多道瞬态面波在LNG罐区地基勘察中的应用

周荣亮,刘彦华,徐睿知

(江苏省水文地质工程地质勘察院，江苏 淮安 223001)

1 引 言

近年来，我国已建成了多个大型LNG储罐[1]，其中油罐是液化天然气厂的重要建筑，对火源及安全要求极为严格，运用钻探手段对其进行地质勘察的成本较高，且安全指标低[2]。多道瞬态面波作为浅层地基勘察手段，与传统地质钻孔、标准贯入试验相比，具有工程周期短、施工条件简单、效果良好的优势，十分适合此类岩土工程地质勘察[3-7]。在地表介质传播过程中，面波携带浅部土层的地质信息，具有浅部地基勘察的理论基础，与地震折射波法和反射波法相比，其抗干扰能力较强[8-10]。本文介绍了使用多道瞬态面波对两座有效容积为10 000 m3的LNG储罐罐体进行地基勘察，并探讨了多道瞬态面波在储罐地质勘察中的应用，扩展了瞬态面波在岩土工程勘察中的应用领域，可作为类似工程地基勘察评价提供借鉴。

2 多道瞬态面波工作原理

面波在传播过程中，其振幅随深度衰减，能量基本限制在一个波长范围内，同一波长瑞雷波的传播特性反映地质介质在水平方向的变化情况，不同波长瑞雷波的传播特性反映不同深度的地质情况[11]。在地面激发产生一定频率范围的面波，再通过振幅谱分析和相应谱分析，把记录中不同频率的瑞雷波分离开来，从而获得瑞雷波频散曲线，通过解释处理，可获得地层深度与瑞雷波速度的分布[12]。由于瑞雷波的速度较低、能量较强，易于分辨，采用多道瞬态面波进行测试，不仅在岩土体地质特性研究中具有独到的优势，而且在工程、环境的检测和监测应用也越来越广泛[13]。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具有频散特性，即不同频率的面波具有不同的传播速度；②传播过程中能量集中在一个波长深度范围内，根据经验，其穿透深度约为半个波长；③面波传播时与土层的力学性质密切相关，其传播速度与剪切波波速基本相近，并且随土体泊松比的变化不大[14-17]。在工程应用中，通过对多道瞬态面波法采集到的数据进行处理。得到不同测点的频散曲线，再对数据进行整理，可以得到场地的面波速度结构剖面，继而判断场区内地层特性与各地层厚度[18-20]。

3 工程实例

3.1 场地地质概况和地球物理条件

表1 主要分岩土介质的物性参数

根据本场地地球物理特征和场区地质条件，为研究储罐区地基沉降原因，布设13个多道瞬态面波测点，3条剖面线。测点沿着罐区周围进行布置，罐区地面平整，可以不考虑地形的因素，测点布置图详见图1。

图1 测点测线平面布置Fig.1 Layout plan of measuring points and lines

3.2 野外数据采集

本次瑞雷面波勘探采用北京水电物探研究所研发的SWS-6地震勘探系统，震源采用63.5 kg标贯锤作为震源，激震板为30 cm×30 cm金属板，检波器为重庆地质仪器厂生产的低频面波检波器，其固有频率为4 Hz。本次设计勘探深度为20 m，野外工作参数设定如下：记录道24道，道间距1～2 m，偏移距5～15 m，采样间隔0.5 ms，记录长度2 048 ms。

4 资料处理与成果分析

4.1 资料处理

瞬态面波法通过人工震源激发，产生一定频率范围的瑞雷面波，再通过SWS处理软件把记录中不同频率的瑞雷面波分离出来，从而得到一条称为“频散曲线”的VR～f曲线，然后根据VR～f曲线的结果进行反演计算，求取各岩土层的厚度及速度等。根据对BZK06号钻孔瞬态面波测试，和已知地层进行对比(图3)。

图3 BZK06号钻孔面波测试成果解释图与钻孔对比Fig.3 Interpretations of surface wave test results of BZK06 borehole and comparison of boreholes

表2 地层资料与速度

上覆覆盖层主要以第四系填土层与洪冲积层，填土层主要在地表表层，深度范围在0～5 m左右，VS=170～330 m/s，冲洪积层主要以粉质黏土为主，VS=200～360 m/s。基岩主要为全强风化砂质泥岩，VS=400～700 m/s。底板深度在5～13 m。表层素填土受持续低温影响速度较高，表层速度不均匀。场地基岩面总体呈东低西高，右侧底板深度在12 m左右，左侧底板深度在4 m左右。根据对BZK06钻孔面波测试进行分析，单点成果图与地层分层基本一致。各单点、测线成果图见图3～图6。

图4 1号剖面拟速度Fig.4 Pseudo velocity diagram of section 1

图5 2号剖面拟速度Fig.5 Pseudo velocity diagram of section 2

图6 3号剖面拟速度Fig.6 Pseudo velocity diagram of section 3

4.2 平面成果解释

通过对各个面波点基岩面高程数据的分析，形成三条剖面线，使用各基岩面高程在Surfer内形成高程等值线图，可以很直观地看出整体基岩面为左高右低，右侧基岩面埋深在12 m左右，左侧基岩面埋深在4 m左右，基岩面埋深等值线图见图7。综上所述，可以得出该罐区沉降原因是由于基岩面不平整，罐区整体向左倾斜。

图7 基岩面埋深等值线Fig.7 Contour map of bedrock surface buried depth

5 结 论

通过此次工程勘察，可以肯定多道瞬态面波勘探寻找基岩界面与软弱夹层的依据是合理和可靠的。对此次方法测试总结了以下三点问题：

1)通过面波点，到剖面线，再到整个平面，它能准确地反映和区分地下不同岩土层的界面，更有效地达到勘察目的，并且为勘察提供重要的依据。

2)在此次勘察中遇到的冻土问题进行分析，冻土对此数据的误差影响不大，得出多道瞬态面波可以在温度较低的条件下工作，并能够采集出有效数据。

3)在一些特殊场地条件的工程勘察中，多道瞬态面波具有工期短，效率高，费用低，施工条件简单，施工更为安全的优势。