桩底溶洞探测中瞬时相位差强度计算方法的优化及应用

双通道桩底溶洞声呐探测方法是岩溶地区钻孔灌注桩特殊泥浆施工环境下一种有效的溶洞探测方法,其中所运用的瞬时相位差强度(IPDI)分析方法可以用于提取溶洞顶底板的微弱反射信号并揭示溶洞位置。但该溶洞探测方法中一些关键参数的取值对溶洞探测效果的影响规律不明确,可能导致计算所得溶洞顶底板位置及溶洞大小的精度发生损失。本文旨在得到IPDI计算中关键影响因素及其影响规律从而达到优化效果,并将其运用于模拟工况以及实测信号的IPDI分析验证其有效性。首先,采用二维黏弹性波方程和交叉网格时域有限差分建立了溶洞探测仿真数值模型。接着将其用于探索IPDI计算过程中采样率、总体平均经验模态分解(EEMD)中总体平均次数、标准差等关键参数的影响规律并进行优化,尝试运用灰色预测模型抑制探测结果的端点效应。最后,将优化方法运用于工程实测信号IPDI分析过程。结果表明,当采用0.5~1MHz的采样率,并在EEMD过程中选取0.1作为标准差以及300~600作为总体平均次数能够使溶洞顶底板位置和溶洞大小的探测精度得到提升。当采用灰色预测模型抑制IPDI图像端点效应时,能够有效减缓其两端的异常“飞逸”现象。在进行实测信号优化分析时,发现针对实测信号的零漂现象采用将重构信号减去EEMD过程所得到的趋势项的优化方法,能够得到原先被掩盖的溶洞底板反射信号并计算出溶洞底板位置,并且经与钻孔柱状图对比,其计算结果准确可靠。相较任意选取参数时的探测结果,本文提出的优化方法的确能够帮助提升双通道溶洞声呐探测方法的精确度。     

基于定向声波扫描的钻孔围岩隐伏溶洞表征与分析方法

复杂地质环境下采用简化的几何体代替真实形态的隐伏溶洞进行数值分析,往往难以反映真实的工程特性,自然形成的溶洞形态在几何方面无明显规律性,导致溶洞形态特征的定量化表征问题一直未被很好的解决,为此,针对复杂地质环境下钻孔围岩隐伏溶洞轮廓的几何形态特征定量化研究中缺少系统性研究问题,提出了基于定向声波扫描的钻孔围岩隐伏溶洞表征与分析方法。首先,在利用钻孔定向声波扫描技术获取基础数据的基础上,构建同一钻孔中不同隐伏溶洞的轮廓坐标化准则。随后,在钻孔围岩隐伏溶洞定量表征方面,分别提出了隐伏溶洞水平方向结构表征方法与垂直方向结构表征方法,实现了隐伏溶洞的全方位定量化表征;在钻孔围岩隐伏溶洞统计分析方面,提出了水平全方位占比指数、远离占比指数和深度占比指数,能够从钻孔角度来统计分析钻孔不同深度、周围不同位置的隐伏溶洞情况。最后,结合实际工程案例进行了综合分析,并与其他方法进行了对比验证,证明了提出的方法能够为岩溶地区地质工程中工程勘察和数值模拟提供更多的定量化数据,是溶洞地区的开发与资源利用技术中的一种全新定量化分析方法,具有广阔的应用前景。     

探地雷达在南京地铁隧道工程检测中的应用

溶洞是地铁隧道工程的重要检测内容之一,探地雷达波在溶洞中传播的信号特征与围岩存在明显的差别,雷达反射波组的振幅、波长和频率会随着介质的电性变化而改变,正确识别溶洞的雷达波组特征是判别溶洞存在及其性质的关键所在。以南京地铁三号线滨江路站—五塘村站之间地铁隧道下方岩体内隐含溶洞探测为例,着重讨论了溶洞在探地雷达检测剖面上的波形显示特征,结合钻孔验证,说明探地雷达技术在城市地铁隧道工程溶洞探测中是有效的和实用的。     

