宽频拖曳式地震检波器的面波精细化探测成像

传统的主动源面波仪采用锥形速度型检波器,具有频带窄、纵向分辨率低的缺点。传统装置移动测点需人工手动逐一移动检波器,无法低成本快速采集高密度面波数据,横向分辨率低。文中提出适应于硬化路面的拖曳式地震面波数据采集方法,设计重力耦合加速度检波器,线性、阵列拖曳式检波器串结构,提出高采样以提高面波探测精度的方法,实现高密度、小道距、高采样率、宽频数据采集。分析模型数据和实测数据在不同采样率时的结果表明,高采样能压制噪声干扰增强低频能量,保证足够的探测深度;检波器采集的面波数据,能保证在足够的深度范围内精细地刻画速度层的变化,查明潜在的塌陷位置。将拖曳式地震检波器应用于城市道路塌陷探测,体现高效采集、精细探测的优势。

隧道地震超前探测正演与应用研究

针对隧道开挖过程中常见的不良地质体断层和岩溶,进行了地震正演研究。波场快照显示在隧道观测系统条件下,可接受到超前方向断层和岩溶反射的地震波场。其中,断层模型波场清晰,可以发现明显的反射P波、反射S波、透射P波和透射S波;而岩溶模型由于其形态不规则,波场比较复杂,岩溶模型长边为10 m、短边为5 m时,也可以识别反射P波和转换S波,以上正演结论展示了地震波在断层和岩溶中的传播过程,说明了隧道地震预报的可行性,将该方法在郑万铁路雷家坡隧道进行了工程应用,解释结果与现场情况高度一致,说明该方法可以为隧道工程安全掘进提供参考依据。

τ-p变换在隧道地震超前探测中的应用及适应性分析

TETSP-2隧道地震超前探测系统利用三分量检波器接收地震信号,迫切需要将数据中的纵横波信息分离。文章由隧道内线性观测系统的反射纵横波时距曲线进行推导,并基于Taylor理论分析τ-p变换在隧道地震超前探测中的物理意义和可行性,给出τ-p变换截距和慢度与反射界面倾角的关系,模拟简单条件下二维隧道空间内的地震全波场,分析不同波场的反射特征,比较不同倾角情况下反射纵横波在τ-p变换域中的特征及差异。结果表明:不同倾角反射纵横波的视速度不同,随着倾角逐渐变小,视速度变大。τ-p变换能够利用视速度差异进行波场分离,在隧道前方低速带倾角较大时(40°以上),分离效果较好;在倾角较小时,时距曲线的一阶Taylor展开式具有较大误差,分离效果变差。

TeTSP隧道地震超前探测系统在南王庄隧道断裂灾害防治中的应用

结合平赞高速公路南王庄隧道所发生的不良地质灾害,详细介绍了TeTSP隧道地震超前探测系统对于断裂构造这一典型不良地质体探测中的应用,有效指导了施工。

拖曳式瞬变电磁法在防空洞精细探测中的应用研究

防空洞等人防工程通常分布于城区之中,受场地,道路及周边电磁环境干扰等影响,常规地球物理方法施工困难.瞬变电磁法具有施工方便,效率高的特点,在城市地下空间探测中有广泛应用前景.本文将拖曳式瞬变电磁法应用到地下防空洞精细探测中,从理论与应用两个方面进行探讨分析.首先,建立三维防空洞异常体模型,采用有限差分数值方法模拟瞬变电磁场三分量传播规律,分析了单异常体和多异常体响应特征规律;其次,在数据处理方法上,采用萤火虫非线性优化算法进行反演计算.建立理论层状模型和二维理论模型进行反演计算,研究结果表明,萤火虫优化算法能较好的反映出层状和防空洞模型分布情况.最后,将拖曳式瞬变电磁法应用于郑州市地下防空洞调查中.将反演成像结果与已知资料进行对比分析,表明该方法能反映出防空洞分布情况,异常分辨能力强.研究工作为地下人防工程及病害体精细探测提供高效精准的方法与技术.

