天然源面波技术在城市规划区场地评价中的应用

doi:10.11720/wtyht.2023.2702

天然源面波技术在城市规划区场地评价中的应用

陈实¹, 金荣杰², 李延清¹, 李崇博¹, 胡尊平¹

1.新疆维吾尔自治区地质调查院,新疆乌鲁木齐 830000

2.北京市水电物探研究所,北京 100027

Application of the natural source surface wave technique to the evaluation of the site of an urban planning area

CHEN Shi¹, JIN Rong-Jie², LI Yan-Qing¹, LI Chong-Bo¹, HU Zun-Ping¹

1. Geological Survey Institute of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumqi 830000,China

2. Beijing Research Institute of Hydropower and Geophysical Surveying,Beijing 100027,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2021-12-28 修回日期: 2022-09-12

基金资助:

新疆地矿局基金项目“新疆兵团第二师三十八团垦区综合资源环境地质调查示范”(XGMB201941)
新疆科技厅自然科学基金项目“基于微动技术的城市地下空间精细化探测体系研究”(2020D01B44)

Received: 2021-12-28 Revised: 2022-09-12

作者简介 About authors

陈实(1992-),男,新疆昌吉人,硕士,2016年毕业于中国地质大学(武汉)地质工程专业,现从事城市地球物理技术应用工作。

摘要

天然源面波技术作为一种快速、无损的地球物理探测技术,利用天然地球震动提取面波等信息,可在复杂城市环境中取得良好的探测效果。本文在城市规划区中引入天然源面波探测工作,通过剖面解释、提取等效剪切波速度及卓越周期两类场地评价参数、三维可视化绘图等技术工作,查明了规划区内地层分布特征,认为规划区内未发育隐伏断裂,场地条件良好。本次成果对类似地区的场地评价工作具有重要的借鉴意义。

关键词： 天然源面波; 城市规划区; 场地评价

Abstract

As a fast and nondestructive geophysical exploration technique,the natural source surface wave technique performs well in exploration in a complex urban environment by extracting surface waves and other information using the natural earth vibration.This study applied this technique in an urban planning area to ascertain the distribution characteristics of the strata in the area through section interpretation,the extraction of site evaluation parameters including equivalent shear wave velocity and predominant period,and 3D visualized plotting.It can be concluded that the planning area has no concealed fault and thus has excellent site conditions.The results of this study can be utilized as an important reference for the site evaluation of similar areas.

Keywords： natural source surface wave; urban planning area; site evaluation

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本文引用格式

陈实, 金荣杰, 李延清, 李崇博, 胡尊平. 天然源面波技术在城市规划区场地评价中的应用[J]. 物探与化探, 2023, 47(1): 264-271 doi:10.11720/wtyht.2023.2702

CHEN Shi, JIN Rong-Jie, LI Yan-Qing, LI Chong-Bo, HU Zun-Ping. Application of the natural source surface wave technique to the evaluation of the site of an urban planning area[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(1): 264-271 doi:10.11720/wtyht.2023.2702

0 引言

据第七次全国人口普查数据报道,我国城市化率为63.89%,距离发达国家70%的城镇化率仍有一定差距。随着我国城市化水平的不断提高,国内大中型城市为解决土地资源紧张的问题,相继在建成区附近规划新区。为查明区内地质条件,保障规划区各类建筑工程的建设、运行安全,需利用地球物理探测技术开展规划区内地质调查工作,地球物理数据成果可为规划区城市地质资源评估提供重要的基础数据。

目前,在城市地质调查工作中,应用效果良好的地球物理探测方法有:天然源面波(微动)技术、高密度电阻率法、浅层反射地震、瞬态面波勘探、地质雷达探测、等值反磁通瞬变电磁及三分量频率谐振技术^[1⇓-3]。其中,天然源面波技术自20世纪80年代末由我国学者王振东等人引入国内后,发展迅速,已在采空区勘查、煤矿陷落柱调查、地下孤石探测、地壳浅部速度结构划分、地热勘查等领域取得了良好的地质调查成果^[4⇓⇓-7]。由于天然源面波技术具有无需人工震源、无损探测、抗干扰能力强、场地条件要求低等优点^[8⇓-10],对城市复杂环境具有较强的适应能力,已为北京、雄安、青岛、济南等城市地质调查项目提供了重要地质技术资料^[11-12]。

