地質(zhì)工程勘察中跨孔彈性波CT的運用論文
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摘要：
由于傳統(tǒng)地質(zhì)工程勘察方法在實際應(yīng)用中具有較大的殘差，為此提出跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應(yīng)用。利用跨孔彈性波CT對地質(zhì)工程勘察區(qū)域進行三維空間探測，獲取到地質(zhì)工程巖體信息，在此基礎(chǔ)上將地質(zhì)三維空間探測數(shù)據(jù)導(dǎo)入到網(wǎng)格模型中，對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理和分析，形成地質(zhì)工程三維空間模型圖，了解到地質(zhì)工程巖體空間分布情況和發(fā)育情況，以此完成地質(zhì)工程勘察。經(jīng)實驗證明，基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法勘察結(jié)果殘差值小于傳統(tǒng)方法，更適用于地質(zhì)工程勘察。
關(guān)鍵詞:
跨孔彈性波CT;地質(zhì)工程勘察;三維空間;網(wǎng)格模型;空間分布;
引言：
跨孔彈性波CT可分為地震跨孔彈性波CT和超聲波CT，是在不損壞待測物體的前提下，利用彈性波射線穿透被測物體，利用信號接收系統(tǒng)在物體的另一端接收到聲波射線。通常情況下跨孔彈性波CT多為一發(fā)多收聲系統(tǒng)，也就是在物體某一點單點發(fā)射彈性波射線，在物體的另一端作扇形排列接收，然后沿著物體另一端從上到下逐點同步移動進行掃描觀測[1]。由于跨孔彈性波CT具有效率高、無損害、精度高、靈敏度高等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域中，比如醫(yī)學(xué)、生物、航天等，在國外跨孔彈性波CT技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到地質(zhì)勘察領(lǐng)域中，并取得了一定的應(yīng)用成果，但是在國內(nèi)還沒有該方面的應(yīng)用經(jīng)驗。目前地質(zhì)工程勘察工作中仍采用傳統(tǒng)的人工勘察方法，傳統(tǒng)勘察方法在實際應(yīng)用中主要依靠人員的勘察經(jīng)驗和勘察技術(shù)，很難獲取到精準的巖體內(nèi)部信息，并且盡可以實現(xiàn)面上的.二維探測，而無法實現(xiàn)面上的三維探測，隨著地質(zhì)工程勘察難度和要求的不斷提高，傳統(tǒng)勘察方法無論是在精度方面還是效率方面都無法滿足地質(zhì)工程勘察需求，為此提出跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應(yīng)用研究，為跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
1、基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法
地質(zhì)工程勘察工作的主要內(nèi)容是通過勘察了解深層地質(zhì)巖體的分布情況和發(fā)育情況，進而推斷出深層巖體的空間位置以及裂隙發(fā)育情況等，本文利用跨孔彈性波CT技術(shù)作為地質(zhì)工程主要測量手段，對地質(zhì)工程進行三維空間探測，獲取到地質(zhì)工程巖體信息，并通過對巖體信息進行分析得到地質(zhì)工程勘察結(jié)果，以下將對基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法進行詳細描述。
1.1、基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)三維空間探測
通常情況下地質(zhì)工程場地內(nèi)地層一般為粉質(zhì)土和碎石土為主，這兩種土質(zhì)的縱波波束Vp在1200m/s～1500m/s內(nèi)，并且工程場地的基巖通常為頁巖，中風(fēng)化頁巖的縱波波束Vp在2400m/s～3500m/s，微風(fēng)化頁巖的縱波波束Vp在3800m/s～4500m/s，未風(fēng)化頁巖的縱波波束Vp在4800m/s～5500m/s。此外場地深部的巖體發(fā)育區(qū)縱波波束Vp在1200m/s～1500m/s，各個地質(zhì)之間有明顯的波束差異，因此根據(jù)地質(zhì)工程勘察需求，此次選用跨孔彈性波CT技術(shù)對地質(zhì)進行三維空間探測，獲取到深層巖體數(shù)據(jù)信息，用于后續(xù)地質(zhì)三維空間探測數(shù)據(jù)分析，其探測過程如下[2]。
根據(jù)實際情況以及探測需求，本文采用型號為LOKP-S2S1型號跨孔彈性波CT掃描儀作為探測設(shè)備。首先利用HIS62地質(zhì)巖芯鉆機利用回轉(zhuǎn)方式對地表進行鉆孔，為了更加精準的獲取到地質(zhì)三維空間數(shù)據(jù)，鉆孔之間的間距要比較小，通常情況下根據(jù)實際情況而定，在5.5m～7.5m之間，鉆孔的孔徑大小控制在100mm～130mm之間，鉆孔的深度在35m～55m范圍內(nèi)，為了避免對地質(zhì)造成損壞，在鉆孔過程中需要進行注水，利用水降低鉆孔產(chǎn)生的延誤和對地質(zhì)的摩擦�？壮芍髮⒅睆綖�75mm的聚氯乙烯套管護壁放入孔內(nèi)，以供跨孔彈性波CT掃描儀工作使用。
