工程地震仪-SWS系统及应用.ppt
SWS系统及应用简介北京市水电物探研究所金荣杰电话：,SWS-6（24道）,SWS-7（48道）,SWS型工程勘探与工程检测系统是北京市水电物探研究所自主研发的、高性能、多功能的岩土工程勘察检测新设备。其中多道瞬态面波勘察、高密度地震映象和水域走航式高密度地震反射波勘察新技术具有自主知识产权。SWS系统处理结果直接以彩色图显示地层层序和物性，是勘察施工快捷化、勘察成果定量化的创新技术。SWS系统于1996年3月15日通过国家科委主持的专家评审鉴定，鉴定结论为SWS系统属世界领先水平，并于1998年荣获国家重点新产品证书。,SWS系统主要功能：1 多道瞬态面波勘察、检测 2 水域与陆域高密度地震映像勘察3 工程测振分析评价 4 超长采样的地脉动测试、基桩检测5 地震反射波、折射波勘察 6 弹性波CT检测与波速测井7 伪随机叠加采集功能，采用伪随机叠加技术，以连续冲击叠加采集方式代替炸药，摆脱炸药震源施工的困难，可使地震波记录实现高分辨效果，同时使地震反射波勘探深度方便地达到600-700米，使面波勘探深度方便地达到30-60米,SWS系统应用领域：1 各类岩土工程勘察检测 2 水域工程勘察 3 资源环境勘查 4 堤坝隐患检（监）测 5 地基加固效果检测 6 地质灾害调查 7 地基动力特性测试评价 8 工程振动测试评价 9 基桩无损检测,SWS系统技术指标：1 24通道(SWS-6)，48通道（SWS-7）2 瞬时浮点放大，双AD采集，A/D位数20+，精度高3 动态范围大：120132db，噪音低4 频带宽度0.54000Hz5 采样率：0.0120ms多档可选6 超长采集记录功能7 数字滤波8 接口：USB接口9 操作系统：Windows XP系统10 工控级主板,地震波勘探方法简介及应用实例一、多道瞬态面波方法1、面波勘探的基础 地表震源不仅激发纵波和横波，同时纵波与横波相互干涉叠加形成一种新的能量很强、主要集中在地表附近、沿介质层面滚动传播的波，称为瑞雷面波。一般情况下，岩土体都可以近似认为是层状介质。瑞雷波在层状介质中具有频散特性，瑞雷波勘探的直接成果是瑞雷波的频散曲线，频散曲线的特征及其变化与地下地质条件（如地层的厚度、波速等）密切相关。瑞雷波的传播速度依赖于波长。同一波长的瑞雷波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的波反映不同深度的地质情况。瑞雷波在沿界面传播时，其穿透深度相当于它的波长。实际工作中，在地面测得的Vr被认为是/2范围内介质的平均速度值。面波勘探，要求地层横向变化不明显，随深度增加速度逐渐增加。,瑞雷面波的特性：1、在分层介质中，瑞雷波具有频散特性；2、瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同；3、瑞雷波的传播速度与横波传播速度具有相关性。4、竖向激振时，瑞雷波能量占总能量的绝大部分，而且比纵波、横波衰减得慢。频散又称波散，是指正弦波传播的速度随其波长而变化。形象地讲就是：面波最初传播的时候，“队列整齐”地前进，逐渐地，这支队伍发生了“分化”，有些频率的面波“比较敏捷”，跑在前面；而有些频率的面波“比较迟缓”，落在后面这种情况称为“频散”。面波的频散是由它所经历的“路程”上的地球结构决定的，因此它对地球内部结构也有明显的反映。,瑞雷波法的特点：1、浅层分辨率高；2、不受各地层速度关系的影响：折射波法要求下伏层速度大于上覆层速度；反射波法要求各层具有波阻抗差异；瑞雷波法只要求具有波速差异，即使差异只有10%也可以精确进行分辨。3、工作效率高，费用低。,面波勘探可解决的问题利用人工激发的瑞雷波，可以解决如下几方面的浅层地质问题：1、工程地质勘察：利用实测的频散曲线，通过定量解释，可以得到各地质层的厚度及弹性波的传播速度，传播速度的大小直接反映了地层的“软”“硬”程度。