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物探与化探, 2023, 47(1): 257-263 doi: 10.11720/wtyht.2023.1027

生态地质调查

微动B超技术在堤坝隐患检测中的应用

齐娟娟,, 范宏强, 李精伦, 陈子健, 黄筱彤, 张书桐

北京市水电物探研究所,北京 100027

Application of the microtremor B-mode ultrasound technology in detecting the hidden hazards of dams

QI Juan-Juan,, FAN Hong-Qiang, LI Jing-Lun, CHEN Zi-Jian, HUANG Xiao-Tong, ZHANG Shu-Tong

Institute of Geophysical Prospecting of Beijing,Beijing 100027,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2022-01-26   修回日期: 2022-11-28  

Received: 2022-01-26   Revised: 2022-11-28  

作者简介 About authors

齐娟娟(1993-),女,2020年毕业于中国地质大学(北京),硕士研究生,主要从事地震波勘探与检测技术的研究与应用工作。Email:2424057523@qq.com

摘要

为了快速、有效探查堤坝隐患,本文提出了基于线性台阵的微动B超技术。大多数堤坝(土坝)兼顾公路功能,车辆运行产生的震动信号沿堤坝方向传播,基于此,沿着堤坝布设线性台阵,震动传播方向与接收方向一致,为堤坝隐患检测提供了丰富的震源。研究表明,在线性台阵的基础上利用多道采集技术,采集一次可获得多个勘探点数据,提高了野外数据采集效率,避免了震源差异性的影响,提高了横向分辨率以及勘探成果的准确性。将该技术应用于江西九江某堤坝汛前的安全检测,查明该区段存在3处低速隐患,推测为坝基软弱层隐患和堤身介质疏松隐患。实践证明:该技术有效弥补了以往微动勘探效率低、横向分辨率低的不足;并可进行每1 m间距或0.5 m间距的速度扫描,提高了横向分辨率,为堤坝安全治理提供高效、精确指导。

关键词： 堤坝隐患; 微动B超技术; 大坝安全治理

Abstract

To quickly and effectively detect the hidden hazards of dams,this study proposed the microtremor B-mode ultrasound technology based on linear arrays.Most of the (earth) dams also act as highways,and the vibration signals generated from running vehicles propagate along dams.Therefore,this study proposed deploying linear arrays along the dams,with the vibration propagation direction consistent with the signal receiving direction.In this way,abundant vibration sources can be provided for detecting hidden hazards of the dams.The results of this study show that the data on multiple exploration points can be simultaneously acquired using the multi-channel acquisition technique based on linear arrays,thus improving the efficiency of field data acquisition.Moreover,the influence of source differences can be avoided,and the lateral resolution and the accuracy of exploration results can be improved.The technology proposed in this study was applied to the pre-flood safety inspection of a dam in Jiujiang,Jiangxi Province.Three low-velocity hidden hazards were identified in this dam and were presumed to be the weak layers of the dam foundation and the loose media of the dam body.Practices have proved that this technology effectively counteracts the deficiencies (i.e.,low efficiency and lateral resolution) of the previous microtremor exploration.Moreover,this technology allows scanning at a spacing of 1 m or 0.5 m,thus improving the lateral resolution.This study will provide efficient and accurate guidance for dam safety management.

Keywords： hidden hazards of dams; microtremor B-mode ultrasound technology; dam safety management

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本文引用格式

齐娟娟, 范宏强, 李精伦, 陈子健, 黄筱彤, 张书桐. 微动B超技术在堤坝隐患检测中的应用[J]. 物探与化探, 2023, 47(1): 257-263 doi:10.11720/wtyht.2023.1027

QI Juan-Juan, FAN Hong-Qiang, LI Jing-Lun, CHEN Zi-Jian, HUANG Xiao-Tong, ZHANG Shu-Tong. Application of the microtremor B-mode ultrasound technology in detecting the hidden hazards of dams[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(1): 257-263 doi:10.11720/wtyht.2023.1027

