面波检测技术（共9篇）
面波检测技术 篇1
建筑工程的施工过程中, 对工程地基的强度和场地的地形具有严格的要求。如果这两项施工标准达不到要求, 需要进行场地回填。在这种情况下进行回填, 回填地基的土质结构相对来说比较疏松, 会对建筑工程的质量造成影响。对地基进行加固, 可以提高建筑物地基的承载力, 提高土质的密实度, 保证建筑的工程质量。在地基加固之后, 利用面波检测技术对加固的效果进行评价, 保证良好的加固效果, 才能保证建筑的施工质量。
1 简述面波检测技术
面波法也叫做瑞雷面波法, 主要的原理是瑞雷波动力学和运动学, 运用这一原理特征实现对工程质量的检测和勘察工程地质的一种地球物理勘探方法。面波检测技术是一种, 利用面波的传播特征, 实现对地表下探测的技术方法。主要是对一个波长范围内的地基土的, 面波速度剖面或者平均剪切波进行探测。在地基加固效果评价的应用过程中, 面波检测技术可以分为现场测试、理论计算、深度和波速的测试等, 可以对面波的速度和横波速度之间的关系进行研究。
1.1 现场测试
面波属于一种表面波, 处于接近半无限体或者半无限体的介质中。在总的能量中, 面波的能量占了2/3, 其它的波体仅仅占了总能量的1/3。在面波检测技术中, 面波的能量主要集中在一个波长深度中, 距离自由表面还有一定的距离。在现场测试的过程中, 主要的方法是在软土地基表面的其中一个测试点的两边, 安装两个或者超过两个的检波器, 保持这些检波器的对称。一般情况下, 两个检波器之间的距离被称为道距。在第一个检波器的一定距离之内, 要实现对人工震源的设置。而, 检波器和人工震源之间的距离被称为偏移距。当道距间的距离等于偏移距的时候, 才能保证面波具有最佳的激发和接收效果。面波波速的计算, 主要是通过采集两个检波器之间的信号时差实现。所以, 面波检测技术在现场测试的过程中, 一定要保证两个检波器和人工震源处于同一条直线上。
1.2 理论计算
面波检测技术在处理资料的时候, 需要转换时间域内的波形。这种转换, 属于二维傅立叶快速转换。在经过转换之后可以得到频率和速度的变换图。然后, 检测人员可以根据变换图, 对凭散曲线进行计算。最后, 面波检测技术人员可以对拟合频散曲线进行反演, 就可以完成对地基底层厚度和其相对应的面波速度值。面波速度值的计算和剪切波有一定的相关性。因此, 利用面波检测的成果, 可以实现对场地岩土类型的划分, 平均剪切波速是按照土层的厚度进行获取的。在建筑工程地基加固效果的评价过程中, 应用面波检测技术进行计算, 需要检测技术人员充分考虑到不同方面的因素, 保证计算结果的准确性。
1.3 深度和波速的测试
经过一定的研究和测试可知, 在总的面波检测技术中, 面波的能量占了2/3。地表的一个波长范围内, 是面波能量的主要集中地。在传播的过程中, 面波的传播速度代表了半个波长范围内介质在震动的过程中, 所产生的平均传播速度。所以, 人们认为半个波长范围内介质振动时产生的平均传播深度就是面波法的测试深度。面波的波长和面波的传播速度和传播频率相关, 具有一定的影响关系。从另一种角度说, 面波法反映的是在某一频率内, 半波长深度内表层的一项平均物理特征, 可以应用平均的面波波速值, 实现对地层物理力学性质的表示。随着振动频率的不断变化, 面波的波长也会发生一定的变化。而且面波频率的变化和面波波长的变化成反比关系。如果面波的频率增大, 面波的波长就会减小, 面波的深度也会相应的变浅。反之, 面波的波长会增大, 面波测试的深度也会随之加深。
2 面波检测技术在地基加固效果评价中的应用
在建筑工程的设计过程中, 如果工程的表层和地下深层的力学性质不符合设计要求, 需要工程的施工人员处理工程的地基。在处理地基的过程中, 采用的处理方法, 主要有强夯和冲击碾压相结合的方法。强夯是地基处理中, 加固深层土体的处理方法;冲击碾压在地基处理的过程中, 主要是实现对一些表层的粘性土和不受强夯扰动的回填砂层的加固。建筑工程在实现对地基的强夯加固之后, 为了保证建筑工程的施工质量, 让建筑可以安全使用, 需要对地基的加固效果进行有效的评价。
2.1 对比频散曲线
在建筑工程的地基完成加固之后, 利用面波检测技术实现对地基加固效果的评价, 可以从对面波频散曲线的对比实现。在对比面波频散曲线的时候, 面波检测技术人员首先应该多选择几个测试点, 然后进行现场布置, 准确的布置测线, 应用面波检测技术对强夯前后的地基进行检测, 最后实现对检测的强夯前后地基频散曲线的对比。在经过准确的对比之后, 可以发现加固后地基的频散曲线明显增大。例如, 某海域工程在工程建设的过程中, 进行了吹填造地, 利用强夯技术加固了工程的地基。利用面波检测技术对强夯前后的地基进行了检测, 得出如下的频散曲线 (如图) 。
通过上面的地基强夯前后的频散曲线图可以看出, 地基在加固了之后, 面波在加固的影响范围内, 波速明显比加固前地基的面波波速大。这充分的说明, 加固地基可以保证建筑工程的稳定性和安全性。
2.2 评价效果
面波的波速和剪切波具有一定的相关性, 在利用面波检测成果实现对场地岩土类型的划分, 根据土层的厚度获取平均的剪切波速的时候, 可以对评价效果进行进一步的分析。在地基的加固前后, 剪切波速是不相同的, 会对面波的波速造成一定的影响。例如, 在某海域工程的吹填造土工程中, 加固地基的时候, 先满夯整平了工程的场地之后, 再实行加固。这个时候, 地基的表层土相对比较松软, 不能激发出高频的波速, 而且高频的衰减速度也比较快。所以, 在评价地基加固效果的时候, 应该先获取速度值, 再分析近表面的高频波产生的速度值。通过对地基加固前后的剪切波速进行对比分析可知, 在地基加固之前, 剪切波速的速度一般是在100m/s。在地基加固之后, 在大约1m内的表层剪切波的速度相对比较低。在1m以下的位置, 剪切波的速度达到了300m/s。根据这些数据可以看出, 地基在进行加固之后, 取得了显著的效果。
3 总结
在物理地球领域的发展过程中, 面波法作为一种新的检测方法, 在土层的测试、划分和场地类别的划分方面有着广泛的应用。地基工程是建筑工程中的重要组成部分, 为了保证建筑工程的安全性和稳定性, 对地基进行了加固。利用面波检测技术对地基的加固效果进行评价, 可以保证加固作用的实现, 保证建筑的安全使用, 提高了建筑的安全水平, 促进了我国建筑行业的发展。
参考文献
[1]文学飞.面波法对地基基础加固效果的检测分析[J].江西建材, 2013, 28 (04) :93-94.
[2]梁鸿军、苏东涛.面波检测技术在地基加固效果评价中的应用[J].水利规划与设计, 2010, 16 (04) :28-30.
[3]肖先波.瑞利波检测技术在地基强夯加固中的应用[J].低温建筑技术, 2010, 28 (04) :34-38.