城市道路拖曳式地震数据精细化成像方法

城市道路塌陷已造成严重的经济损失和生命安全损害,需要精细化的探测方法查明潜在的隐患。文中提出城市道路拖曳式地震数据精细化成像方法,充分利用逆散射波、面波和反射波实现城市道路目标体的精细化成像,并建立完整的数据处理流程。依据模型数据和实测数据结果总结得出:逆散射波的横向分辨率高,能实现空洞等异常体的准确横向定位;不参与反演计算的面波快速成像方法避免反演计算的多解性和假异常,能提高横向和纵向分辨率;从反射波得到的叠加剖面能追踪反射波和绕射波的变化特征,准确分析物性分界面的横向变化特征,实现绕射点的准确定位。综合以上三种成像方法,能精细化分析空洞的横向位置和深度信息。随着拖曳式地震设备的持续发展,逆散射波、面波和反射波的数据处理方法在城市道路精细化探测工作得到广泛应用。

计及全泄漏影响的多点插值离散傅里叶变换校正方法

针对多频率短时波动周期情况,提出基于全泄漏频谱抑制的多点插值离散傅里叶变换(DFT)校正方法。首先,利用最大旁瓣衰减窗频谱线性比例递推特性,将其他频率分量的频谱泄漏干扰以泰勒级数多项式等效近似,结合被测频率的负频谱泄漏分量建立全泄漏频谱参数模型;然后,根据谐波频谱泄漏的近似精度建立多谱线方程组,通过精确求解得到最大旁瓣衰减窗下的多谱线频率插值校正通用解析表达式;最后,采用最小二乘法得到幅值和相位的有效估计。多重仿真和实验测试结果表明,在噪声和等量级的其他频率泄漏干扰下,当被测频率低至1.5个频率分辨率时,算法依然保持具有很高的校正精度。

煤矿常见灾害性地质异常体地震正演研究

断层、陷落柱和采空区是煤矿生产掘进中常见的灾害性地质异常体,简化设计了上述异常体的模型,利用有限差分法进行了地震数值模拟。研究表明:当地表地形平坦、覆盖次数足够时,地震剖面上可清晰识别小断层和采空区,且在采空区底部发现明显多次波,对于顶部压实的陷落柱,当其底部长轴大于25 m,高大于70 m时,地震方法可以对其探测预报,对于顶部塌陷的陷落柱,当其尺寸大于底部长轴长10 m,高60 m时,地震剖面上可以发现明显的"串珠状"反射特征,该特征是顶部塌陷陷落柱识别的重要标志。这些结论对上述常见灾害性地质异常体探测有一定的指导意义。

基于解析插值离散时间傅里叶变换的精确频率估计

短时波动周期下,来自负频率的频谱泄漏是频域插值算法估计误差的主要来源。为消除频谱泄漏影响以实现任意波动周期下实正弦信号频率的精确估计,该文提出一种基于广义离散时间傅里叶变换(DTFT)插值解析的频率估计算法。该算法利用位于频谱主瓣范围内的任意DTFT谱线构建对应实/虚部的线性方程组,进而通过方程组求解得到基于解析插值DTFT的无偏频率估计公式。此外,考虑实际中加性白噪声的影响,根据频率估计的统计特性分析给出一种简单且有效的迭代方法,从而确保频率估计的方均误差(MSE)在任意波动周期下能够一致逼近无偏频率估计的克拉美罗下届(CRLB)。仿真和实验结果验证了所提算法优于现有的DFT插值算法。

瞬变电磁法非线性优化反演算法对比

瞬变电磁法(TEM)属于时间域电磁探测方法,被广泛应用于矿产资源勘探、煤矿突水突泥调查以及岩溶调查等领域.传统的瞬变电磁数据处理方法采用“烟圈”快速成像或者线性迭代方法,存在精度低、易陷入局部极小值以及灵敏度矩阵计算量大等不足.本文提出将非线性优化算法应用到瞬变电磁数据反演中,采用粒子群优化(PSO)算法和萤火虫算法进行对比分析,建立典型的三层和四层地电模型,分析两种算法的收敛特性和抗噪特性.研究结果表明:虽然PSO算法具有较高的计算效率,但数据处理精度低,抗噪能力差;而萤火虫算法在抗噪性、数据处理精度等方面均优于PSO算法.最后,采用两种算法对实测数据进行处理,反演结果验证了上述结论.