城市建设区域可分为建成区、在建区及规划区,不同区域的城市地质调查任务有所不同,规划区地质调查主要以地质资源评价为主。本项目结合实际条件和工作目标,选取天然源面波技术应用于规划区城市地质调查工作中,用以查明区内地下空间地质结构及进行工程地质评价,并总结该技术在城市场地评价中的应用方式,为以后类似区的场地评价工作提供指导。

1 天然源面波技术原理

天然源面波法也称微动法,是从天然微动信号中提取瑞利面波的频散特性,通过对频散曲线反演来推测地下的横波速度结构。在数据采集方面,天然源面波台阵形式中“嵌套式等边三角形”台阵有利于接收不同方向、不同波长的面波信号,数据信息丰富,应用范围最为广泛(图1)。外业工作时,在同心圆中心处放置检波器,其余接收检波器均匀布置在多个半径不同的圆周上,进行数据采集工作。在数据处理方面,天然源面波技术中频散曲线的提取方法主要有空间自相关法(SPAC)、扩展式空间自相关法(ESPAC)和频率—波数(F-K)法^[13],本文选取空间自相关法提取面波频散曲线。对于获取的面波频散曲线,分析曲线的频点分布特征,进行地质分层及地层速度反演工作,利用已知的钻孔及地质先验信息完成剖面的地质解释工作。

图1

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图1 天然源面波台阵测点布设方式

Fig.1 Layout of measuring points of natural source surface wave array

2 应用实例

2.1 工程概况及测线布置

工作区为城市规划区,位于昆仑山、阿尔金山北麓,为典型的山前冲积扇型城市。区内地势平坦,全区被第四系冲洪积物覆盖。区内已有道路、楼房等建筑物,周边以农田为主。后期区内计划建设医院、学校、车站等重要基础设施,为保证规划区各类建筑工程的建设、运行安全,亟需查明区内的地质条件。

在综合分析、系统研究区内外已有的地质、环境、水文资料的基础上,本文共布置5条勘测线、175个测量点(图2)。数据采集仪器为北京水电物探研究所自主研制生产的WD-1型智能天然源面波数据采集系统^[14]。

图2

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图2 天然源面波工作部署

Fig.2 Work deployment of natural source surface wave

2.2 地球物理条件

对于天然源面波,本区的地球物理条件是:表层为第四系冲积层,主要为风积砂、冲洪积砾石层。为总结测区在勘查深度范围内各岩性的地球物理特征,本文在工区南部工程钻孔点做了试验工作(图3、表1)。

图3

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图3 面波场地试验成果

Fig.3 Surface wave field test results

表1 规划区内主要地层波速

Table 1 List of wave velocities of main strata in the planning area

岩性	v_s/(m·s^-1)
砂土层	<400
卵砾石	400~700
风化泥岩	>700

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从图3中可以看出,剖面横波速度整体上处于中高速(≥500 m/s),这反映了含砂砾石层的波速特征。在4号点浅部为黄沙覆盖层,致使表层速度降低。根据测区岩层面波波速的分布情况分析,表层的砂层与其下砾石层的面波视层波速差异较明显,具备开展天然源面波工作的地球物理条件。

2.3 参数试验

2.3.1 台阵规模

针对空间自相关算法,采用“嵌套式等边三角形”法布设全部10道检波器,分别设置台阵的最大边长为24、36、48、64 m这4种边长的三角形台阵,讨论台阵规模与探测深度的关系。试验结果如图4所示。

