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：
由于傳統地質(zhì)工程勘察方法在實(shí)際應用中具有較大的殘差，為此提出跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應用。利用跨孔彈性波CT對地質(zhì)工程勘察區域進(jìn)行三維空間探測，獲取到地質(zhì)工程巖體信息，在此基礎上將地質(zhì)三維空間探測數據導入到網(wǎng)格模型中，對數據進(jìn)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(shí)驗證明，基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法勘察結果殘差值小于傳統方法，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(xiàn)穿透被測物體，利用信號接收系統在物體的另一端接收到聲波射線(xiàn)。通常情況下跨孔彈性波CT多為一發(fā)多收聲系統，也就是在物體某一點(diǎn)單點(diǎn)發(fā)射彈性波射線(xiàn)，在物體的另一端作扇形排列接收，然后沿著(zhù)物體另一端從上到下逐點(diǎn)同步移動(dòng)進(jìn)行掃描觀(guān)測[1]。由于跨孔彈性波CT具有效率高、無(wú)損害、精度高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應用于測量領(lǐng)域中，比如醫學(xué)、生物、航天等，在國外跨孔彈性波CT技術(shù)已經(jīng)被應用到地質(zhì)勘察領(lǐng)域中，并取得了一定的應用成果，但是在國內還沒(méi)有該方面的應用經(jīng)驗。目前地質(zhì)工程勘察工作中仍采用傳統的人工勘察方法，傳統勘察方法在實(shí)際應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部信息，并且盡可以實(shí)現面上的二維探測，而無(wú)法實(shí)現面上的三維探測，隨著(zhù)地質(zhì)工程勘察難度和要求的不斷提高，傳統勘察方法無(wú)論是在精度方面還是效率方面都無(wú)法滿(mǎn)足地質(zhì)工程勘察需求，為此提出跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應用研究，為跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應用提供理論依據。
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容是通過(guò)勘察了解深層地質(zhì)巖體的分布情況和發(fā)育情況，進(jìn)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(jìn)行三維空間探測，獲取到地質(zhì)工程巖體信息，并通過(guò)對巖體信息進(jìn)行分析得到地質(zhì)工程勘察結果，以下將對基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法進(jìn)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(chǎng)地內地層一般為粉質(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，并且工程場(chǎng)地的基巖通常為頁(yè)巖，中風(fēng)化頁(yè)巖的縱波波束Vp在2400m/s～3500m/s，微風(fēng)化頁(yè)巖的縱波波束Vp在3800m/s～4500m/s，未風(fēng)化頁(yè)巖的縱波波束Vp在4800m/s～5500m/s。此外場(chǎng)地深部的巖體發(fā)育區縱波波束Vp在1200m/s～1500m/s，各個(gè)地質(zhì)之間有明顯的波束差異，因此根據地質(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(jìn)行三維空間探測，獲取到深層巖體數據信息，用于后續地質(zhì)三維空間探測數據分析，其探測過(guò)程如下[2]。
根據實(shí)際情況以及探測需求，本文采用型號為L(cháng)OKP-S2S1型號跨孔彈性波CT掃描儀作為探測設備。首先利用HIS62地質(zhì)巖芯鉆機利用回轉方式對地表進(jìn)行鉆孔，為了更加精準的獲取到地質(zhì)三維空間數據，鉆孔之間的間距要比較小，通常情況下根據實(shí)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，為了避免對地質(zhì)造成損壞，在鉆孔過(guò)程中需要進(jìn)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，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(gè)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(guò)激發(fā)高頻彈性波，向探測地質(zhì)進(jìn)行掃描；然后選擇另一側的鉆孔作為彈性波CT接收鉆孔，跨孔彈性波CT掃描儀內置傳感裝置，利用傳感裝置接收到地質(zhì)反射回來(lái)的彈性波信號。在探測過(guò)程中需要開(kāi)啟跨孔彈性波CT掃描儀的噪聲監測功能，選擇噪聲比較小時(shí)間范圍內作為信號接收時(shí)間段，以此跨孔彈性波CT掃描儀保證三維空間掃描探測數據的精度。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(jìn)行統一保存，用于地質(zhì)三維空間探測數據分析。