面波检测技术 篇2
面波勘探，也称弹性波频率测深，是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。
人们根据激振震源的不同，又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的，只是产生面波的震源不同罢了。
1938年德国土力学协会首次尝试用稳态振动来检测岩土的各种弹性力学参数。1960年美国密西西比陆军工程队水陆试验所开始开发类似的技术方法，但由于当时技术条件的限制，均未获得成功。70年代初美国F·K·Chang等人利用瞬态激振产生的瑞利波来研究浅部地质问题，并于1973年在第42届国际地球物理勘探年会上发表了“RayleighWaveDispersionTechniqueforRapidSubsurfaceExploration”（瞬态面波在浅层勘探中的应用）论文，报道了有关的研究成果。在稳态方面，直到80年代初，日本的VIC株式会社经过多年的研究试制，推出了GR－810佐藤式全自动地下勘探机，才使该项物探技术在浅层工程勘察工作中得以应用。通过几年的实践和初步研究，R波在岩土工程勘察中的应用大致分为以下几个方面：
⑴查明工程区地下介质速度结构并进行地层划分；
⑵对岩土体的物理力学参数进行原位测试；
⑶工业与民用建筑的地基基础勘察；
⑷地下管道及埋藏物的探测；
⑸地下空洞、岩溶、古墓及废弃矿井的埋深、范围等探测；
⑹软土地基加固处理效果评价及饱和砂土层的液化判别；
⑺公路、机场跑道质量的无损检测；
⑻江河、水库大坝（堤）中软弱夹层的探测和加固效果评价等；
⑼场地土类别划分及滑坡调查等；
⑽断层及其它构造带的测定与追踪等。
2勘探原理
面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的纵波（P波）和横波（S波）不同，它是一种地滚波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫波是由SH波与P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波与P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r-1/2成正比，因此比体波（P、S波∝r-1）的衰减要慢得多。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约为一个高度为λR（R波长）的圆柱体向外扩散。
在各向均匀半无限空间弹性介质表面上，当一个圆形基础上下运动时，由它产生的弹性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）计算出来，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是说，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作为勘探方法，其信噪比会大大提高。
综合分析表明R波具有如下特点：
⑴在地震波形记录中振幅和波组周期最大，频率最小，能量最强；
⑵在不均匀介质中R波相速度（VR）具有频散特性，此点是面波勘探的理论基础；
⑶由P波初至到R波初至之间的1/3处为S波组初至，且VR与VS具有很好的相关性，其相关式为：
VR=VS·（0.87+1.12μ）/（1+μ）；式中：μ为泊松比；
此关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用；
⑷R波在多道接受中具有很好的直线性，即一致的波震同相轴；
⑸质点运动轨迹为逆转椭圆，且在垂直平面内运动；
⑹R波是沿地表传播的，且其能量主要集中在距地表一个波长（λR）尺度范围内。
依据上述特性，通过测定不同频率的面波速度VR，即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数，达到岩土工程勘察之目的。
3野外工作方法
应用瞬态法进行现场测试时一般采用多道检波器接收，以利于面波的对比和分析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时，就可以产生一个宽频带的R波，这些不同频率的R波相互迭加，以脉冲信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲形振动信号后，经数据采集，频谱分析后，把各个频率的R波分离出来，并求得相应的VR值，进而绘制面波频散曲线。
当选取两道检波数据进行反演处理时，应使两检波器接收到的信号具有足够的相位差，其间距△x应满足（λR/3）～λR，即在一个波长内采样点数要小于在间距△x内的采样点数的3倍，而大于在间距△x内的采样点数的1倍，该采集滤波原则对于不同的勘探深度及仪器分辨率和场地地层特性可作适当调整。
当采用多道检波数据进行反演处理时，虽然不受道间距公式的约束，但野外数据采集时也应考虑勘探深度和场地条件的影响。一般来说，当探测较浅部的地层介质特性时，易采用小的△x值并用小锤作震源以产生较强的高频信号，即可获得较好的结果；当探测较深部的地层介质特性时，易采用较大的△x值，并用重锤冲击地面，以产生较低频率的信号，使其能反映地下更深处的介质信息，达到岩土工程勘察之目的。
震源点的偏移距从理论上讲越大越好，且易采用两端对称激发，有利于R波的对比、分辨和识别，但偏移距增大就要求震源能量加大和仪器性能的改善。一般来说，偏移距应根据试验结果选取。就目前的仪器设备条件和反演技术水平，选用偏移距20～40m即可获得较好的测试结果。
由多道检波数据反演处理后可得一条频散曲线，一般把它作为接收段中点的解释结果。实际上该曲线所反映的地层特性为接收段内地层性质的平均结果，故当探测场地地下介质水平方向变化较大时，只要能满足勘探深度的要求，尽量使反演所用的接收段减小，以使解释结果更具客观实际。
4工程应用
西部大开发十大项目之一的黄河沙坡头水利枢纽位于黄河上游干流上，上距待建的大柳树坝址12.1km，下距青铜峡水电站122km，行政隶属宁夏回族自治区中卫县。主要建筑物由主坝和副坝两部分组成，其中主坝拟选坝型为混凝土闸坝，最大坝高39.93m，坝长358.5m；副坝布置在黄河左岸Ⅰ级阶地，拟建坝型为土石坝，坝高5m左右，坝长约1.5km。
测区地层岩性由上至下依次为：①覆盖层由全新统风积砂壤土、粉细纱和全新统冲洪积砂卵砾石组成；②下伏基岩由棕红色、紫红色砂质粘土岩组成，局部夹有砾岩。
为探测覆盖层厚度并进行地层划分，采用瞬态面波进行勘探。实测使用美国R24工程地震仪和4Hz低频检波器。室内数据处理使用SFKSWS软件，其流程为：输入面波记录文件→显示和检查实测曲线数据→圈定面波数据窗口→在F—K域搜索确定基阶面波频谱峰脊并拾取频散数据→按搜索确定的基阶面波频谱峰脊圈定出基阶面波频谱范围→生成面波频散曲线→地质分层（人工或自动）→绘制反演拟合曲线→打印输出结果。
R波在非均匀介质中传播具有频散特性，所以不同频率（波长）的R波具有不同的传播速度。模型试验和实测结果表明，当探测的岩土层介质较为均一时，R波的相速度随深度的加大而按线性增加，只有出现不同介质的分界面时，频散曲线会出现一个所谓“Z”字型变化，该变化特征是由于地表接收到的波从上一层漏能型波转入下一层漏能型面波，且此转折点与两介质间的界面埋深有密切的关系，由此可依据实测频散曲线的“Z”字型变化点来划分地下岩性变化的分界面。
图1面波频散曲线解释成果与钻探结果对比图
图2面波频散曲线解释成果与钻探结果对比图
图1、图2为实测面波反演解释结果，其中各图的右侧为随深度变化的面波频散曲线，左侧为钻探揭露的地层柱状图，其层位的划分具有良好的一致性，即表层风积粉细砂—中部砂卵砾石层—下部基岩。同时由图还可以得出：表层风积砂的瑞利波速度为150～250m/s，冲洪积砂卵砾石的瑞利波速度为300～400m/s，而下伏基岩（棕红色、紫红色砂质粘土岩、砾岩等）的瑞利波速度则为440～760m/s，说明瑞利波（剪切波）速度随深度的增加而升高。
