高密度地震映像在某蓄水湖区减渗中的应用

晋凤明, 魏定勇, 刘爱友, 孙雪松, 刘 增

(北京市水利规划设计研究院,北京 100048)

高密度地震映像在某蓄水湖区减渗中的应用

晋凤明, 魏定勇, 刘爱友, 孙雪松, 刘 增

(北京市水利规划设计研究院,北京 100048)

阐述地震映像技术的工作原理,结合测区的地质物探条件,布置开展冰上地震映像物探方法,通过地震映像时间剖面图分析认为,测区渗漏应为垂直渗漏,并对可能渗漏区进行划分。

高密度地震映像;同相轴;淤泥

该湖区位于北京市西直门外,是一处以水上景色为主要游览内容的公园。近年来北京市水资源严重短缺,致使河湖环境用水日趋紧张,严重的水资源短缺也造成北京地区地下水急剧下降,湖区渗漏量增加,补水量逐年递增。为维持湖区的水系景观,减少水系渗漏量,降低公园的运行维护成本,拟对湖区采取必要的减渗措施。

就本次湖底渗漏探测而言,一般认为淤泥层及其下伏粘质粉土为隔水层,当湖底淤泥层(淤泥层和粘质粉土层)变薄或缺失时即可推测为潜在渗漏区或渗漏区。因此,本次的物探勘察目的就是查明湖区淤泥的分布情况,重点标记淤泥缺失区域和范围,为工程防渗处理提供依据。

根据勘察期湖区运营情况,物探工作仅在大湖范围内开展。

1 地质条件及物探方法选取

本蓄水湖区位于永定河冲积扇中部,其内部大湖系天然形成,在大湖东北侧有南长河流过,而位于湖南侧的双紫渠在大湖东侧汇入南长河中。

2010年11月,湖区水深多为0.5～1.7 m,大湖西北侧局部超过2.3 m,南、北小湖水较浅,一般在0.5～1.1 m。

根据调查资料显示,工作区地表以下20 m深度范围内自上而下主要地层为:①人工堆积层,岩性为淤泥(湖堤该层缺失);②新近沉积层,岩性为粘质粉土及砂质粉土或细砂,厚度2.3～3.0 m;③第四纪沉积层,岩性为卵砾石,揭露层厚15 m。

从资料来看,本蓄水湖湖区地层分层明显,且地层简单,各分层之间有密度和纵波波速差异,可开展地震类物探方法。

另外,勘察工期要求为2010年12月之内完成,当时正值湖区结冰,冰层厚度约20 cm。

综合上述条件,为了快速、有效地完成勘察工作,选取了地震映像物探方法。

2 基本原理

高密度地震映像法其原理类似反射波地震勘探,在工作时一般采用小偏移距、单道接受,探测深度在几十米范围内,分辨率高,但不能获得速度参数。该方法在野外采集形式上是以相同的小偏移距逐步移动测点接受地震信号,在地面或水面对地下地层或地下目的物进行连续扫描,利用多种地震波信息来探测地下介质变化的浅层地震勘探方法。其前提是地下介质密度、速度、泊松比具有差异。其中把波速与介质密度的乘积定义为波阻抗,它反映了地震波在介质中穿透、反射的能力[1]。当入射波从波阻抗Z1的岩层入射到波阻抗Z2的岩层分界面时,反射系数表述为:

(1)

式中:γ为反射系数;Z1、Z2分别为介质I和介质Ⅱ的波阻抗;ρ1、ρ2、V1、V2分别表示介质I和介质Ⅱ的密度和波速;其中Z=ρV。

在工程勘探中,地震映像法采用单道激发、单道接受,激发一道后,激发点S与检波点R同时沿着测线移动固定点距,再次激发采集(图1)[2],最后形成的是共偏移距时间剖面见图2。由于在工程中使用的偏移距约0～10 m,所以它是一个近自激自收的地震时间剖面,而且实际测量点是激发点与检波点之间的中点,因此实际上此地震时间剖面反应的是该偏移距范围内的地下岩土层及地质情况的变化[3]。

