏土层差异明显,故可以验证此处的低速异常。分析5号剖面微动勘探成果(图9),在11号点和12号点地下约22 m处存在一范围很大的低速异常,根据前期收集到的工程地质资料认为此处很难有如此大范围的低速异常,但具体导致原因难以解释。为验证此异常的真实状况,特将研究区的控制钻孔JZ4定在此处,后经钻孔验证,在地下23 m左右钻遇软弱含沙黏土层,在地下25 m处钻遇含水沙层。由此可以推断,在此研究区内,地下20 m以深分布的低速异常都有可能为含水沙层所引起。这个情况是前期收集到的工程地质资料中所没有的,也从另外一个侧面验证了微动勘探应用在浅层勘察中的有效性。

图9

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图9   微动勘探5号剖面异常图(a)及钻孔JZ4验证实物照片(b)

Fig.9   Contour maps of No.5 profile(a) and physical picture of JZ4 borehole(b)


根据微动勘探和钻孔勘察成果综合分析,浅层回填土层对地面影响较大,一方面浅层回填土不够密实,容易在地表径流渗入此层后冲蚀溶解带走部分物质;另一方面,学校周围地下管线渗漏导致较大水量长期渗入地下,引起地下水冲蚀下的不密实体存在,从而导致波速异常,这些在微动剖面上都有反映。

本次勘察钻探工作共布设钻孔9孔,总钻进约107 m,部分钻孔因地面裂缝严重布设,用于验证前期物探异常的钻孔共6孔,计划验证异常8处,实际钻探结果验证异常3处,探测成功率约为37%。

3 结论与展望

通过本次研究,充分肯定了微动勘探技术在城市地面沉降原因探测中的适用性和有效性。微动勘探技术相较于工程开挖及钻探,能够更快速、高效地检测到地下不密实土体,这对于城市地面沉降原因探测无疑是至关重要的。在整个研究过程中,接收的是天然源面波信息,不需要人工震源,安全且对环境友好,同时节省了勘探成本。从钻探验证结果来看,基本验证了微动勘探技术应用于城市地面沉降检测中的有效性。

由于城市地区建筑物密集,一般很难满足二维微动阵型的布阵空间要求,故本次主要对F-K法进行了研究。但理论上说,SPAC及ESPAC的效果更好[24],这也将在以后的研究中进行对比、改进。

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