5存在问题
虽然面波探测技术在工程中的应用已很广泛，但实际工作中还存在以下问题：
⑴关于实测面波频散曲线的“Z”字型现象，从理论模型的解析中还不能精确地解释此现象。因为理论的频散曲线，在介质分界面处只出现折点，对此还需深入研究和数值模拟计算；
⑵对于面波勘探深度的确定，目前国内外大多采用半波长作为R波的勘探深度，此关系是一经验公式，但在实际工作中，应根据场地地质条件、探测对象以及孔旁测试对比结果等作适当调整；
⑶测试深度相对较浅，一般情况下可靠的测量深度为20～30m，最深不过50～60m。当测试深度加大时，震源信号就必须具有足够的低频信号，目前尚难满足此要求。由于低频时的R波值很少，使得下部频散曲线的点相对稀少，所以对解释精度影响较大。就该问题笔者建议由原来的算术坐标系改为波长为对数的单对数坐标系，可使低频段频散点稀少问题得以改观。
⑷根据不同的勘测目的和要求，对产生R波的震源需作必要的改进和研究，以适应勘察的需要。如用锤子作震源时其低频值为10～20Hz左右，而用砂袋作震源时低频值为3～10Hz左右。
面波勘探作为一种新的浅层地球物理勘探方法，具有简便、快速、经济、分辨率高、适用场地小、应用范围广等优点，但对面波勘探理论的研究以及实际应用等有待进一步的深入和开拓，使之在生产实践中不断总结、完善和提高。
参考文献
⑴杨成林等《瑞雷波勘探》北京：地质出版社1993年
⑵胡钧等《岩土工程瑞利波勘探新进展》《上海地质》1996年No.2
⑶刘康和《面波探测技术综述》《电力勘测》1997年No.2
⑷BarbaraA.Luke,etal.《ApplicationofSASWMethodUnderwater》《JOURNALOFGEOTECHNICALandGEOENVIRONMENTALENGINEERING》1998No.6。
面波检测技术 篇3
关键词：面波,检测技术,地基加固,效果评价
在工程施工过程中, 如果工程的地基强度或场地地形不能满足布设的建筑的要求时, 就需要对场地进行回填, 这时回填的地基土结构较为疏松, 从而影响整个工程的质量。为了满足建筑物的设计要求, 提高建筑物的地基承载力, 那么就需要对地基进行加固处理, 从而提高土的密实度, 确保工程质量。在对地基加固后需要进行加固效果检测, 一般情况下, 对地基强夯加固效果进行检测时重要采用现场静载荷试验、土工试验、标准贯入试验以及面波法等方法。其中面波检测技术能够较为快速、全面并直观的反映强夯地基的加固效果, 有利于提高强夯地基工程建设的质量, 并缩短工程的质量检测周期, 是一种具有经济性、快捷性和有效性的大面积检测方法填夯工程质量检测方法。
1 面波法
面波法又被称为瑞雷面波法, 是一种利用瑞雷波的动力学特征和运动学特征对工程质量进行检测和对工程地质进行勘察的地球物理勘探方法。当自由界面发生竖向激振时, 其表面附近就会产生面波。面波的主要特征有当它处于分层介质中时, 它具有频散特性;面波所穿越的深度取决于面波的波长;面波的传播速度与介质的物理力学性质有关等。
面波检测技术是一种根据面波的传播特性探测地表下在一个波长范围内地基土的面波速度剖面或者平均剪切波的技术方法。根据其传播频散特性, 利用人工震源进行激发, 从而产生多种频率成分的瑞利波, 并从中找出波速与频率间的变化关系, 确定地表岩土的深度变化与面波速度的变化关系。
2 面波检测技术
2.1 面波现场测试
面波属于一种表面波, 在接近半无限体或半无限体介质中, 面波的能量占总能量的三分之二, 而其他波仅占到三分之一。面波的能量主要集中在距离自由表面的一个波长深度中。在进行现场测试时要在软土地基表面的某个测试点的两边对称安装两个或者两个以上的检波器, 一般将两个检波器间的距离称为道距, 同时, 人工震源要设置在距离第一个检波器的一定距离内, 检波器与人工震源间的距离被称为偏移距。当偏移距与道距间的距离相等时, 面波激发和接收的效果最佳。波速的计算是利用两个检波器所采集的信号间的时差来进行计算, 因此在进行面波现场测试时要将两个检波器和人工震源保持在一条直线上。
2.2 面波的理论计算
处理资料时, 要对时间域内的波形进行二维傅立叶快速转换, 得到频率与速度的变换图, 根据变换图计算频散曲线, 然后反演拟合频散曲线, 就会得出底层的厚度和其对应的面波速度值 (VR) 。
面波速度 (VR) 和剪切波 (VS) 有一定的相关性。所以面波检测成果可以用来划分场地岩土的类型, 平均剪切波速是按照土层的厚度取得。
2.3 面波测试深度及波速
经研究证明, 面波能量占总能量的三分之二, 主要集中在地表下一个波长范围内, 传播的速度代表半个波长范围内介质震动的平均传播速度, 所以人们认为面波法测试的深度是半个波长, 而波长与速度和频率有着一定的关系。所以说面波法反映的是某一频率半波长深度内表层的平均物理特征, 在表示地层的物理力学性质使可以采用平均波速值。随着振动频率的不同, 面波的波长也会随之发生变化, 且频率的变化与波长成反比, 当频率增大时, 波长就会减小, 深度也将变浅;当频率降低时, 波长就会增大, 且测试的深度就会加深。
2.4 面波速度与横波速度的关系
面波速度与力学的性质和介质的密度有着一定的关系, 介质的重要参数是通过面波速度反映出来, 通过介质的弹性模量和泊松比间的关系, 可以得到纵波与横波的波速比。一般情况下, 软土地基被加固后, 就会减小地基的土体的压缩比, 而随着介质密度的增大波速以及承载力也会随之增加。在对地基加固前后, 面波速度的变化即是对岩土力学性质变化的反映。所以在检测地基的强夯效果时可以直接采用测量面波速度的方法。
3 面波检测技术在地基加固效果评价中的应用
当工程的表层以及地下深层力学性质不能满足设计要求时, 要对场地进行地基处理, 主要采用的方法有强夯和冲击碾压相结合的地基处理法。强夯主要是对深层的土体进行加固, 冲击碾压法主要是对表层的粘性土和浅不受强夯扰动的回填砂层进行加固。当工程对地基进行强夯加固后, 为了确保工程的质量能够满足以后使用的要求, 就要有效地评价工程的地基加固效果。
3.1 频散曲线的对比
对加固效果进行评价时, 首先要选择多个测试点, 然后进行现场布置, 布置测线, 然后利用面波检测技术检测强夯前后的地基, 并对比分析强夯前后频散曲线, 就明显看出加固后的频散曲线明显增大。以下以某海域工程吹填造地工程为例, 对加固前后的频散曲线进行对比:
通过对比强夯前后的频散曲线, 我们就会发现在加固的影响范围内, 频散曲线相差甚远, 加固后的面波波速明显大于加固前的面波波速。
3.2 加固后的频散曲线和剪切波速
面波速度 (VR) 和剪切波 (VS) 具有相关性。通过面波检测成果可以划分出场地岩土的类型, 根据土层的厚度取得平均剪切波速。剪切波速在地基基础加固前后是不相同, 以下某海域吹填造地工程为例, 这次试验是通过对场地满夯整平后才进行的试验, 试验时表层的土较为松软, 不能激发出高频的波速, 高频的衰减也较为快速, 因此所取速度值再通过分析近表面的高频波所得出的速度值, 如下对地基基础加固后的频散曲线和剪切波速:
通过对比分析加固前后的剪切波速可以看出:加固之前, 剪切波速一般约在100m/s, 通过加固, 在表层约1m范围内的剪切波速较低, 而1m以下的位置的剪切波速达到300m/s, 由此可知, 地基加固取得显著的效果。
4 结束语
面波法是在物理地球领域发展起来的新的检测方法, 面波波速、剪切波速与岩土力学参数有着一定的相关性, 因此面波检测技术在岩土勘察和地基处理方面被广泛应用。经过实践证明, 面波检测技术以其快速、经济、灵活、准确的特点被广泛用于土层的测试、土层的划分以及场地类别的划分等方面。利用面波法对地基加固效果进行检测, 缩短了工程的检测周期, 同时保持了场地的完整性, 全程监控工程施工质量。勘测人员在进行勘测时要选择合适的检测仪器设备, 采用恰当的参数采集方法, 合理进行工作布置, 确保频散曲线的准确性, 进而取得良好的检测效果, 从而更好地控制施工质量。
参考文献
[1]田宗勇, 姚姚, 黄小军, 刘海涛.用面波检测技术检查复合地基强夯加固效果[J].人民长江, 2005 (03) .