基于高密度地震技术的武汉某区溶洞探测研究

武汉市灰岩广泛发育,存在大量岩溶孔洞,地质风险程度高.为了探测某区50 m以浅的灰岩溶洞,避免高层建筑以及道路建设中的安全隐患,运用高密度地震勘探技术,使用便携电驱重锤震源、智能节点式地震仪,对区内道路及周边地下灰岩溶洞进行探测.获取的高分辨率三维地震数据有效频带为10～80 Hz,主频30 Hz.在三维地震数据体上识别出2个灰岩溶洞,埋深25～40 m,属半充填或未充填型溶洞.溶洞在高密度地震剖面上反射特征表现为反射同相轴中断,内部反射波杂乱,同相轴扭曲,反射能量弱于周边地层地震反射.后期对研究区南部溶洞进行了钻孔验证,证实了该溶洞的存在,溶洞顶面埋深40 m,内部充填软土及灰岩碎块.     

电磁波CT技术探测溶洞的模拟分析与应用研究

目前应用电磁波CT技术进行溶洞探测时对于溶洞形态和填充状态的解释与判断尚缺乏成熟的理论依据。在FDTD(时域有限差分法）基础上,采用Matlab软件编程建立CT技术探测溶洞模型,在模型边界处特意设置PML完全匹配层和PEC完善导体。模拟分析和实验探测结果表明,（1）电磁波穿过溶洞时在溶洞边界处发生折射现象,溶洞内部发生反射、绕射和障碍增益现象,且电磁波能量的衰减主要由折射现象产生;（2）当溶洞内充填物有水存在时,因反射现象使一部分电磁波滞留在溶洞内部,该部分电磁波在溶洞内部不断发生反复的反射和绕射现象;（3）经过溶洞后电磁波波形的扰动主要由反射现象及滞留在溶洞内部电磁波造成;（4）当溶洞对电磁波吸收系数发生改变时需综合考虑填充物种类及地层含水率等因素的影响。最后应用模拟结果对实际工程试验层析成像数据进行了判断和解释,将所得判定结果与勘察资料进行对比,二者基本吻合。验证了模拟结果的准确性和应用电磁波CT技术探测溶洞的可行性,可为今后层析成像的结果解释和判断提供借鉴和理论依据。     

孔间电磁波CT技术在北京普安店岩溶勘查中的应用

孔间电磁波CT技术是工程勘探中的一种常用方法,利用孔间层析成像进行探测,其成果清晰、直观,较好地展现了孔间介质电磁波吸收情况,清楚地显示出地下不同地质体的空间分布。北京普安店地区存在岩溶塌陷,前期进行了大量的钻孔勘探,利用钻孔进行孔间电磁波CT扫描,探测钻孔之间溶洞的分布情况,填补了钻孔之间溶洞展布情况的空白,并对溶洞的充填情况进行解释。该技术提供的数据准确可靠,信息丰富,为后期岩溶地区的稳定性评价及工程处理提供了科学依据和基础数据。     

基于激光扫描和数值模拟的大型溶洞顶板稳定性评价研究

随着岩溶地区城镇建设、房地产开发的快速发展,岩溶地基稳定性成为房屋工程建设施工的关键问题之一。针对目前溶洞顶板稳定性分析经验的不足,本研究依托某房建施工项目,在钻孔勘探以及三维激光地质扫描工作的基础上,基于有限元模拟软件建立了溶洞数值分析模型,且按实际情况楼房和车库荷载对溶洞顶板进行稳定性分析,根据顶板最大主应力数据判断溶洞稳定性是否满足房建荷载要求,并据此提出合理施工意见。结果表明,三维激光地质扫描可为后期数值模拟提供很好的基础,有限元计算结果拟通过半定量计算进行验证,发现结果与数值模拟结果相接近,该方法使分析结果更接近实际情况,工作方法和研究成果可为相似地质条件下溶洞顶板稳定性评价提供参考。     