鉆孔完成之后，選取兩個比較近的鉆孔作為彈性波CT發(fā)射鉆孔，跨孔彈性波CT掃描儀通過激發(fā)高頻彈性波，向探測地質(zhì)進行掃描；然后選擇另一側(cè)的鉆孔作為彈性波CT接收鉆孔，跨孔彈性波CT掃描儀內(nèi)置傳感裝置，利用傳感裝置接收到地質(zhì)反射回來的彈性波信號。在探測過程中需要開啟跨孔彈性波CT掃描儀的噪聲監(jiān)測功能，選擇噪聲比較小時間范圍內(nèi)作為信號接收時間段，以此跨孔彈性波CT掃描儀保證三維空間掃描探測數(shù)據(jù)的精度。利用計算機讀取到傳感裝置接收到的彈性波CT信號，并對其進行統(tǒng)一保存，用于地質(zhì)三維空間探測數(shù)據(jù)分析。
1.2、地質(zhì)三維空間探測數(shù)據(jù)分析
跨孔彈性波CT掃描儀采集到的數(shù)據(jù)均是彈性波相關(guān)數(shù)據(jù)，若要通過對這些數(shù)據(jù)了解到深層巖體的空間位置以及裂隙發(fā)育情況，需要對三維空間探測數(shù)據(jù)進行處理和分析。首先將勘察區(qū)域離散成若干個規(guī)格的網(wǎng)格單元，將地質(zhì)三維空間探測數(shù)據(jù)導(dǎo)入到網(wǎng)格單元中，形成網(wǎng)格化模型，用公式表示如下：
公式（1）中，ti為地質(zhì)工程離散區(qū)域網(wǎng)格化模型，即第i條彈性波射線的走時；dij為第i條彈性波射線穿過第j個網(wǎng)格的長度；n為彈性波射線數(shù)量；m為地質(zhì)工程離散區(qū)域網(wǎng)格化模型的網(wǎng)格數(shù)量；v為彈性波的速度；(x,y)為彈性波射線的路徑。利用聯(lián)合迭代方法對上述公式進行求解，可以得到每一個小方格內(nèi)的地質(zhì)彈性波慢度值，并分別取其倒數(shù)即可得到鉆孔間巖體分布情況，利用上述公式繪制出各個離散后地質(zhì)工程巖體三維空間模型圖，將所有離散后的區(qū)域巖體三維空間模型圖融合到一起，就形成了地質(zhì)工程勘察巖體三維空間分布圖，通過該圖可以了解到地質(zhì)工程巖體發(fā)育情況以及分布情況，確定巖體的具體發(fā)育位置和范圍，以此完成基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察[3]。
2、實驗論證分析
實驗以某地質(zhì)工程為實驗對象，該地質(zhì)工程勘察面積為6642.5m?，地質(zhì)土層為粉質(zhì)黏土、碎石土等，存在波速差異，實驗利用此次設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法對該地質(zhì)工程進行勘察，得到深層巖體分布情況。
根據(jù)該地質(zhì)工程實際情況，在勘察區(qū)域內(nèi)布設(shè)10條測線，每個測線布置5個鉆孔，共計布置50個鉆孔，5對跨孔彈彈性性波波CCTT剖剖面面。。實實驗驗中中工工程程地地質(zhì)質(zhì)鉆鉆孔孔孔孔徑徑為為110000mmmm，，鉆鉆孔孔孔深為45m。每個鉆孔利用礦孔彈性波CT三維空間探測掃描三次，取三次掃描中噪聲波動最小的一組數(shù)據(jù)作為探測數(shù)據(jù)，共獲取數(shù)據(jù)1235.52MB，按照上文對地質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析，共獲取到5個巖體剖面圖。實驗用電子表格記錄兩種方法勘察數(shù)據(jù)，將其與實際值進行對比，并利用GSS軟件計算出兩種勘察方法勘察結(jié)果的殘差值，殘差值是用于評價精度的一個有效指標，其取值范圍在0-1之間，殘差值越接近1則說明勘察結(jié)果精度越低，與實際值之間的誤差越大，相符程度越小；殘差值越接近0則說明勘察結(jié)果精度越高，與實際值之間的誤差越小，相符程度越高。實驗將殘差值作為實驗結(jié)果，對兩種地質(zhì)工程勘察方法進行對比分析，實驗結(jié)果如下圖所示。
從上圖可以明顯看出，基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法殘差值最低可以達到0.42δ，評價殘差值僅為0.63δ。而傳統(tǒng)方法最大殘差值為0.96δ，平均殘差值為0.89δ，遠遠高于設(shè)計方法，因此實驗證明了基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法勘察精度更高，相比于傳統(tǒng)方法更適用于地質(zhì)工程勘察。
3、結(jié)語
本文對跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應(yīng)用進行了研究，利用跨孔彈性波CT技術(shù)掃描獲取到地質(zhì)工程相關(guān)信息，并且對其進行處理和分析，形成一個新的地質(zhì)工程勘察方法，跨孔彈性波CT技術(shù)的應(yīng)用有效克服了傳統(tǒng)勘察方法對準確獲取深度巖體信息的困難，提高了地質(zhì)工程勘察工作效率和精度，有助于實現(xiàn)地質(zhì)工程的三維空間探測，對跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察工作中的應(yīng)用具有一定的推廣作用。
參考文獻
[1]邢慶祝楊志強，任衛(wèi)波跨孔彈性波CT技術(shù)在某船閘工程場地巖溶勘探中的應(yīng)用研究[J]西部探礦工程2018,30(071)110-111+114.
[2]余輝,黃遠亮,王吉慶跨孔彈性波CT掃描技術(shù)在巖溶區(qū)樁基勘察中的應(yīng)用[A].江蘇省綜合交通運輸學(xué)會公路分會.2019年泛長三角公路發(fā)展論壇論文集[C].江蘇省綜合交通運輸學(xué)會公路分會:江蘇省公路學(xué)會，2019:6.
[3]盧澤昌,史艷超張進才.工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)及其應(yīng)用研究[J]中國標準化,2019(04):104-105.
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