[2]姚伯荣, 陈聪实, 吴天寿.瑞利波在复合地基加固效果检测中的应用[J].宁波大学学报 (理工版) , 2012 (04) .
[3]肖先波.瑞利波检测技术在地基强夯加固中的应用[J].低温建筑技术, 2010 (04) .
[4]谭沥东.瑞利波技术在地基加固效果评价中的应用研究[J].土工基础, 2010 (05) .
面波检测技术 篇4
二维小波变换在去除面波干扰中的应用
在原始地震记录中,面波干扰往往会掩盖有效信号,降低资料的信噪比.常规的一维滤波和F-K滤波方法在去除面波时,会损害有效信号,丢失一些有用的地质信息.小波变换是一种时频分析方法,具有分频和局部分析能力,可以从地震资料中将面波分离出来,而不伤害有效波.二维小波变换去除面波的基本原理是:首先依据面波和有效波视速度的范围,在时间-空间域把原始单炮记录分成没有面波和含有面波的`记录;然后应用二维小波变换对含有面波的记录进行时频分析,将其变换到时间、频率、空间和波数四维域中,利用有效波与面波在频率域和波数域上的差异进行面波分离,去除面波,提取有效波,并进行信号重构;最后将重构的信号与没有面波的记录叠加,即可得到去除面波干扰的资料.实际资料处理结果表明,二维小波变换去除面波的方法具有良好的应用效果,有效信号得到了加强,信噪比得到了提高.
作 者：张华 潘冬明 张兴岩 Zhang Hua Pan Dongming Zhang Xingyan 作者单位：中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州,221008刊 名：石油物探 ISTIC PKU英文刊名：GEOPHYSICAL PROSPECTING FOR PETROLEUM年，卷(期)：46(2)分类号：P631.4关键词：二维小波变换 时频分析 四维域 面波分离 信噪比
面波检测技术 篇5
关键词：mcu+dsp组合,电磁防护,电压分配计算
一、前言
随着社会经济的发展, 对电力电网安全可靠运行的要求越来越高, 建设坚强智能电网的目的也在于此。国内外的实践表明, 对设备进行状态检修及故障诊断是提高设备可靠性的经济、有效手段, 而对设备的各种物理参量进行在线监测是状态检修的基础。
开关柜内的高压开关触头、母排进出线接头等部位由于是接触连接实现导电, 在长期运行中, 会由于老化、螺栓松动等原因导致接触电阻变大而发热, 致使连接处温度升高。触点或连接点处温度升高, 会使其接触电阻进一步变大, 从而产生更多的热量、接触电阻进一步变大, 形成恶性循环, 最终导致火灾事故, 引起故障。对这些连接位置进行在线温度监测可实现及时预警、及时检修, 从而避免事故, 提高供电可靠性。
开关柜在高压变电站内应用广泛, 其触头测温是安全生产中很重要的一环, 但是因为高压设备的特殊性, 普通方法难以测量, 本文中使用的无源测温方案, 高压侧的传感器无需电源即可工作 (利用了声表面波原理) , 正是适合开关柜触头测温。
二、测温新技术讨论
(一) 无线无源测温新技术简介
声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波, 其工作原理是, 基片上换能器 (输入换能器) 通过逆压电效应将输入的射频转变成声信号, 此声信号沿基片表面传播, 最终由基片左边的发射器 (输出换能器) 将声信号转变成射频应答信号输出。如下图所示。
同时, 射频信号与温度存在如图2所示的线性关系:
根据上图温度与频率的线性关系, 利用信号收发设备收到的频率信号即可获知温度, 如上所示, 传感器工作的频率在433MHz附近, 而测量温度的精度为0.1度。
此测温技术的无线方式有效的隔离了高压与低压区域;同时, 由于传感器工作不需要电源, 在安装检修不便的开关柜内正好有了用武之地。本文讨论了此测温方式的读写设备硬件设计, 讨论了以下几个关键的设计要点:
(二) 主处理芯片的使用方式
一次简单的温度请求, 实际上是一系列的工作:
1. 发送温度请求命令;
2. 分析本次请求是针对哪个传感器、哪个天线, 查表确定发送频率;
3. 控制RF芯片进行射频信号发送, 接收反射回来的射频信号, 分析反射回来的射频信号的频率;
4. 以上一个步骤循环20次;
5. 得到反射信号的频率均值, 同时得到的, 还有反射回来的信号强度;
6. 设备计算反射信号与校准温度的信号值间的差值, 从而得到传感器的温度;
7. 将得到的温度数据返回。
整个读写器的逻辑功能包括:请求传感器温度、频率、信号强度, 配置读写器运行参数和传感器参数, 校正传感器温度, 自动轮询温度, 应用modbus协议通讯。之前主流的方式是使用一个DSP完成这所有的任务, 但是, DSP不擅长逻辑控制。使用DSP进行任务处理和数据分析, 对设备的工作效率有很大的影响, 同时, 这种方式也会增加程序的复杂性。
本文设计将DSP和MCU分开, 同时使用两个主芯片完成工作内容, 将是革命性的变化:
MCU使用状态机机制, 专门处理各种请求以及保证系统的正常运行状态, 避免因为处理数据量过大而导致系统死机。
MCU的功能:负责外部接口通讯、处理外部请求、系统的运行、与DSP通讯、温度数据的校正、传感器配置定义等。MCU负责所有的逻辑控制和任务管理, 包括数据传输的协议实现等等, 而不再涉及计算、推演和滤波处理, 仅仅缓存处理完成后的数据, 实现各种方面的需求。
DSP功能:控制射频芯片进行射频发送与接收、对接收与发送的RF数据进行处理、数据滤波。使用DSP专门处理射频数据, 收集及分析, 全权负责数据的接收和接下来的高速运算、滤波、校正过程。
明确的分工, 大大的提高了工作效率, 也降低了系统的复杂性, 运行出现故障的几率大大降低。
(三) 浪涌群脉冲等电磁测试防护
本节讨论电气保护措施。为了保证设备在高压开关柜内安全运行, 必须满足《Q/GDW 540.1-2010变电设备在线监测装置检验规范第1部分:通用检验规范》中的所有要求, 其中, 关于电磁方面比较难以达到的要求有:
电快速瞬变脉冲群抗扰度测试:按照“GB/T 17626.4电磁兼容、试验和测量技术、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验”中规定, 装置应能承受GB/T 17626.4规定的严酷等级为4级的电快速瞬变脉冲群干扰, 试验电压:电源端口4kV, 数据端口2kV;
浪涌 (冲击) 抗扰度测试:按照“GB/T 17626.5电磁兼容试验和测量技术浪涌 (冲击) 抗扰度试验”中规定, 装置应能承受GB/T 17626.5规定的严酷等级为4级的浪涌 (冲击) 干扰, 试验电压:4kV;
这样的要求, 对于电子设备来说, 非常严格, 对于硬件的电气设计要求很高, 对于端口的电压冲击, 我们设计了以下的应对措施:
首先讨论18-36V电源输入的防护:如图4所示, 气体放电管, 选型GQF3R075NRM。因为平时电源是18-36V, 会低于它的50V的放电截止电压, 所以不会发生续流现象, 不需要串联MOV。