图4

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图4 不同边长频散曲线

Fig.4 Dispersion curves of different side lengths

在天然源面波技术中,认为曲线明显回折拐点的对应深度值为测点的最大探测深度。对比3条结果曲线分析(表2),当台阵边长为24 m时,最大探测深度为133 m;当台阵边长为36 m时,最大探测深度为145 m;当台阵边长为48 m时,最大探测深度为171 m;当台阵边长为64 m时,最大探测深度为190 m。由此可知,天然源面波法在勘探深度上,随着台阵规模的增大,台阵所能接收的面波信号频率越低,故增大台阵最大边长能有效提高探测深度。

表2 不同边长台阵探测范围

Table 2 Detection range of array with different side lengths

最大边长/m	最大探测深度/m	深度系数
24	133	5.5
36	145	4.0
48	171	3.6
64	190	3.0

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随着最大边长的增大,台阵所能接收的地震波波长越长即频率越低,故增大台阵最大边长能有效提高探测深度。在此,我们定义探测深度系数n,用来表述台阵的深度探测能力,探测深度系数n的计算公式为:

(1)

n = H_{m a x} / L_{m a x}

式中,H_max为频散曲线中可识别的最大探测深度,L_max为台阵最大边长。在本工作区所在区域,台阵的勘探深度为最大边长的3~5倍,其中小台阵深度系数较大。

2.3.2 台阵类型

天然源面波技术可分别布设嵌套式等边三角形、圆形、L形、直线形等多种台阵。为对比不同台阵类型的频散曲线特征,本文选用了嵌套式等边三角形和直线形台阵,对这2种台阵进行天然源面波勘探试验。嵌套式等边三角形台阵最大边长为32 m,直线形台阵道间距为4 m,共布设10个检波器。

从图5的频散曲线可以看出,两种台阵提取的频散曲线在中浅部数值相近,拐点位置基本相同。嵌套式等边三角形台阵纵向分辨率较高,有效探测深度可达150 m,直线形台阵在60 m以下的深部地层分辨率较差,几乎不能有效识别地层界线。

图5

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图5 两种台阵对比试验点频散曲线

Fig.5 Dispersion curve of array comparison test points

试验对比结果表明:在场地条件宽阔、便于布设的情况下,应该首选嵌套式等边三角形。嵌套式三角形台阵相比于直线形台阵,更有利于接收不同方向和不同波长的微动信号,从而缩短数据采集时间,获得更高收敛程度、更大探测深度的面波频散曲线。

综合上述场地试验成果,确定本项目中面波技术的采集参数:嵌套式等边三角形台阵,2 Hz检波器10通道测量,采样间隔5 ms,台阵最大边长40 m,控制探测深度120 m,并应用SPAC法提取频散曲线。现场采集时至频散曲线稳定收敛不再明显变化时停止采集工作。

2.4 剖面解释

本文共完成了5条天然源面波剖面。由于篇幅有限,在此选取QZ1线进行详细解释(图6、图7)。QZ1线位于规划区西侧,测线呈近SN向布置,共完成41点测量。

图6

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图6 天然源面波QZ1线QZ87(a)、QZ127(b)单点解释成果

Fig.6 Single point interpretation results of natural source surface wave QZ1 line QZ87(a) and QZ127(b)

图7

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图7 天然源面波技术QZ1线物探地质综合解释剖面

a—QZ1线瑞利波速v_r等值线;b—QZ1线地质剖面

Fig.7 Profile of comprehensive geophysical interpretation of QZ1 line with natural source surface wave technology

a—contour map of Rayleigh wave velocity v_r of QZ1 line;b—geological profile of QZ1 line