陆地声呐法在探查单个溶洞方面的优势

基于地震反射法的陆地声呐法,在预报探查溶洞等方面成功地进行了2个工区的工作,取得了很好的效果,这是由于其接近于零震-检距的工作布置,用锤击激震可接收10~4 000 Hz的超宽频带的接收等特点所决定。无论在地面上探查中、小溶洞方面(查找的溶洞径深比可小于1∶15),还是在隧道施工地质预报方面都有很大优势。     

基于高斯过程二元分类模型的溶洞规模预测方法

溶洞规模与其影响因素之间存在着复杂的非线性关系，如何根据影响因素有效预测溶洞规模是一类复杂的模式识别问题。基于高斯过程二元分类模型，提出一种溶洞规模的预测方法，该方法通过对样本的学习，建立溶洞规模与其影响因素之间复杂的非线性映射关系，对仅提供影响因素的预测样本进行具有概率意义的识别输出。研究结果表明，该方法除具有小样本、模型参数自适应确定、识别精度高等优点之外，还能够对预测结果给予概率意义的可信度，为实际工程有效预测溶洞规模提供了定量的依据，具有良好的应用前景。      

用于探测孔旁溶洞的管波探测法

文章介绍了一种全新的孔中物探方法--管波探测法,管波探测法利用"管波"这种弹性波作为工作媒介,探测钻孔孔旁一定范围内的洞穴(土洞、溶洞)、软弱夹层等不良地质体的存在及分布情况,可为建筑物的桩基础设计和施工提供准确的地质资料.     

基于小波的被动声纳降噪研究

基于小波的降噪理论,研究了水下舰船辐射噪声的被动声纳降噪问题。通过对船辐射噪声的建模和仿真,分析对比了不同方法对舰船辐射噪声信号降噪的效果,并利用各种小波基和采用不同阈值条件下对信号进行降噪处理的效果。该研究在分析对比的基础上,进行小波包软阈值去噪并且取得了较好的效果,对被动声纳降噪提供了较好的应用前景。     

基于混合网格有限元的直流电阻率法三维正演研究

直流电阻率法因效率高、成本低等特点广泛应用于有色金属、煤田等矿产资源勘探和地质调查行业。但在井–地、地–井电阻率法勘探过程中,钻孔因素(井液电阻率和钻孔孔径)对不同探测模式下视电阻率响应的影响尚未明确,是否影响视电阻率资料的解释是值得探讨的一个问题。因此,提出采用混合网格有限元法实现直流电阻率三维正演。给出异常电位法满足的边值问题及有限元变分问题,应用三棱柱和四面体混合网格实现对计算区域的快速离散,并建立2种网格的线性插值基函数和单元系数矩阵;采用SSOR–PCG迭代算法求解异常电位满足的大型线性方程组,得到各观测点的响应。在保证计算精度的前提下,应用混合网格有效地离散钻孔地电模型,探讨钻孔因素对井–地、地–井观测方式视电阻率数据的影响特征。对于井–地观测方式:钻孔附近视电阻率受钻孔因素影响最大,严重影响视电阻率资料的合理解释,但随着测点收发距的增加,视电阻率响应逐渐趋于围岩电阻率;而且随着发射源深度的增加,钻孔对地表视电阻率响应的影响也逐渐减小。对于地–井观测方式:钻孔因素对浅部数据影响较大,对深部数据影响小,相比于井液电阻率,视电阻率响应更易受钻孔孔径的影响。直流电阻率法混合网格有限元三维正演算法的提出,对实际井–地、地–井电阻率法勘探具有理论指导意义,可结合钻孔信息进行正演模拟分析,选择合适的收发距,有效压制钻孔因素对实测资料的影响。      