浪涌的上升沿是dV/dT, 本测试要求是冲击脉冲为4kV/1.5us, 所以电压上升率2.667kV/us, 气体放电管GQF3R075NRM在应对此等级冲击脉冲时, 会在电压上升到750V之前动作。达到此电压需要时间大概是0.28us, 加上0.1us的反应时间, 我们使用0.4us作为峰值时刻, 在此之后, 气体放电管开始作用, 开始保护电路。但是在保护时刻0.4us之前, 瞬间电流会比较大, 保险丝可能会断开, 就需要额外的保护了。增加一个电感, 100uH:
在气体放电管的峰值电压时刻0.4us时, 通过电感的电流i=2.2A, 电流限制效果明显, 保险丝此时不会断开。
同时电源芯片还有第二级保护:TVS管。如图5所示。气体放电管和TVS管组合, 可以完美的保护电路, 气体放电管主要针对瞬间比较大的电流, 可以用于防止信号回路中随机出现的高压冲击。TVS瞬态电压抑制器主要用于ESD静电放电防护, 电流相对较小, 持续时间很短, 但是响应速度极快。
很重要的, 如图5, 在各个端口之间加上10nF/2kV的电容, 有利于通过瞬变的电流, 大大提高设备的安全性。
对于485数据接口, 处理方法又有不同:
如图5所示, 大电流大电压的保护依靠TBU-CA085-300-WH和压敏电阻+气体放电管组合:TBU-CA085-300-WH在电流大于300mA时, 会瞬时限制电流至极低 (50Vdc下为0.5mA) , 但是本器件耐压为瞬时脉冲电压850V。所以需要辅助限压器件:压敏电阻+气体放电管组合, 它们可以将电压限制在800V之下;
瞬变电压不大没有启动一级保护的情况下, 二级保护P40-G240-WH和TISP4015L1B到作用:P40-G240-WH同样起到限制电流的作用, 但是最大承受电压为40V;TISP4015L1BJ可以在电压大于40V的时刻短路, 瞬间拉低电压至0, 起到限制电压的作用。
可以看到, 对485接口的保护比电源接口的保护要细致的多, 因为电源芯片的抗干扰, 抗冲击能力强于485芯片, 同时电源端有大容量的电容作为储能保护器件。
(四) 串联读写器设备的电源电压分配计算
所有读写器设备通过总线形式安装, 共用一个电源总线, 这样, 就需要对实际安装时候的电源电压进行计算, 确保每一台设备的电压足够, 不至于因为长布线影响设备运行。
设备的电压计算公式用推导法得出:
其中:
为下一个读写器的电压值;
为下一个读写器与本读写器之间的电源总线的电流值;
ρ、L、S为导线的电阻率、两个读写器间的电源导线长度 (正极线和负极线之和) 、横截面积;
P为读写器的功率。
按照读写器一共20台, 功率为3W, ρ、L、S为别为1.75×10-8Ωm、15m、1.5 (mm) 2来计算, 可以得到, 当最后一个读写器的电压为20V的时候, 第一个读写器的电压为24.80V, 总线最大电流为2.78A。读写器本身设计输入电压是18～36V, 总线方式安装后, 电压降幅为4.8V, 电流小于此规格电线的额定电流, 经过实际安装检验, 可以满足需求
三、结论
以上讨论了SAW测温读写器的硬件设计要点, MCU+DSP组合保证了系统的稳定运行, 高等级的电气防护措施保证了设备的稳定运行, 周密的计算保证了实际的合理安装。为了满足稳定运行, 设备设计上从硬件到软件全面考量, 务求设备安全稳定, 高性能的设备保证了测温设备在开关柜中的稳定运行, 为电力安全生产提供了强有力的保障。
参考文献
[1].Q/GDW540.1-2010变电设备在线监测装置检验规范[J].第1部分:通用检验规范.国家电网公司, 2011-01-28.
[2].鞠平.电力工程[M].机械工业出版社, 2009.
[3].冯军.智能变电站原理及测试技术[M].中国电力出版社, 2011.
面波检测技术 篇6
在公路隧道的建设过程中, 经常会遇到掌子面前方存在着各种各样的不良地质现象, 如“非均匀地质条件、地质破碎区、Karst洞穴地质区、含水地层、软弱地层”等等。如果在隧道施工过程中不进行超前预报的话, 则会导致各种严重问题, 如“塌方、沉陷、坍塌、涌水”等, 从而造成增加停工费用、人员和设备伤害、影响进度和形象等问题。如果能够进行有效的隧道超前预报, 就能够有效避免工程地质病害、降低施工风险, 确保施工安全和进度, 减少处理费用, 保障业主和投资者的利益。因此隧道超前预报技术已被广泛应用于隧道施工过程中。目前隧道超前预报常用的手段有物探及钻探方法, 其中常用的物探方法有:TSP地震反射法、GPR探地雷达法、高密度电法、跨孔地震CT成像法等等。
多道瞬态面波法 (以下简称面波法) 是一种新兴的岩土测试勘察技术, 利用面波在不均匀介质中传播的频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性可以解决诸多工程地质问题。面波勘探方法在公路路基、建筑场地勘察中已得到广泛的应用, 特别是在勘探地下软弱地层、土洞等不良地质体方面取得了较好的勘探效果。作为一种尝试, 面波勘探技术在广东梅 (州) 河 (源) 高速公路某隧道的坍塌体勘察中取得了令人满意的效果。该隧道全长700 m, 围岩主要由碳质粉砂岩、细砂岩、碳质页岩、煤矸石与煤互层等组成。围岩裂隙发育, 岩体破碎, 软弱夹层较多。该隧道左线出口端在施工到LK4+063时, 已初衬的洞体发生坍塌, 已施工的部分洞体被坍塌物全部堵塞。为查明坍塌体向内的分布范围, 在坍塌物形成的掌子面处利用面波勘探技术对坍塌体进行了探测, 取得了较好的勘察效果。
2瞬态面波勘探的基本原理及工作方法
2.1 基本原理
面波是指在弹性分界面处由于波的干涉而产生, 并且沿界面传播, 波动现象集中在界面附近的一种弹性波, 其具有以下几种主要特性。
(1) 在均匀介质条件下, 面波的传播速度VR与其振动频率f (即与面波的波长λR) 无关, 即面波在均匀介质中传播没有频散性。与此相对应, 在不均匀介质中, 面波的传播速度VR是频率f的函数, 即面波在非均匀介质中具有频散特性。在均匀介质中无频散性和不均匀介质中具频散特性是面波勘探的物理基础。
(2) 在多层介质中, 面波具有明显的频散特性。面波沿地面表层传播, 影响表层的深度约为一个波长, 因此同一波长面波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况, 不同波长的面波的传播特性反映着不同深度的地质情况。
(3) 面波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数减小, 大部分能量集中在一个波长的深度范围内, 即认为面波的穿透深度约为一个波长。
(4) 面波波速近似等于横波波速, 并具有相关性, 因此面波波速与介质的物理力学性质密切相关。瑞利波速和横波波速的关系为:
undefined为泊松比) (1)
当v从0.25至0.5时, Vr/Vs从0.92至0.95。由此可将瑞利波波速换算成横波波速。
面波的野外采集, 是在地面上沿波的传播方向, 以一定的道间距Δx设置N+1个检波器, 就可以检测到面波在NΔx长度范围内的传播过程 (见图1) 。