基于迭代离散时间傅里叶变换插值的高精度频率估计

为实现任意波动周期下含噪实正弦信号的高精度频率估计,提出了一种基于迭代离散时间傅里叶变换(discrete-time Fourier transform,DTFT)插值的新型频率估计算法,打破了现有插值算法仅限于固定等间隔离散傅里叶变换(discrete Fourier transform,DFT)谱的局限性。首先,将频谱变换推广应用至任意的广义DTFT谱,通过计算得到适用于任意谱间隔的3谱线方程;进而,根据辅助谱线间隔构建多谱线方程组,通过精确求解得到基于不同插值方式的无偏频率估计解析解;最后,考虑加性噪声影响,采用简单有效的迭代执行方式进一步优化算法性能,确保频率估计的均方误差(mean square error,MSE)在全域内能够一致逼近最优。仿真分析和实验结果表明了算法的有效性和准确性。

基于形态滤波的接地网拓扑检测

探测变电站接地网网格结构一般采用向接地网注入电流,寻找地表磁感应强度峰值的方法。针对该方法难以识别弱峰值和易受异常数据干扰,提出了一种基于形态滤波的方法。通过构建复合滤波器对磁场数据进行边界提取,直接获得接地网拓扑结构。基于感应磁场的分布规律分析,建立了用于描述地表磁场的空间分析函数;进而使用形态学中腐蚀和膨胀方法对磁场数据滤波,以消除随机噪声和异常数据;最后依据网格连通性特征,基于形态学分水岭算法准确提取接地网拓扑。仿真和实验结果表明,形态滤波方法能有效识别磁场数据微弱处的接地网结构,而且能有效地应对工程现场的噪声和干扰,具有很好的鲁棒性。

瞬变电磁电阻率作为初始模型的隧道地震速度曲线反演方法研究

为能定性描述围岩的软弱特性,提出瞬变电磁电阻率作为初始模型的隧道地震速度曲线反演方法。具体步骤为:1)详细分析隧道地震数据特征,提出反视速度叠加方法提取叠加道集,以降低单道波形的误差,提高后期的反演精度;2)提出适用于隧道地震数据的波阻抗反演方法,得到超前方向相对可靠的速度曲线;3)为克服速度反演时的多解性问题,依据Faust公式建立速度和电阻率的联系,将瞬变电磁反演得到的视电阻率数据转化为初始速度模型,提高速度曲线的反演精度。模型数据的反演结果证明了反视速度叠加方法的合理性和初始速度模型的重要性;实测数据的反演结果表明,应用视电阻率约束的速度反演曲线能较好地提高超前方向速度曲线的反演精度,后期开挖结果也验证了速度曲线的合理性。

瞬变电磁发送机阻尼精确匹配方法

文章针对现有瞬变电磁发送机精确匹配阻尼电阻技术的不足,分析了发射线圈分布参数模型;得到了达到临界阻尼响应时所需阻尼电阻阻值与发射线圈自感、内阻及分布电容的关系式;提出了一种通过瞬变电磁发送机输出端口对不同发射线圈进行阻尼电阻精确匹配与调节的方法;并对该方法进行了实验测试,实验结果显示,采用该方法可以明显改善发射电流关断末期过冲与震荡现象。

神经网络自变量输入模式的视电阻率求解算法

根据瞬变电磁场理论公式中的响应和自变量之间的关系特点,提出用非线性方程模式的BP神经网络求解电阻率。通过构造单输入单输出网络结构,建立以不同时间点上的电流归一化的感应电压值为输入、视电阻率值为输出的神经网络,来拟合瞬变电磁场的二次涡流曲线。利用数值方法计算出的数据验证该训练网络的精确性,比较了不同算法对训练精度和收敛速度产生的影响。以重庆大学某处的防空洞探测实验为例验证了该算法的有效性,该算法避开具体的复杂电磁场计算或数值反问题计算,从而实现电阻率快速计算,为快速成像准备必要条件。