1.2、地質(zhì)三維空間探測數據分析
跨孔彈性波CT掃描儀采集到的數據均是彈性波相關(guān)數據，若要通過(guò)對這些數據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據進(jìn)行處理和分析。首先將勘察區域離散成若干個(gè)規格的網(wǎng)格單元，將地質(zhì)三維空間探測數據導入到網(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)工程離散區域網(wǎng)格化模型，即第i條彈性波射線(xiàn)的走時(shí)；dij為第i條彈性波射線(xiàn)穿過(guò)第j個(gè)網(wǎng)格的長(cháng)度；n為彈性波射線(xiàn)數量；m為地質(zhì)工程離散區域網(wǎng)格化模型的網(wǎng)格數量；v為彈性波的速度；(x,y)為彈性波射線(xiàn)的路徑。利用聯(lián)合迭代方法對上述公式進(jìn)行求解，可以得到每一個(gè)小方格內的地質(zhì)彈性波慢度值，并分別取其倒數即可得到鉆孔間巖體分布情況，利用上述公式繪制出各個(gè)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(guò)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(shí)驗論證分析
實(shí)驗以某地質(zhì)工程為實(shí)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(shí)驗利用此次設計方法與傳統方法對該地質(zhì)工程進(jìn)行勘察，得到深層巖體分布情況。
根據該地質(zhì)工程實(shí)際情況，在勘察區域內布設10條測線(xiàn)，每個(gè)測線(xiàn)布置5個(gè)鉆孔，共計布置50個(gè)鉆孔，5對跨孔彈彈性性波波CCTT剖剖面面。。實(shí)實(shí)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(gè)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(dòng)最小的一組數據作為探測數據，共獲取數據1235.52MB，按照上文對地質(zhì)數據進(jìn)行分析，共獲取到5個(gè)巖體剖面圖。實(shí)驗用電子表格記錄兩種方法勘察數據，將其與實(shí)際值進(jìn)行對比，并利用GSS軟件計算出兩種勘察方法勘察結果的殘差值，殘差值是用于評價(jià)精度的一個(gè)有效指標，其取值范圍在0-1之間，殘差值越接近1則說(shuō)明勘察結果精度越低，與實(shí)際值之間的誤差越大，相符程度越��；殘差值越接近0則說(shuō)明勘察結果精度越高，與實(shí)際值之間的誤差越小，相符程度越高。實(shí)驗將殘差值作為實(shí)驗結果，對兩種地質(zhì)工程勘察方法進(jìn)行對比分析，實(shí)驗結果如下圖所示。
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(jià)殘差值僅為0.63δ。而傳統方法最大殘差值為0.96δ，平均殘差值為0.89δ，遠遠高于設計方法，因此實(shí)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，相比于傳統方法更適用于地質(zhì)工程勘察。
3、結語(yǔ)
本文對跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應用進(jìn)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(jìn)行處理和分析，形成一個(gè)新的地質(zhì)工程勘察方法，跨孔彈性波CT技術(shù)的應用有效克服了傳統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(shí)現地質(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用具有一定的推廣作用。
參考文獻
[1]邢慶祝楊志強，任衛波跨孔彈性波CT技術(shù)在某船閘工程場(chǎng)地巖溶勘探中的應用研究[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)在巖溶區樁基勘察中的應用[A].江蘇省綜合交通運輸學(xué)會(huì )公路分會(huì ).2019年泛長(cháng)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(huì )公路分會(huì ):江蘇省公路學(xué)會(huì )，2019:6.
[3]盧澤昌,史艷超張進(jìn)才.工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)及其應用研究[J]中國標準化,2019(04):104-105.
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