设面波的频率为f, 相邻检波器记录的面波的时间差为Δt (或相位差为Δϕ) , 则相邻道Δx长度内瑞雷波的传播速度为:
undefined或undefined
测量范围NΔx内平均波速为:
undefined或undefined
在同一地段测量出一系列频率对应的Vr值, 就可以得到一条Vr～f曲线, 即所谓的频散曲线, 频散曲线的变化规律与地下地质条件存在着内在联系, 通过对频散曲线进行反演解释, 可得到地下某一深度范围内的瑞雷波传播速度Vr值, Vr值的大小与介质的物理特性有关, 据此可对岩土的物理性质做出评价。
2.2 工作方法
本次面波勘探采用的地震仪为美国Geometrics公司的R24地震仪, 检波器采用1Hz的面波勘探专用低频检波器, 测线沿掌子面横向布设, 道间距1 m, 偏移距3 m, 采样间隔为0.5 ms, 采样长度为1 024 ms。激发采用24磅重锤敲击震源。
3资料处理及解释
根据采集的面波资料, 利用专业的面波勘察反演软件“SWS系统”反演出的频散曲线见图2
图2三条频散曲线反映的分别是掌子面后方“左、中、右”部位的坍塌物填埋情况。从反演得到的三条频散曲线分析, 其特征及解释如下:
(1) 在5 m～6 m处有一较明显的拐点, 但6 m以后面波波速没有明显降低。推断坍塌范围超过6 m, 且在约6m处为不同岩性坍塌物的分界面。
(2) 在15 m～17 m处为另一处明显的拐点, 其后波速明显下降, 且频散点变得较为稀疏。推断坍塌物的堆填位置位于面波检测位置的后方约16 m处, 16 m之后未被坍塌物所充填。
后经开挖证实, 坍塌面后方6 m为炭质页岩和砂质页岩坍塌物的分界面, 坍塌体充填范围达17 m, 开挖结果与面波勘察推断结果吻合较好。
4结束语
由于面波勘探对具有剪切波速差异的介质有很强的分辨能力, 而隧道施工中需要重点预报的不良地质体如“地质破碎区、Karst洞穴地质区、含水地层、软弱地层”等与完整围岩间的剪切波速一般都存在着较大的差异, 因此存在着利用面波勘探技术进行隧道施工超前预报的地球物理条件。本次针对隧道坍塌体进行的面波勘探取得了较好的效果, 虽然勘探只是针对隧道坍塌体进行, 但从勘探原理分析, 针对坍塌体的预测与针对隧道围岩的预测没有本质上的区别。由此可以预见, 利用面波勘探技术进行隧道超前预报在理论上是完全可行的。
考虑到面波勘探与TSP地震反射法、高密度电法、地震CT成像等隧道超前预报方法相比, 具有施工方便快捷、勘探精度较高的优点。同时也考虑到隧道掌子面宽度有限, 进行面波超前预报的距离相对较小 (一般不超过25 m) 等因素。可以认为面波勘探技术作为隧道超前预报的一种辅助手段, 对于短距离的准确预报有着广阔的应用前景。
摘要：本文阐述了瞬态面波勘探的原理和方法, 并通过工程实例, 对瞬态面波勘探技术在隧道超前预报中的应用作了理性的探讨。
关键词：瞬态面波,频散特性,隧道,超前预报
参考文献
[1]杨成林.瑞雷波勘探[M].北京:地质出版杜出版, 1993.
[2]何樵登, 熊维纲.应用地球物理教程—地震勘探[M].北京:地质出版社出版, 1991.
[3]王振东.浅层地震勘探应用技术[M].北京:地质出版杜出版, 1994.
面波检测技术 篇7
高压开关柜是发电厂、变电站中确保电力系统安全可靠运行的重要设备。随着使用年限的增加,因制造、安装不 良或材料质量等问题,常见的故障大部分都是隔离触头、母排连接 部位发热等,一旦发热过度,就会造成开关柜爆炸,引发大面积的停电。但因高压开关柜的封闭式结构在运行中不能打开,而且目前许多变电站已实现无人值守,所以这几年国内很多单位都在尝试利 用在线监 测的技术 手段来实 时监测开 关柜触头 的温度。
目前,常用的温度在线监测方法有以下几种:
(1)红外线测温方式:采用一定温度的物体都会发出红外光的原理,通过光学镜头对不同功率的红外光进行收集,然后得出对象的温度。由于一般要安装在低压柜体上,施工难度非常大。而且还要注意安全距离,并且要求温度采集点和传感器之间不能有遮掩,但大多数情况下隔离触头等发热部件都会被绝缘罩包围,故温度测量非常不准。
(2)分布式光纤测温方式:光纤本身是良好的绝缘体,可以直接缠绕到隔离触头或母排连接部位。但是光纤测温反映 的是一段光纤内的温度。一般分辨率都是以米为单位,所以一个温度采集点要绕很多圈,施工不方便。一般柜内需要监测多个位置的温度,所以光纤 数量会比 较多,在柜内布 线难度较 大。同时分布式光纤测温系统价格昂贵,设备复杂,这使其实 用性大大降低。
(3)有源无线测温方式:采用一次性锂亚电池或小CT取能给传感器供电,再将传感器数据通过RF技术发出,这也是笔者所在公司前几年开关柜温度监测的主要方案。该方案实 现了非接触测量,但是由于使用了电池和电子元器件,都会遇到使用寿命的问题,所以后期更换维护工作非常大。小CT取能供电方式安装非常 不方便,而且不利 于传感器 的小型化 及安装,因而缺乏普遍适应性。
2采用声表面波技术的高压开关柜实时测温系统
上述监测方法在高压开关柜的测温上存在一定的局限性,针对这些缺点,我们公司升级了原有的技术方案,采用全新 的声表面波(SAW)技术进行高压开关柜实时温度监测。该方案具有无线无源的特点,能够很好地避免上述几种测温方式存在的局限性。
2.1声表面波温度传感器原理
声表面波传 感器是一 种将SAW技术与物 理、材料、微电子、信号处理等多门学科技术交叉融合的新型传感 器,声表面波传感器的研究始于20世纪70年代。
首先,阅读器发射无线询问信号,压电晶体 基片上的 换能器通过逆压电效应将接收到的无线询问信号转变成声信号后,被左右2个周期性栅条反射形成谐振。该谐振器的谐振频 率与基片的温度有关,而且谐振频率随温度进行的改变在一定温度范围内呈非常线性的关系,当同一个换能器通过压电效应将声信号转变成无线应答信号输出后,我们就可以通过测量频率变化得到温度值。
2.2系统组成及特点
高压开关柜实时测温系统主要由SAW温度传感器、数据阅读器、数据传输路由器、数据监测主站4部分组成。隔 离触头、母排连接部位等采集点的温度信息通过前3部分组件实时传输到数据监测主站,实现高压开关柜的实时温度监测。
2.2.1SAW 温度传感器
前端的SAW温度传感器以传统接触方式安装在高压开关柜内隔离触头、母排连接部位等易发热区域。测温传感器和数据阅读器之间通过无线射频方式进行通信。采集点的温度 信息实时传输到数据阅读器上,实现非接触温度测量。传感器的外形如图1所示。
无源测温传感器的性能指标:频率范围为428~439 MHz;测温范围为-20~120℃;测量精度为±2.0℃;遥测距离约为2m。
2.2.2数据阅读器
数据阅读器翻译SAW温度传感器反射回来的温度信号,将数据进行分析处理后,通过内置的ZigBee模块发送温度数据给数据传输路由器。一般一个数据阅读器可以收集6个SAW温度传感器的数据。数据阅读器的外形如图2所示。
2.2.3数据传输路由器
数据传输路由器主要是管理一个开关柜室内所 有开关柜内的数据阅读器上传过来的温度数据,它和多个数据阅读器之间构成一个ZigBee通讯网络。通讯网络采用Mesh拓扑,具有自组网、自愈性、多跳等优点。最后温度数据通过数 据传输路由器的10M/100M自适应网络接口接入变电站内局域网,然后传输到服务器上的数据监测主站。