隧道地震不规则观测系统正演模拟与应用

结合隧道施工实际情况,提出了一种新的隧道地震不规则观测系统,利用该观测系统对隧道超前方向软弱夹层进行了正演模拟研究。研究表明:当炮数不变时,增加1个检波器可以明显改善偏移效果;当观测系统纵向偏移距越大时,偏移剖面画弧区域更小,当观测系统横向偏移距越大时,偏移剖面的镜像假像越弱。将该观测系统应用于重庆缙云山隧道,探测结果与开挖情况基本吻合,说明该观测系统合理可行。

高分辨率地震超前预报应用研究

传感器的灵敏度和频谱范围决定了地震探测深度和分辨率。在TETSP地震主机上装配了两种传感器进行超前预报,一种为频谱范围在0~5 000Hz、灵敏度在2.5V·g^(-1)的加速度传感器,另一种为频谱范围在0~800Hz、灵敏度为2V·cm^(-1)·s^(-1)的速度传感器,单炮数据表明加速度传感器数据初至波起跳点更容易识别,频谱范围更宽。将两种传感器应用于重庆某隧道工程中,针对隧道小偏移距线性观测系统,利用F-K滤波提取超前方向反射波信号,利用菲涅尔带偏移方法压制小偏移距形成的偏移假象,最后将处理结果与探测情况对比分析,加速度传感器探测的结果与实际情况更吻合,说明加速度传感器采集到的原始数据更准确,可以更好的指导隧道安全掘进。

FCTEM小回线瞬变电磁法在铁路桥梁基础勘查中的应用

关断时间长短直接影响瞬变电磁法的浅层探测能力,当发射磁矩相同时,关断时间越短,激发的一次场高频信号越强,丢失的早期信号越少,可缩短瞬变电磁法探测盲区,提升浅层探测能力。FCTEM(Fast Cut-off Transient Electromagnetic)小回线瞬变电磁法通过恒压钳位实现发射电流的高速线性关断,无损消耦实现一次场、二次场分离,大动态、高速采样实现纯净二次场采集。工程实例证明,FCTEM小回线瞬变电磁法具有施工便捷高效、分辨率高、盲区小、探测深度大、抗噪声能力强等优势,FCTEM拖曳式高分辨瞬变电磁系统能有效解决浅层盲区的技术瓶颈,对于填充性溶洞优势明显,能够清晰分辨地表10 m以浅的直径不足1 m的小型溶洞以及50 m以内的小型断层。

基于小回线瞬变电磁法的病害体精细探测应用分析

潜在城市地下空间病害体对人民生命财产安全和社会经济发展构成严重威胁,必须进行有效探测和治理.传统地球物理方法受城市空间、环境、干扰等影响,无法开展施工.小回线瞬变电磁法作为一种新技术,具有装置轻、效率高、分辨率强等优点,是当前研究热点之一.本文将小回线瞬变电磁系统应用到地下空间病害体探测中.首先,针对“烟圈”快速成像方法数据处理精度低等缺点,采用非线性粒子群优化算法进行反演计算.建立三层、四层以及七层复杂层状介质模型进行反演计算,验证该方法有效性和准确性.最后,以重庆大学校园防空洞和某城中村地表塌陷地质灾害勘查为例,开展小回线瞬变电磁法实验研究.将调查结果与现场实际情况,天然源微动结果相比较,验证小回线瞬变电磁法探测结果准确性和有效性.研究工作为城市地下空间病害体调查提供更高效的探测方法和数据处理技术.

不同温度作用下砂岩巴西劈裂试验研究

为了确保隧道穿越瓦斯、地热等复杂地质条件时的施工安全,借助MTS815岩石力学试验机、SEM、I-PRT(岩石)波速仪对隧道顶板砂岩进行不同温度试验研究,结果表明:随着温度增加,砂岩物理力学特性的损伤程度越来越严重,尤其当温度大于400℃时,砂岩的颜色、质量、体积、声发射事件数以及强度均发生显著变化,并且岩石的破裂方式由脆性逐渐向延性转化。通过对不同温度影响下砂岩波速的变化率进行归一化处理,得到该砂岩样的损伤变量关系式,从而有利于采取相应措施减少岩体的损伤,确保了地下隧道的安全运行。