0 引言

堤坝隐患在汛期和雨季严重威胁着堤防工程的安全,查明隐患位置及特征,做出准确有效处理,是防洪减灾的重中之重。截止2013年,全国共有水库9.8万座、堤防总长41万多千米[1]。其中有很大一部分是土石坝,因运行时间长存在不同程度的安全隐患,在汛期,堤防经常会发生渗漏、管涌、滑坡、崩塌等险情,严重者则会导致堤防决堤,对人民生命财产安全造成了巨大隐患。

快速有效地探查隐患位置及特征是堤坝加固处理的前提。目前,堤防隐患的探测方法主要有地质钻探、人工探视和地球物理勘探3种。检测过程中为了避免对堤坝造成破坏,一般选择快速、精细和无损的地球物理勘探技术,较常应用的有探地雷达、高密度电阻率法、瑞利面波法、瞬变电磁法、电测深等。Cardarelli[2]应用电阻率层析成像和地震层析成像分析了土石坝的结构特征;葛双成等[3]综合应用高密度电阻率法、探地雷达法、瑞利面波法探测出堤防隐患,查明渗漏原因;姚纪华等[4]采用流场法、自然电场法、高密度电阻率法较准确地获得水库渗漏源、渗流通道等位置信息;探地雷达是利用地下介质的介电性差异来确定地层结构,王万顺等[5]利用该方法查明目的物的位置,但是探地雷达探测深度有限,仅能探查浅表隐患;高密度电阻率法是以岩土导电性能差异为基础、人工施加稳定电流场来研究地下介质中传导电流的分布规律,刘艳秋等[6]利用该方法探查到堤坝存在几处低阻异常区。

微动勘探无需任何人工震源,从天然场的微动信号中提取瑞利面波的频散信息,再对瑞利面波频散曲线进行反演以获得地下介质的速度结构[7-8],具有无损、简便快捷、成本低、适用能力强等优点。近年来,微动勘探技术在城市地下空间地质调查[9]、城市轨道交通勘察[10]、不良地质灾害调查(滑坡、采空区、岩溶、地下孤石等)[11⇓⇓⇓-15]、尾矿坝勘查与安全评价[16]、地层分层和隐伏断裂构造探测[17-18]等方面得到了广泛的应用。程建设等利用微动技术对江西九江的高泉水库进行检测[19],结果表明微动勘探技术能够对水库大坝的隐患进行有效的探测,并对堤坝隐患治理提供精确指导。

本文介绍微动B超技术的工作原理,并进行现场试验,分析微动B超技术的有效性和探测精度。在此基础之上,以GS2000地质B超系统在江西省九江市某堤坝的检测工作为例,介绍微动B超技术的工作方法、数据处理流程,以及应用效果。

1 微动B超技术

1.1 微动技术探测原理

微动是地球表层由自然现象和人类活动引起的各种微小震动的总称,其没有特定的震源[20-21],但在一定的时空范围具有统计稳定性,可用时间和空间上的平稳随机过程描述[9]。微动技术是基于平稳随机过程这一理论,从微动信号中提取瑞利面波的频散曲线,通过对频散曲线反演获得地层的横波速度。对天然场源微动信号进行数据处理,提取面波频散信息主要有频率—波数法(F-K)、空间自相关法(SPAC)和扩展空间自相关法(ESPAC)[22⇓-24]。

1.1.1 频率—波数法

频率—波数法(F-K)是根据最大似然法理论在天然源面波信号中提取瑞利面波的频散—波数功率谱,并用不同中心频率的窄带滤波器提取各个频率成分的面波相速度。天然信号中的主要部分是基阶面波,功率谱中的峰值对应的波数k与基阶波动信号相对应,通过波数坐标(kx,ky)可确定波数矢量k的值,进而可知当频率为f时的相速度vc,再通过频率—波数功率谱的方位角φ0确定某个频率成分面波的传播方向:

vc=2πfk=2πTkx2+ky2
φ0=arctank0xk0y 。

这里将台阵的坐标系设为: y轴的正方向为N 向,x轴的正方向为E 向,(k0x,k0y)是相对坐标原点的波数坐标。由此可确定某个频率成分面波的来波方向。

1.1.2 空间自相关法

空间自相关法最早由Aki提出[22],其假设信号在时间域和空间域是平稳随机序列,通过分析微动信号间的相关性来提取面波频散曲线并推断地下介质横波速度结构。在自由表面上布设圆形(或等边三角形)台阵进行微动信号的采集,对每个台站的波形记录在相同时间段内进行快速傅里叶变换求功率谱和互功率谱:

S(r,θ,ω)=∫-∞+∞R1,2(τ)e-iωτdτ
S(0,ω)=∫-∞+∞R1,1(τ)e-iωτdτ
S(r,ω)=∫-∞+∞R2,2(τ)e-iωτdτ

式中:R1,2=∑u0turt+τ,u0为圆心点选取的波形记录,ur为半径r的圆上选取的波形记录。Sr,θ,ω为圆心台站与半径为r的圆上某一台站的互功率谱,S0,ω为圆心点台站的自功率谱,Sr,ω为半径为r的圆上某一台站的自功率谱。

可由功率谱求取空间自相关函数:

ρ(r,ω)=12π∫02πRe[Sr,θ,ω]S(0,ω)S(R,ω)dθ

接着对所有具有相同间距的台站对组合的相关函数进行方位平均,获得平均后的自相关系数。根据Aki的理论假设,推导出由零阶贝塞尔函数表示的自相关系数:

ρ-(r,f)=J02πfc(f)r 。

式(7)中:r表示两台站之间的距离,f表示频率,c(f)表示频率f对应的瑞利面波相速度,ρ-表示经方位平均后的自相关系数,J0表示第一类零阶贝塞尔函数。

1.1.3 扩展空间自相关法

由于空间自相关法(SPAC)对台阵形状要求较高,在实际工作中往往受场地限制,Ling 和Okada提出了扩展空间自相关法(ESPAC)[23],解决了空间自相关法(SPAC)台阵布置时的限制,适用于任意形状的台阵,同时在低频时分辨率也高于F-K法[24]。空间自相关法是保持圆周半径不变,改变频率;而扩展空间自相关法是保持频率不变,改变半径,计算自相关系数拟合零阶贝塞尔函数,求得自相关系数随距离变化的规律。不同半径下频率为f0的空间自相关系数为:

ρr,f0=J02πf0c(f0)r 。

F-K方法要求检波器数量多,并且对数据的质量要求较高。经过综合分析,本文采用ESPAC方法提取频散曲线。

1.2 微动B超技术

微动勘探常用的台阵形式有圆形台阵、嵌套三角形台阵、L形台阵等,但是一些狭窄的场地(如堤坝),其顶端宽度有限,探测深度往往不能满足要求[25],并且每次布设采集仅能得到一个勘探点的数据,会存在不同时段波的差异性对探测结果的影响、以及探测效率低的问题。再者,堤坝的隐患往往规模较小,需要对其进行高精度检测;同时绝大多数的堤防或堤坝(土坝)兼顾公路功能,车辆经过时在道路上产生的震动沿着堤坝传播。

针对以上问题,本文提出了微动B超技术:基于微动技术,利用直线形台阵沿着堤防或堤坝(土坝)布设,震动的传播方向与台阵方向一致,为检测提供了丰富的震源信号;采用大数据差异化处理,一次采集可获得多个勘探点数据,消除了震源差异性对检测结果的影响,同时提高了检测效率;根据探测深度和检测精度要求,选择0.5 m或1 m道距进行数据采集,有效地提高了横向分辨率,避免因勘探点间距过大而漏检。

如图1所示,假定利用24个检波器进行数据采集,采用10道处理获得1个勘探点频散曲线,1次采集可获得15个勘探点数据,图中红色空心圆为勘探点位置。采集记录是来自同一时间段的信号源,降低了震源差异对介质响应的影响、提高了横向分辨率,同时有效地提升了采集效率。