因此可以对第四系地层进行划分，确定地基的持力层。可方便地划分出地层中软弱层的埋深及范围。2、地基加固处理效果评价：通过实测地基加固前后的波速差异，得到处理后的地基较处理前土体的物理力学性质的改善程度，同时可方便地对处理后场地在水平方向的均匀性做出评价，以及确定加固所影响的深度和范围。3、岩土的物理力学参数原位测试：波速的大小与介质的物理力学参数，如密度、剪切模量、压缩模量、泊松比密切相关。因此通过对实测资料的反演拟合解释，可以得到岩、土层的横波速度、纵波速度，进而计算出其它参数。4、地下空洞及掩埋物探测：当瑞雷波的勘探深度与地下土洞、溶洞、矿区废弃矿井以及各地下掩埋物的深度相当时，频散曲线就会出现异常跳跃，据此可以确定其埋深及范围。,5、公路、机场跑道质量无损检测：利用瑞雷波可以不破坏路面而测出路面、基层和路基的横波速度，结合纵波速度、密度等参数可计算路面厚度、基层和路基的压实度，路面的的抗折、抗压强度及路基的载荷能力，柔性路面的弯沉值，评价挡土墙和边坡的稳定性。该方法用于机场跑道和高等级公路和另一项意义是可实现质量随年代变化的连续监控，做预防性维护期质量的检测。6、饱和砂土层的液化判别：利用瑞雷波法测得横波速度，结合其它条件，如砂的粒度、饱和砂土层的埋深、地下水位的深浅等地质条件，可以计算出该饱和砂土层的液化临界波速值，判别饱和砂土层的液化可能性，为场地地震小区划服务。7、其它方面的应用：软弱地基调查、塌方调查、滑坡调查、破碎带调查、斜面调查、铺砌形状调查、地下结构物调查、基岩的完整性评价、场地土类型与类别划分、堤坝危险性预测，桩基入土深度探测等。85%的工程，应用面波勘探可得到解决。,面波测试的深度 面波方法测试的深度主要取决于震源。1、24磅大锤敲击，测深2030m2、落重做震源（63.5kg的标贯锤从2m高自由落下），测深3040m3、炸药震源：800g药量，测深160m（济南）；1Kg药量，测深240300m（新疆）,面波勘察方法注意事项1、数据采集道间距：相邻两个检波器之间的距离，其值应不大于所研究最小地层的厚度。采集道数：多道瞬态面波勘察技术规程（JGJ/T 143-2004）规定面波采集时宜用24道。对于一个排列，是排列下部整体地层的平均反映，但以中点处的反映最明显，故定义为反映排列中点的下部地层情况。排列长度：所有检波器的道间距之和，其长度应不小于最大勘探深度。其值由道间距与采集道数决定。,1、如果排列短则高阶面波与基阶面波不易区分。2、面波在传播过程中会发生频散，越往深层频率越低，如果排列短的话，不容易取到深部的资料。,1为纵波的直达波和折射波，2为高阶面波，3为基阶面波。,采集时，最好使排列长度长一些,3、在F-K域中，频率波数谱能够完全确定的面波最大波长取决于采集排列的长度，排列长度长，谱图能正确反映的面波波长就长，区分不同波长的能力越强，各个能量轴都比较窄，空间截断效应也较弱，从而各个模态能量轴的区分比较合理。若测线长度不够，所拾取的基阶面波中的能量不足以抵制其它干扰波的影响，峰值点线易发生速度偏移。,采集时，最好使排列长度长一些,24道记录形成的频谱图 12道记录形成的频谱图 6道记录形成的频谱图,偏移距：激振点到第一道检波器的距离。通常锤击的偏移距为510m，可测深1030m。偏移距的选择原则：1、近震源道不削波，基阶面波不向高阶面波发生偏移。如果发生大的偏移则需减小偏移距。2、规避干扰源，善于借助处力。如波的前进方向（地面或地下）出现反射波干扰时，需要改变激振方向。,若在公路旁边测试，测线需垂直公路，在公路一侧敲击。若不能使车辆限行，最好等车行至与测线方向一致时敲击。,1为基阶面波，2为震源后方界面反射回来的面波，3为震源前方界面反射回来的面波。