地震映像资料以地震映像时间剖面图为基础。地震映像法中,常用反射波作为主要的有效波。对采集的地震映像时间剖面进行分析,当界面水平时,反射点的位置正好在记录点上,每次激发的反射波传播时间不变,同相轴为直线;当界面深度发生变化时,反射波的传播时间会发生变化,同相轴相应发生变化;当在介质中存在局部异常体或断层的断点、岩性分界面时会产生绕射波,同相轴亦产生变化。

图1 地震映像法工作原理Fig.1 Working principle of seismic image method注:S1、S2、S3、…Sn均为地震映像法测线上的激发点;R1、R2、R3、…Rn均为地震映像法测线上的每个激发点对应的检波点;S1、S2均为相邻两个激发点之间的距离,称为道间距;S1、R1均为每个激发点与其对应的检波点之间的距离,称为偏移距。

图2 地震时间剖面图Fig.2 Profile map of earthquake time

3 工作布置

为查清工程区内淤泥的分布状况,在现场条件允许的情况下,各测线尽量互相交织成网状,但开展物探勘测工作时,正值本湖区冬季滑冰运营期,湖区多处被隔离成滑冰区,为不影响湖区正常运营,物探工作共布置4条测线(图3)。

图3 物探工作平面布置Fig.3 Layout of geophysical prospecting work

4 成果分析

通过分析高密度地震映像时间剖面图中各波组同相轴能量变化(频率、断续、消失等),可以确定淤泥层的分布范围及缺失情况。

图4为WT1号测线的地震映像剖面图,该剖面呈东南—西北走向,总长度390 m。通过分析可以看出,该剖面水下部分共有四组完整地震映像同相轴,各同相轴能量较强,从上到下频率逐渐变低,同相轴除个别位置断开外,其余部分连续性较好。这基本反映出地下没有层位缺失,也就是说地下淤泥层是连续的,没有大面积缺失,存在水平渗流通道的可能性较小。

结合工区取样揭露岩性,该剖面可分为三段进行具体分析:①该段范围内,地震映像同相轴连续、简洁明显,说明水底层位明显,水与淤泥分层明显,即水底流塑状或软塑状淤积物较少,淤泥固结良好;②该段范围内,映像同相轴有一定起伏,推断该段湖底有一定起伏。而在第一组同相轴上方有一组能量较弱的同相轴,推断为水底流塑状或软塑状淤积物,分布不太均匀;③该段范围内,同相轴连续性好,而在剖面长度368～390 m处,水底地形向下倾,在第一组同相轴上方有一组能量较弱的同相轴,推断为水底软塑状淤积物,分布较均匀。

WT1测线地震映像剖面图整体说明,测线东南部淤泥固结良好,西北部有软塑或流塑状淤泥,说明固结稍差,侧面反映测区东南部可能存在向下渗流,加速了淤泥固结。

图4 WT1测线高密度地震映像剖面图Fig.4 Profile of high-density earthquake image of WT1 measuring line

图5为WT4号测线上的地震映像剖面图,该剖面呈南北走向,总长度239 m。通过分析可以看出,该剖面同WT1号测线一致,水下部分共有四组完整地震映像同相轴,各同相轴能量较强,从上到下频率逐渐变低,同相轴除个别位置断开外,其余部分连续性较好。同WT1测线一样,基本反映出地下没有层位缺失,也就是说地下淤泥层是连续的,没有大面积缺失,存在水平渗流通道的可能性较小。

结合工区取样揭露岩性,该剖面可分为两段进行具体分析:①在该段范围内,同相轴连续性好,且基本水平;②在该段范围内,映像同相轴有一定起伏,推断该段湖底界面有一定起伏。整个剖面在第一组同相轴上方有一组能量较弱的同相轴,推断为水底流塑状或软塑状淤积物,分布不太均匀。

图5 WT4测线高密度地震映像剖面图Fig.5 Profile of high-density earthquake image of WT4 measuring line