图1

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图1   一次采集获得多个勘探点数据解释

Fig.1   Interpretation of data from multiple exploration points acquired in one acquisition


2 可行性分析

为了验证微动B超技术的可行性,分析了同一点使用嵌套三角形台阵、圆形台阵、L形台阵以及直线形台阵的频散曲线特征。4种布阵方式如图2所示,其中嵌套三角形台阵最大边长为20 m,直线形台阵道间距为5 m,圆形台阵半径为5 m,L形台阵道间距为5 m,检波器频率为2 Hz,采样间隔为10 ms。

图2

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图2   微动台阵布设方式

Fig.2   Deployment method of microtremor array


采用扩展空间自相关法(ESPAC)对原始数据进行处理。根据ESPAC的原理可知嵌套三角形台阵测得的频散曲线最为可靠,因此将其他形式台阵所得频散曲线与嵌套三角形台阵获得的频散曲线进行了对比。由图3可见,无论何种台阵形式,频散曲线整体收敛,折拐点明显,频散点有斜率和疏密变化,均具备合格曲线的特征。由图3a和 3b可知,不同方向布设直线形台阵所获得的频散曲线速度存在差异,这主要与震源传播方向有关,主要震源方向与直线排列方向的夹角越小,所测得的速度值越接近实际值。直线形台阵与嵌套三角形台阵存在速度差异,但是折拐点或频散点疏密变化之间存在很好的对应关系。对堤坝隐患的检测无需获得准确的速度值,仅需得到速度变化便可查明隐患位置。因此,微动B超技术可以用于对堤坝隐患进行检测。

图3

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图3   不同台阵频散曲线对比

Fig.3   Comparison of dispersion curves of different arrays


3 在堤坝隐患检测中的应用

3.1 试验区概况

以江西省九江某堤坝隐患检测为例。本次试验段为修河主流某区段,长约1 km,堤坝高6~7 m,坝顶宽约7 m,坝顶为混凝土路面。堤身填土主要取自堤内、外两侧地表土,成分以(粉质)黏土、壤土、砂壤土为主,局部夹有薄层粉细砂。堤基主要由第四系全新统冲积层组成,由于长期水流冲刷作用,汛期多处具有堤身渗漏等险情。

3.2 数据采集与处理

微动采集仪器为北京市水电物探研究所自主研发的GS2000地质B超仪,其在智能微动勘探的基础上进一步优化,以车载、拖曳方式进行数据采集,大大缩减了布置台阵的时间。本次微动数据采集采用24个检波器,检波器频率为2 Hz。根据实际情况,采集参数设置遵循以下原则:

1)道间距:根据目标体规模、位置等探测精度和深度的要求,各检波器道间距可设置为0.5 m或1 m,道间距越大测深越大,横向分辨率越低。本次试验采用1 m道距进行数据采集。

2)采样间隔:检测深度较浅时选择1 ms,检测深度较大时选择2 ms。本次试验采用1 ms采集。

3)采集时间:每个排列采集时间为2~5 min,当有重卡车经过或附近有强震动干扰源时,适当增大采集时长以保证频散曲线足够收敛。本次试验区有施工,采集时间为10 min。

4)排列移动距离:单个排列采集完成后,根据测深要求选择合适的处理道数,生成n个勘探点数据,如道间距x m,则排列依次前移n×x m。本次试验依次前移15 m,现场共获得67个排列数据。

资料处理使用北京市水电物探研究所自主编写的“剖面实时处理”软件。该软件创新采用大数据差异化自动计算方法,现场实时获知地层性质;能够自动筛选、提取、计算以获得频散曲线用以绘制剖面;可设置不同的平移窗口获得不同横向分辨率的剖面成果,能够实现每1 m间距或0.5 m间距进行速度扫描、实现精细检测。处理流程如下:

1)根据勘探深度要求确定数据分割参数,深度越大所选道数越多;同时将台站的相对位置写入文件,这里设置10道作为一个勘探点数据,道间距为1 m(图4a);

图4

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图4   GS2000地质B超系统工作流程

Fig.4   Workflow of GS2000 geological ultrasound system


2)采用ESPAC法提取频散曲线(图4b)。为满足频率测深要求设置迭代样点数,迭代样点数越多,频带越宽,有利于提取低频信号。这里迭代样点数设为2 048,频率分析范围为3.42~40 Hz;

3)设置数据路径,程序自动分割文件、提取频散曲线、绘制面波速度(vr)或拟速度(vx)剖面成果图(图4c)。

3.3 检测成果

在修河主流某区段共采集67个排列的微动数据,获得67个微动勘探点数据,长度990 m。24道作为一个排列,常规微动处理利用24道得到一个勘探点数据,获得一条频散曲线,勘探点间距为15 m,所得视横波速度剖面如图5所示,图中白色虚线为坝基位置,大堤高约7 m。速度整体呈现由浅至深逐渐增大趋势,堤坝坝体填筑料瑞利面波速度(vr)介于100~200 m/s,密实度介于松散到稍密,属于软土与中软土。

图5

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图5   常规微动勘探剖面

Fig.5   Conventional microtremor exploration profile


在此基础上对实测堤坝段划分为5个区,进行堤防安全评价:A区,基本无隐患;B区,路面下6~7 m处,vr<170 m/s,为坝基软弱层隐患;C区,路面下有3处低速区,该区段右侧存在30 m宽度的竖向低速带,介质疏松,为堤身隐患;D区,除局部段表层存在低速以外,无具体隐患;E区,竖向低速带说明填筑料密实度较低,为坝体质量隐患。

经查阅险情处理资料,A区和D区曾存在脱坡、堤身渗漏和泡泉群,后经深搅、CSM垂直防渗等加固处理,坝体质量有改善,这与本次检测结果一致。经过对堤坝大范围的普查,查找出B、C、E区存在隐患。

利用微动B超技术对存在隐患的3个区域进行精细处理,根据勘探深度要求,选择10道获得1条频散曲线,每个排列可得到15个勘探点数据,勘探点间距为1 m,勘探深度为20 m。由于篇幅限制,本文仅展示B区排列13~16的精细剖面(图6),排列13~16为4个排列,共得到60个勘探点数据,相比常规微动的处理方法增加了56个勘探点数据,勘探点间距由15 m减小至1 m。

图6

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图6   微动B超剖面(排列13~16)

Fig.6   Microtremor ultrasound profile (arrangement 13~16)


图5中B区在5~7 m深度可见面波速度vr≤170 m/s的低速区,经精细处理可见该低速区是由2条界面起伏不平、不连续的低速条带组成。

相比常规微动处理,对微动数据进行更加精细的处理可有效提高探测精度,查明隐患的具体位置及特征。在利用微动B超技术进行精细处理时,需要根据实际工作要求,采用不同的参数进行处理,才能得到更加理想的结果。

4 结论

1)本文提出基于扩展空间自相关法(ESPAC)在存有直线流微动信号的堤坝上沿着堤坝布设线性排列的微动B超技术,保证了信号源方向与接收方向一致。现场试验结果表明微动B超技术在堤坝隐患检测中行之有效。

2)微动B超技术利用抽道集的方式,一次采集可以获得多个勘探点的数据,提高了野外数据采集的效率,降低了不同时间震源差异对介质响应的影响,可以实现大范围的隐患普查,并可进行每0.5 m间距或1 m间距的速度扫描,探测深度15 m或30 m,实现了堤防隐患的大深度、高精度详查。

3)微动B超技术克服了以往微动采集效率低、横向分辨率低、场地空间受限等问题,为堤防隐患检测提供了精确的技术支持。在存有直线流微动信号的场地均可采用该方法,比如道路的安全检测。

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