,偏移距的数值有正负之分：激振点在第1个检波器延长线外敲击，为正值；激振点在第24个检波器延长线外敲击，为负值。地震勘探的电缆规格是每条有12道，进行24道测试时，需要用两条电缆连接检波器，这两条电缆规格是相同的，放置电缆时需要注意的是：两条电缆要按同一个方向摆放，即大线插头朝向同一个方向。频散曲线的第一个点离地表总有一定距离，因为震源激发的波经过一定距离（偏移距）的传播，只有一定波长的波才能被检波器接收到，所以偏移距越小，第一个点离地表越近。相同条件下，偏移距越大，测试深度越深。,采样点数：记录波旅行过程中所用的点数。通常选择1024点。采样间隔：也叫采样率，就是记录每个样点的时间间隔。通常选择0.5ms。一般来讲，4个样点可以描述一个波形，最少也可用2个点，点数越多描述的波形越可靠。假设面波f=5Hz,T=1/5=0.2s=200ms若采样间隔为0.5ms,则有 200/0.5=400点。也就是一个传播周期可以采集到400个样点。所以0.5ms完全可以满足要求。记录长度：记录波的旅行时间，由采样点数与采样间隔的乘积决定。单纯从面波记录的面貌来讲，记录长度应满足最后一道基阶面波到达的时刻在整个记录长度的1/2偏上部位。,记录长度合格的记录 记录长度过短的记录,滤波：面波采集时不用滤波。因为滤波会损失面波携带的有用信息，同时滤波会产生一定的相移。叠加：面波采集时不用叠加。因为面波测深也叫频率测深，利用的面波的频散特性，叠加采集是为了增加能量，提高信噪比，对频率并没有改变；再则叠加采集时不能保证每次激发的频率都一样。检波器频率的选择：V=/T=f(面波勘察中，H=/2=2H)所以，V=2Hff=V/2H（根据介质的速度与所要测试的深度可确定频率）土层的速度一般为100350500，所以面波测试用4Hz的检波器（低频检波器可用在高频的需求上）激振垫板：板子越硬（不会发生塑性变形）、越轻越好。一般用1012mm厚，15cm见方的板子。锤击开关的连接：大锤激振时，用锤击开关进行触发。将锤击开关紧密地绑在锤把上，距锤头1cm左右，使粗糙面冲上。,测线的布置：在山坡测量时，测线或沿等高线布置，或沿斜坡方向布置，从山脚往上测，即在山脚敲击因为山脚沉积层厚，易产生低频波，山上部的沉积层薄，易产生高频波。测试得到的深度是法线深度。测线的移动：指一个剖面上面波点距小于排列长度时的情况。,假设道距为2米，两个面波点间距为10米。测完第一个面波点A点后，将前5个检波器移到24道之后按原道距插好，则B点为第二个面波点，A、B两点间距为10米。采集记录质量要求：1、记录长度足够长；2、初至波到达以前越干净越好，即没有干扰波；3、观察有无坏道。若出现坏道而又无备用检波器可替换时，要使坏道在记录的边道，要保证记录中间无坏道（因为面波采集是共炮点、等道距方式）,2、数据处理（1）X-T域中，拾取基阶面波时，面波窗口的上限与基阶波平行，面波窗口的下限在无大的干扰的情况下不宜取得太往上，否则会丢失深部的资料。拾取窗口的上下两条界线不易太接近，若两条界线太接近了则相当于做了低频滤波，会缺失深部资料。（2）F-K域中，基阶波的能量不一定最强，但是延续性最好。正常情况下，基阶面波能量最强，但有时在比较复杂的情况下，会出现高阶波能量最强。此时可在X-T域中先选一个大一点的窗口圈定面波，得到一个能量图；然后再在X-T域中选基阶明显的小窗口，观察能量图的变化，从而可以确定基阶波。,2、数据处理（3）正常的频散曲线应该是随着地层的加深，速度逐渐加大，但是呈收敛趋势。如果到了深部以后，发生速度降低，可能是因为检波器频率不够低，或是震源激发的频率不够低，检波器接收到的信号并不是震源激发的信号，有可能是地球自转产生的低频干扰及其它干扰。若是速度明显增大，可能是受高阶面波的影响所致。