另外,工程中还布置了WT2和WT3测线,WT2测线与WT1测线平行,所得成果相似。WT3测线与WT1、WT2测线基本垂直,所得成果图上映像同相轴也是基本连续,没有明显断开段,从而推断不存在淤泥严重缺失区。

通过物探4条测线成果,整体推断本蓄水湖中大湖区没有明显的淤泥层缺失区,即湖底隔水层存在且连续,存在水平渗流通道的可能性较小。从同相轴能量强弱推断,本蓄水湖大湖西北侧淤泥固结性差,而东南侧固结性好,存在垂直渗流的可能性较大。

5 成果验证

物探成果提交时,正值冬季湖区结冰,湖区开展滑冰运营项目。后在第二年春季,划船项目未开展之前,笔者布置了大量勘探取样点。统计在WT1和WT4测线上的勘探点取样成果如表1所示。

从取样结果可见,在物探测线上的所有取样点均取到淤泥,虽厚度不等,但并无缺失,这也从侧面反映出物探成果的可靠性。

图6是根据探测区域的物探资料并结合取样成果绘制的淤泥厚度等值线图,图中显示,在本蓄水湖大湖西北淤泥层分布较厚,其余区域分布不均,或薄或厚,厚度区域为0.2～1.2 m。

根据钻探取样成果,在本蓄水湖区淤泥层下分别存在粉质粘土和砂质粉土两大类,且基本分区存在,如图6中Ⅰ区和Ⅱ区,这与物探地震映像推断成果基本一致,在砂质粉土Ⅱ区,地震映像第一连续同相轴简洁明显,能量强,水底层位分层明显,淤泥固结良好,存在垂直渗漏可能性大。

图6 工区淤泥层厚度等值线平面图

表1 物探测线上的勘探点取样结果统计表

6 结论

通过本次物探勘察成果可以看出,高密度地震映像法在冰层上勘察淤泥层的分布状况是有效的。通过总结得出以下认识:

(1) 就本工区而言,地震映像法可根据同相轴的变化情况判断淤泥层横向分布的连续性,但无法定量给出淤泥层的垂向分布范围。

(2) 根据本次探测结果,大湖湖底淤泥整体呈软塑状,局部为流塑状。湖区淤泥一般厚度0.3～1.2 m,仅在湖区边缘地带及中部零星分布有淤泥厚度较薄区,即0.2～0.3 m,基本不存在淤泥缺失区。

(3) 根据物探推断及取样成果分析,本蓄水湖中大湖东侧和南侧淤泥厚度相对较小,且其下以砂粉、粉砂为主,推测为主要渗漏区。根据勘探资料揭露,场区地下水埋藏较深,20 m深度范围未揭露地下水,因此推断测区以垂直渗漏为主。

[1] 张赓,庹先国,葛宝,等.地震映像法在古河道探测中的应用[J].成都理工大学学报,2011,38(1):38-41.

[2] 张向阳,吴文斌.地震映像法在岩溶地基初步勘察中的工程应用[J].山西建筑,2015,41(11):74-75.

[3] 单娜琳,程志平.地震映像方法及其应用[J].桂林工学院学报,2003,23(1):36-40.

(责任编辑：陈文宝)

The Application of High Density Seismic Image in the Reduction ofInfiltration in a Water Storage Lake

JIN Fengming, WEI Dingyong, LIU Aiyou, SUN Xuesong, LIU Zeng

(BeijingInstituteofWater,Beijing100048)

This paper introduces the working principle of seismic imaging technology,combining the geological and the geophysical conditions,carries out ice seismic imaging geophysical methods.Through the axis of the seismic wave phase,the authors think that the test area leakage should be vertical leakage and possible leakage areas are divided.

high density seismic image; phase axis; mud

2016-05-16;改回日期:2016-05-25

晋凤明(1982-),男,高级工程师,地球物理勘探专业,从事水利水电、岩土工程物探勘探及科研工作。E-mail:13520281817@139.com

P631.4; TV223.4

A

1671-1211(2016)03-0279-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.006

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.020.html 数字出版日期:2016-05-30 09:37