在天然源面波测点频散曲线中,可以用频散曲线的“之”字形拐点、频点疏密及曲线斜率变化特征进行地质分层。QZ87点位于QZ1线南端,0~4.4 m段由于缺少高频数据为探测盲区;4.4~13.8 m段曲线频点密集,表明地层内部密度较大,v_s<300 m/s,为地表沙质土的反映;13.8~53.2 m段曲线斜率不断增大,“之”字形拐点清晰,300≤v_s<550 m/s,可有效划分冲洪积形成的卵砾石层;53.2~61.4 m段曲线频点明显密集,斜率相较于上层有所降低,推测为砂质含量增大的砂卵砾石地层;61.4~120 m段曲线频点均匀分布,斜率稳定,v_s>700 m/s,推测为古近系—新近系砂岩、泥岩。QZ127点位于QZ1线北端,相比于QZ87点,中浅部地层分层情况基本一致,57.4~120 m段曲线频点分布稀疏,斜率较小,v_s<700 m/s,推测为卵砾石地层。

在QZ1线天然源面波剖面v_r等值线图中,等值线变化平缓,连续性较好,无明显等值线梯度带,表明测线范围内未发育构造或其他不良地质体。通过对测区面波和地质资料的综合分析,获得测区各岩层的分布情况如下:①地表为回填土,推测与前期建筑工程有关;②卵砾石层,在测线全线发育,其埋深为10.0~50.0 m,横波波速为400~600 m/s;③含砂砾石层,在测线全区发育,深度呈现“南浅北深”形态,南部埋深55 m,向北逐渐加深至100 m,横波波速为为600~700 m/s;④古近系—新近系泥岩,波速大于700 m/s,埋深向北逐渐加深,波速小于基岩经验值,推测风化程度较高。

2.4.1 等效剪切波速与场地类别

在以往场地评价工作中,常利用瞬态面波技术计算地层的等效剪切波速度,并根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)划分场地土的类型^[15]。地层的等效剪切波速度计算公式如下:

(2)

v_{s e} = \frac{d_{0}}{t} = \frac{d_{0}}{\overset{n}{\sum_{i = 1}} \frac{d_{i}}{v_{s i}}}

其中, $v_{s i}$ 为计算深度范围内第 $i$ 层岩土的剪切波速; $d_{i}$ 为每层的层厚度; $d_{0}$ 为计算深度,计算深度选择覆盖层厚度和20 m两者较小的。

天然源面波技术与瞬态面波技术相比,方法原理基本一致,通过提取面波信号的频散特征来解释地层分界面。不同之处为面波信号源不同,天然源面波采集的天然场源面波信号中,低频信号更为丰富,探测深度更大,因此可计算更多地层的等效剪切波速度,有利于提高场地评价工作的可靠性。

对于本文的175个天然源面波测点,基本可以分为三类地层(表3):地表风成沙及沙质土、中浅部洪冲积卵砾石层、深部第三系砂质泥岩。按照《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010),利用式(2)计算各个测点的等效剪切波速,并经统计计算不同场地类别的数量,可知规划区内绝大多数地区(88.57%)处于Ⅱ类中硬土,属于工程建设稳定区,局部区域(11.43%)由于地层性质(砂层厚度较大)存在使得场地类别降低至Ⅲ类中软土场地。

表3 规划区不同场地类别统计

Table 3 Statistics of different site types in the planning area

线号	测点数	Ⅱ类	Ⅲ类	质量评述
QZ1	41	41	0	Ⅱ类场地占比88.57%,Ⅲ类场地占比11.43%。
QZ2	44	37	7
QZ3	30	23	7
QZ4	30	27	3
QZ5	30	27	3
合计	175	155	20

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2.4.2 卓越周期与场地土类型

卓越周期是地脉动(微动)的一项动力学特性参数,反映场地的地层结构特征,可防止建筑物与地层发生共振现象。以往工作中,常使用高精度多功能拾振器采集常时微动信号,应用专业软件计算卓越周期参数。在WD-1型智能天然源面波数据采集系统中,可以记录每个测点的卓越周期(图8)。

图8

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图8 WD-1型智能面波仪卓越周期采集界面

Fig.8 Excellent period acquisition interface of WD-1 intelligent surface wave instrument