频散曲线上的点反映的是地表至该点的地层平均瑞雷波速，反演分层后得到的VS是该层的平均层速度。（4）分层：从地质角度讲不赞成细分。,震源形式,现场采集,地基勘察 边坡勘察 路基检测,应用实例地层层序勘查,应用实例：风化带分层,应用实例花岗岩隧道勘察,隧道轴线的地层界面、风化分带和地层介质物性质的调查,应用实例建筑地基勘察,湿陷性黄土的地基调查，为计算不均匀沉陷提供依据,应用实例电厂场址勘察,回填垃圾土地基调查，与开挖后照片对照完全吻合,应用实例地基加固效果检测,0 米至 6 米剪切波速度为 200-250米/秒，6 米至 10米剪切波速度为 160-190米/秒，反映0 6米左右，经过加固，地基土密实度提高。,应用实例灰土桩加固地基检测,应用实例滑坡勘察,应用实例边坡勘察,风化分带界面清晰，有利边坡稳定计算和锚固治理设计。,二、高密度地震映像法 高度度地震映像方法是基于反射波中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅层地震勘探方法。这种方法可以利用多种波作为有效波来进行探测。采集时采用固定偏移距、小道距移动的方式，通常采用单道接收。地震映像方法的特点：1、采集速度快，但抗干扰能力弱，勘探深度有限。2、资料解释时可利用多种波的信息，可以是反射波、折射波或面波等。3、适用于探测目的层较单一、只需研究横向地质情况变化。4、由于采用了共偏移距采集，地震记录上的时间变化主要为地下地质异常体的反映，资料解释比较方便。,应用实例非金属管道探测,应用实例空洞探查,应用实例岩溶探测,三、折射波方法 地震波传播过程中，当下层介质的速度比上层介质速度高时，地震波即发生折射，在地面接收折射波，分析和解释时距曲线，即可了解地下的地质情况。折射波法的作用：可探测覆盖层的厚度、基岩面起伏状态、断层位置、潜水面深度等。折射波波适用条件：1、深度增加，速度增大2、同一速度层内各个方向速度相等3、速度界面平坦折射波法的测试深度一般为2030米，测深太大盲区也大，测线太长。,四、陆域地震反射波方法 主要利用反射波相位的时空特性来推断解释地下构造。一般不受地层速度逆转的影响，纵波反射波探测深度较大，激发方式多样，是常用方法之一。反射波法的适用条件：被探测地层与上覆地层应有一定的波阻抗差异，并有一定厚度。反射波方法的作用：1、勘察基岩埋深，覆盖层地层层序调查；2、隐伏地层岩性和地质构造调查；3、灾害地质调查；反射波法的特点：1、有利于地下地质体的连续调查；2、地层的水平分辨较高；3、地层的垂向分辨适用于较厚地层；,应用实例水库坝址基岩深度勘察,应用实例地质构造调查,向斜、背斜、断层清晰。,应用实例地层岩性分布调查,应用实例滑坡调查,五、水域地震反射波方法,五、水域地震反射波方法,常规水域走航式地震反射波的采集，一般是35分钟采集一次，以船速3海里/小时计算，每测点的间隔为250450米，如此大的测点间隔往往不能满足工程勘察要求；水域浅剖设备，震源频率高，在地层中衰减大，因此在勘察深度方面往往不能满足要求。SWS系统在水域的勘察克服了以上两种方法的缺陷。SWS系统具有1秒钟完成一个勘探点的探查功能，同样每小时3海里的走航速度，实现的勘探点间距为1.5米左右，达到对地层的精细勘察。配套设备水上连续冲击震源（获国家专利，专利号ZL99 1 17849.1）：激发能量大、频带宽。,五、水域地震反射波方法,技术点评：1、适用于水深3-5米以上水域调查；2、地层的水平分辨高，点距1-2米；3、地层速度差具有梯度效果明显；4、勘查作业效率高；5、布线长度短；6、需要连续机械冲击震源船。,已承担完成的勘察成果证明：100米勘察深度内地层清晰，成果图具有直示水下地质地层的效果。,应用实例：跨海峡桥址地质剖面调查,应用实例：水库抛石加固调查,应用实例：港口地质调查,应用实例：越江LNG输气干线勘查,