2.2.4数据监测主站
数据监测主站系统软件主要实现以变 电站、开关柜 号、监测点信息为节点的树形结构的温度数据列表展现功能,采集的温度数据实时写入数据库,实现多相温度数据曲线对比展现功能及监测点温度实时分析功能。数据监测主站是多个变 电站开关柜汇总的集中处理单元。
2.3数据监测主站特点
系统分析模块主要实现了温度告警功能、温度数据分析与统计功能等,实时记录每个监测点温度变化过程,发出故障 报警后能通过数据进行故障分析处理。
温度告警分三级告警模式:第一级告 警,说明该监 测点需要注意,加强关注;第二级告 警,说明监测 点有一定 的潜在危险,提供相应的预警;第三级告警,属于故障报警,说明该故 障必须立即处理。告警又分为超温告警、温升趋势 告警、三相不平衡告警、温度跃迁告警。
温度数据分析与统计部分对数据库中的温度 数据进行 详细的温度场分析、温升趋势分析、历史资料分析 和统计。温度场分析列出了沿着开关柜电流走向的所有监测点数据,通过曲线展现分析出设备过热的部位。温升趋势分析针对采集 的实时数据,根据温升趋势,确定可能出现过热故障的部位,提供设备的维修依据。历史资料分析和统计保存所有监测点温 度的历史数据、分析结果数据以及告警信息。
3结语
面波检测技术 篇8
面波技术对众多工程地质问题的解决,主要是基于面波波速与岩土物理力学性质的相关性以及面波频谱特性这二者之上的。在现阶段,在对地质结构进行探查以及对地层进行划分方面,这种面波技术已经得到极其广泛的应用。众所周知,应用稳态法进行相应的测试,这是面波勘探的传统测试方法,这种传统测试方法因其具有较笨重的设备,故带来了比较低的工作效率。随着科技的快速发展,在最近几年以来,瞬态面波法已经得到极其快速的发展,而且这种勘探技术的应用也日趋成熟,特别是进行多道信号分析处理,以基于较小测点间距来进行操作的瑞雷面波法(MSASW),比起基于两道信号的SASW法来得更优越更先进。以下就以瑞雷面波法这种面波技术为例,对这种面波技术的勘探原理、工作方法及对相关资料的处理等进行较为深入阐述,并结合具体工程实例分析其勘探效果。
二、关于瑞雷面波的勘探原理分析
1. 瑞雷面波的产生及勘探特性
由弹性动力学相关理论可知,若有激振力作用于地表,则将有弹性波的传播现象发生于地基土中,这其中就包括面波以及压缩波、剪切波等等体波。在地层界面附近,若有Sv型剪切波和压缩波在此出现干涉重叠现象,就将产生瑞雷面波;这种瑞雷面波通常具有低频率、低速度、慢衰减以及大能量等这些特点。实践表明,在非均匀介质传播时,瑞雷面波具有频散特性,也就是其波速会随频率不同而变化;若在均匀介质中进行传播,瑞雷面波则无频散性,有关面波的频散特性,这是把面波用于工程勘探中的一个重要理论根据。
2. 瑞雷面波的波速计算
在地面上顺着瑞雷面波的传播方向,瞬态面波基于一定的道间距△x进行(N+1)个检波器的设置,就可把波在(N△x)这个长度范围内的传播过程检测出来,若以fi来表示目前的检波频率,那么就可把瑞雷面波速度VR求出来,这个速度可表示为:
在上式中,瑞雷面波波速以VR来表示,两个相邻检波器间距离以△x来表示,两个相邻检波器的瑞雷面波相位差以来表示。
3. 瑞雷面波的相波速计算
计算频率不同的瑞雷面波的相波速,并绘制出面波勘探点的频散曲线Vr—。瑞雷面波的频率不同,则其波长也不相同,若一个波长为其所穿透的深度,则瑞雷面波在同一波长具有相同的传播特征;这在一定程度上把介质性质在水平方向上的变化情况进行了较全面的反映,至于波长不同,则可把深度不同的地下状况反映出来,一般情况下,由下式
(c)就可把瑞雷波波长计算出来。
最后把Vr—频谱曲线绘制出来,用以代替原有的频谱曲线Vr—。
4. 瑞雷面波勘探深度与其波长大小的关系
若用H表示瑞雷面波勘探深度,λr表示瑞雷面波波长,则把二者之间的关系可表示为:
上式中,β表示波长深度转换系数。在半个波长以内,这是面波能量的主要集中处,故瑞雷面波速度Vr——在地面上所测得的,主要是反映深度在半个波长范围内介质的性质。因此,当前很多国家在应用瑞雷面波勘探中,通常以半波长解释法(β的值取0.5)来进行勘探;在具体勘探中,应结合以下三种情况来调整的取值:(1)钻孔旁测试对比结果;(2)具体的探测对象;(3)勘探场地具体的地质条件。
5. 绘制频谱曲线
对于这个频谱曲线的绘制,是要对不同岩土层的面波波速Vr进行反演解释,结合瑞雷面波波速在深度不同的地层也不同来对地下介质结构进行分析,在此基础上来划分地层,此外,还可排列多个面波点,把面波波速等值线剖面图绘制出来,以此来解释和推断地层结构和特征。
三、多道瞬态面波技术的野外工作方法与勘探数据处理
1. 工作方法
(1)多道瞬态面波以等道距来排列单端激发的共炮点,其排列长度要比预期探测深度来得大,以保证该排列最少能把半个预期探测深度容纳进去,检波总道数N不能比6道少。地震仪选择全通滤波作为其参数,预期面波最高频率的半个周期不能小于其采样时间的间隔,这样可达到不受采样中假频的影响,有关最远道预期低频面波的最大波长应包括在记录时间以内,选择低频竖向检波器作为勘探中要用的地震信号检波器。
(2)以瞬态冲击式地面震源作为激发震源,进行激振不仅要有力,而且时间要短促,这样就不会出现回振,对于激振能量,一定要包含有这些频段——偏重于低频的宽频。至于产生于震源的地震波,其主频∫o可由下式计算得到:
在上式中,重块的质量由M表示,钢垫板半径由r表示,泊松比以σ来表示。
(3)要探测的最小目标尺度应大于道间距△x,若道间距△x越大,则其分辨率也就越低,反之就越高,为不受到数据处理中空间假频的影响,这个△x必须保证下式成立:
在上式中,λmin表示分辨率最高时的面波波长,V✽表示有效波视速度(来自目的层的),∫max表示最高频率(有效波);此外,预期探测深度必须小于单端激发的共泡点等道距的排列长度,这是进行△x选择所必须考虑的,以保证排列最少也能把半个预期的面波最大波长容纳下去。
(4)在较小△x时,进行炮检距D的选择,以能达到最优探测深度和最优面波接受窗口的要求。其中△x与D不一定要相等,一般可对浅部或深部目标有所侧重这个角度来考虑炮检距的大小,通常对于深层面波频散特征的反映,在距震源较远会更清晰,而对于浅部特征的反映,在距震源较近会更为明显。
(5)在进行野外面波排列时,其附近一般不能有能产生散射或反射的障碍物,诸如墙、坎以及沟等等。
2. 进行数据处理
(1)面波群的加窗提取。频散曲线是面波探测的主要处理对象。有关多个导波、面波以及它们相互作用的合成,就是瞬态面波所要记录的数据,对于有效面波的识别是基于X—V时间域,再把面波群进行加窗提取。
(2)面波特征峰值曲线的拾取。以F—K法把微动信号中面波频散信息提取出来,基于频率波数谱图形,把高阶与低阶的不同面波组分区别出来,在此基础上,进行面波特征峰值曲线的拾取。
(3)计算面波相速度并进行人工分层。对于面波相速度的计算,以多道信号迭加这种方法来完成;而对于人工分层,要根据频散曲线的拐点来操作,最后通过正演模拟对层面波进行计算,以此把地质异常情况及速度界面判断出来。