《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)中卓越周期与场地土类型的关系(见表4)。

表4 规划区不同场地土类型划分标准

Table 4 Classification standards for soil types of different sites in the planning area

卓越周期T/s	场地土类型
T<0.17	坚硬场地土(I)
0.17≤T<0.30	中硬场地土(II)
0.30≤T<0.53	中软场地土(III)
T≥0.53	软弱场地土(IV)

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经统计计算各类场地土类型的数量,结果表明:在规划区内,绝大部分区域(70.29%)的场地土类型属于坚硬土的区域,局部区域(29.71%)由于地层性质变化场地土属于软厚类型,需要在具体工程建设中加以关注并开展进一步检测工作(表5)。

表5 规划区不同场地土类型统计

Table 5 Statistics of soil types of different sites in the planning area

线号	点数	Ⅰ	百分比/%	Ⅱ	百分比/%	Ⅲ	百分比/%
QZ1	41	6	15	23	56	12	29
QZ2	44	10	23	24	55	10	23
QZ3	30	0	0	2	7	28	93
QZ4	30	0	0	29	97	1	3
QZ5	30	14	47	15	50	1	3
合计	175	30	17.14	93	53.14	52	29.71

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以上数据反映出规划区南部场地土质量高,北侧由于覆盖层厚度加大造成场地土等级下降,在北侧区域的建筑物需重点关注覆盖层厚度对建筑物的影响。总体上,本区内场地建设条件良好,适宜开展工程建设活动。

2.5 三维可视化

为增强地球物理数据的可读性,提升天然源面波数据在工程领域的应用便捷性,本文以Voxler三维建模软件为基础,对规划区内的天然源面波数据进行了三维可视化应用。Voxler软件为Gold software公司推出的三维可视化科学制图软件,是该公司Surfer软件在三维空间的拓展。Voxler主要功能面向三维数据网格化、三维数据展示及体积渲染^[16-17]。数据可视化方法如图9。

图9

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图9 三维可视化图形处理流程

Fig.9 3D visualization graphics processing flow

图10为Voxler软件的三维地质成果,图中剖面交叉点地层分层情况吻合,三维地质成果图在边界中无发散现象,成果较为可靠。综合分析可得出以下认识:①从图中可以明显看出规划区内,在探测深度120 m范围内,全部为第四系冲洪积层,下伏砾石层呈现“南西浅北东深”的地质特征。其中,砾石层南部埋深小于50 m,逐渐向北加深至100 m,埋深变化趋势明显;②根据下伏砾石层的埋深变化趋势推测规划区东北侧为山前冲积扇的扇端,且上覆第四系砂质土厚度较大,具备发展农林产业的地质要素;③五条剖面图中等值线变化平缓,无明显等值线梯度带,表明目标探测深度内,无不良地质构造发育,无地下空洞、孤石等不良地质体,地层分布条件良好。

图10

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图10 规划区三维地质成果

a—全区三维图;b—QZ1线交点放大图;c—QZ2线交点放大图

Fig.10 3D geological results of the planning area

a—3D map of the whole area;b—enlarged drawing of intersection of QZ1 line;c—enlarged drawing of intersection of QZ2 line

3 结论

1)应用结果表明:规划区内深部砾石层及基岩面呈现“南浅北深”的地质特征,区内无地下空洞、孤石等不良地质体,地层分布条件良好。通过计算等效剪切波速和卓越周期,认为规划区场地建设条件良好,地基承载力的地质背景条件较好,适宜开展工程建设活动。

2)本文将天然源面波技术引入城市规划区场地评价工作,在完成传统剖面地质解释工作基础上,拓展性提取等效剪切波速度、卓越周期两项场地评价工程参数,示范性应用三维可视化技术,取得了良好的应用效果,可为以后类似地区的场地评价工作提供重要参考。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

赵镨, 姜杰, 王秀荣.

城市地下空间探测关键技术及发展趋势

[J]. 中国煤炭地质, 2017, 29(9):61-66.