四、道瞬态面波技术在具体工程实例勘探中的应用
以下以庄河电厂新建工程作为工程实例来说明多道瞬态面波技术在岩土工程勘察中的应用。庄河电厂这个新建工程,其地质基岩由粉质砂层与强风化千枚岩所覆盖。应用多道瞬态面波技术对这个新建工程的基岩覆盖层厚度进行检测,基于这个检测结果,绘制出测区的频谱曲线,如下图所示:
由上图可看出,在粉质粘土与强风化千枚岩的界面,具有比较明显的拐点,但“之”字型还没有出现;在强风化与众风化千枚岩的界面处,具有比较不明显的拐点,但是其形态却是伴随着深度的不断增加,其波速也是逐渐加大,该曲线是按一定的斜率而有规律地变化,这体现了在地层中,自上而下面波波速是逐渐增大,从而说明了地面以下,各个不同地层之间是逐渐变化过渡的这一事实。
五、结语
面波检测技术 篇9
1 面波的主要特性
面波 (对于炸药震源或冲击振源, 面波主要指瑞雷面波) 是在弹性分界面处由于波的干涉而产生, 并且沿界面传播, 波动现象集中在界面附近的一种弹性波, 其具有以下几种主要特性。
1) 面波在自由表面附近传播时, 质点在波传播方向的垂直平面内振动, 振幅随深度呈指数函数急剧衰减, 质点的振动轨迹以波传播的方向或反方向的椭圆轨道运动。
2) 面波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数减小, 大部分能量损失在二分之一波长的深度范围内, 这说明面波某一波长的波速主要与深度小于二分之一波长的地层物性有关。
3) 在多层介质中, 面波具有明显的频散特性。面波沿地面表层传播, 影响表层的深度约为一个波长, 因此同一波长面波的传播特性反映了地质挑拣在水平方向的变化情况, 同波长的面波的传播特性反映着不同深度的地质情况。
2 SWS多道瞬态面波数据采集、资料解释系统
2.1 SWS多道瞬态面波数据采集
1) 系统采集如图1所示。
2) SWS--1型多功能面波仪的主要技术指标道数:
12道、24道, 可扩展 为48道;测试时1道至多道可选放大器:瞬时浮点放大器; 模数转换:20bit; 信号增强:32bit;采样率:30μs-8ms分若干档;采样点数:512—8192个样点分若干档;动态范围:120dB; 滤波器:高、低通模拟滤波; CPU:80386或80486;RAM:2Mb, 可扩为4Mb、8Mb、16Mb;硬盘容量:80Mb, 可扩为120或200Mb;软驱:1×3.5英寸, 1.44Mb; 显示屏:640×480点阵VGA液晶显示屏, 可外配彩显显示彩色剖面; 打印与绘图:输出各种纪录与处理结果;电源:DCl2V, 24道额定功耗小于25W;体积:45cm×34cm×15cm;重量:8.8Kg; 使用环境:-5～+45℃。
2.2 多道瞬态面波资料的解释
面波处理系统的主要功能模块及处理流程如图2所示, 面波勘探采集到的原始资料是面波沿地表传播的振动波形, 通过对波形的室内整理、计算和解释, 归纳面波特点为:
1) 传播速度低, 且只在表层某一深度内传播;
2) 只要有波速差异 (大于或等于l0%) 也可以精确进行分辨;
3) 在均匀介质中, 面波的波速与频率无关, 即没有频散特性;
4) 面波的波长不同, 穿透深度也不同;
5) 面波波速近似等于横波波速, 并具有相关性, 即面波波速与介质的物理力学性质密切相关。
根据面波勘探的上述特点, 同时也考虑到面波勘探场地地层纵横向变化因素较多, 为了减少斜坡反射干扰, 使面波资料能真实反映地面上某一点下面地层垂直变化情况, 在野外采集过程中, 利用已知地质资料, 优选测试参数, 直到与已知地质资料相吻合。由于面波勘探每一测点需要数道的记录 (一般不低于4道) , 原始资料的整理和解释是一项细致又繁杂的工作, 内容包括:
1) 对原始资料进行整理, 检查核对, 编录;
2) 计算各频率条件下面波的传播速度;
3) 确定面波时间—空间窗口;
4) 在频率—波数域内提取面波;
5) 进行频散分析并形成频散曲线图;
6) 根据频散曲线的变化, 对层数和各层速度的变化范围做出定性解释;
7) 进行定量解释, 确定各层的厚度, 计算各层的横波传播速度 (程序中已把面波波速转化为横波波速) , 并对获得结果进行反演拟合解释, 直到拟合相关系数满足要求为止;
8) 绘制成图片, 输入CAD绘图软件, 绘制成果表, 对资料做出地质解释, 对各层的岩土工程性质做出评价, 最后绘制物探地质剖面图。
3 应用实例
3.1 公路路基勘察
图3是兰州-海石湾高速公路采用锤击震源和瞬态面波法取得的工作成果。其中左图为随深度变化的面波速度曲线, 右图是钻孔验证和竖井验证的地质成果柱状图, 二者对应良好。后来在工程勘察中全面采用瞬态面波法, 结合钻孔进行控制。
3.2 探测地下采空区的勘察
图4是兰州-刘寨柯高速公路对采空区采用炸药震源和瞬态面波连续剖面法取得工作成果。第一、第二号面波点的频散曲线出现一层较厚的相对低速层, 而其他3个面波点的频散曲线没出现相对低速层, 层序较好, 从而判断第二号面波点的频散曲线出现相对低速层为采空区开挖及以后废弃周围土层塌落、充填防空形成相对低速层。从而可圈定出防空洞的影响区, 利用钻孔进行验证, 吻合性很好, 为设计提供参考依据。
3.3 公路边坡稳定性的勘察
面波频散曲线的特征及其变化与地下地质条件, 如各层的度、波速等密切相关, 分析这些变化规律和特征, 可以初步确定地层的层数以及各层的厚度和速度可能的范围, 再通过对曲线的综合定量解释, 并结合已有地质资料, 最终可确定出各层的厚度及波速, 达到地质分层, 寻找滑床等滑坡探测的目的。图5是兰海高速公路对滑坡体采用落重震源和瞬态面波连续剖面法取得工作成果。从频散曲线可以明显求解滑动面深度, 在M58中为12m, 在M67中为7.5m。利用钻孔进行验证, 吻合性很好。
3.4 公路软基的勘察
图6是天水过境段高速公路对软基用落重震源和瞬态面波连续剖面法取得工作成果。从频散曲线上相对低速层, 可以直接判读断地层的相对软弱层, 和地层 的软弱层的厚度, 利用钻孔验证吻合性较好, 为设计提供参考依据, 利用瞬态面波法勘察, 可以达到快速、高效、直观的工作效果。
4 结束语
从上面4个有代表性的应用实例不难看出, 多道瞬态面波技术可以达到经济、快速、高效、环保的工作方法, 而且可根据任务灵活选用锤击、落重乃至炸药震源, 将探测深度从十几米一下子提高到100多m, 加之有较强的软件功能保证勘察工作质量, 从而展示出瞬态面波法在公路工程勘察领域的广阔应用前景。
当然, 瞬态面波法的研究和用于工程实践的时间都还不长, 无论是数据采集技术、数据采集处理本身以及解释方法等, 都还不能说已经十分成熟, 有待研究开发的课题不少。
摘要：介绍了我国研制开发的SW S瞬态面波数据采集处理系统的主要技术指标、软件特点与运行环境以及在公路工程中的应用实例, 指出了瞬态面波法在公路工程中的重要作用。
关键词：面波勘探,弹性波,频散曲线
参考文献
[1]王振东.浅层地震勘探应用技术[M]. (第2版) .北京:地质出版社, 1994.