基于多尺度区域卷积神经网络的露头孔洞自动提取

碳酸盐岩储层解释与评价的一个重要内容是确定其孔隙空间特征,野外露头是地下储层的真实刻画,对野外露头进行孔洞的自动化提取与其参数定量表征具有重要意义。在深度学习Mask-RCNN模型基础上进行改进,提出一种基于多尺度的区域卷积神经网络孔洞检测新方法,并通过两种方式进行准确度分析,第一种是将该方法的孔洞提取结果与OSTU分割法、分水岭分割法、BP神经网络法、支持向量机法以及Mask-RCNN的孔洞提取结果进行比较,其结果显示该方法有更高的检测准确度;第二种是通过该方法提取的孔洞结果计算洞数量、面孔率和洞面积均值三个孔洞特征参数,以人工提取结果为参照,比较得到洞数量准确度在88%以上,面孔率准确度在93%以上,洞面积均值准确度在93%以上。最后将提出的方法应用于峨边先锋灯二段的数字露头剖面孔洞自动识别,并分层计算孔洞参数,定量分析其分布特征,为该露头碳酸盐岩储层评价提供了依据。     

海底冷泉在旁扫声纳图像上的识别

海底冷泉是指来自海底沉积地层(或更深)的气体以喷涌或渗漏的方式注入海洋中的一种海洋地质现象,它普遍发育于主动大陆边缘和被动大陆边缘。海底冷泉研究在天然气水合物、全球气候变化、极端生物群落等研究方面都具有重要意义。利用实测的海上资料,通过分析水体声学剖面上的冷泉气柱、旁扫声纳图像上的亮斑异常以及柱状沉积物样品中天然气水合物等的对应关系,指出旁扫声纳图像上出现的亮斑异常是海底冷泉喷逸的指示。海底冷泉逸出的大量气泡遮蔽海底,从而形成一个强波阻抗界面,这个强波阻抗界面在旁扫声纳图像上形成亮斑异常。通过亮斑异常,可以判定海底冷泉的存在。旁扫声纳可以成为海底冷泉探测的有力方法。     

海底浅表层信息声探测技术研究现状及发展

回顾了我国海洋仪器研发的历史,综述并对比了多波束测深、侧扫声呐和浅层剖面仪等海底浅表层信息声呐探测技术的国内外研究现状:经过数十年的海洋技术研发,国内在设备研发、数据资料处理方法研究和探测数据资料应用研究等方面已取得了较丰硕的研究成果,但同时也发现在当前国内海洋技术研发中仍存在一些潜在的问题,与国外相关海洋技术尚存在一定差距。以维护海洋权益为目标的系列重大海洋基础勘测项目的启动和深海资源勘查及研究的纵深发展是近年海洋技术得以快速发展的源动力。声学底质分类、声学海底原位测试、动力地貌和构造地貌等是目前海底浅表层声探测信息资料应用于海底科学研究的热点。对海洋技术的可持续发展提出了几点建议：①提高理论研究水平;②加快仪器设备研制的国产化进程;③加强自主知识产权数据处理软件的研发;④进行探测数据资料的深层次利用研究。     

基于剖面声呐的海底微地貌观测研究*

海底地貌是海水覆盖下的固体地球表面形态的总称。海底地貌巨变往往与海底地质灾害息息相关,会对海底管线和海上平台等海洋工程设施造成危害,因而对海底地貌进行原位观测具有重要意义。本研究基于前人研究成果和团队常年自主研发仪器经验,研制出了剖面声呐海底微地貌原位观测系统,详细介绍了观测系统的组成、功能、工作原理和工作模式,并提出了观测数据的处理分析方法;然后,使用观测系统进行了标志物检验实验,通过将观测系统测量数据与其他设备测量数据相对比,验证了观测系统的可行性和数据准确性;最后,使用观测系统在舟山海域朱家尖滑坡区进行原位观测,进一步验证了观测系统的可行性。观测结果进一步表明剖面声呐观测系统可以用于海底微地貌的观测研究。     

基于实测的采空区稳定性数值模拟分析

准确掌握采空区的三维形态和空间位置是进行采空区稳定性数值模拟的关键。介绍了空区三维激光探测系统（cavity monitoring system,CMS）的基本构成、工作原理及探测方法。结合冬瓜山铜矿采空区的实际情况,在采用CMS准确探测采空区的基础上,应用Surpac建立采空区三维模型和矿区地学三维模型,提出采用数据转换的耦合模式将Surpac与Phase2耦合构建数值计算模型,进行数值模拟计算,根据模拟计算结果对采空区的围岩稳定性进行了分析。研究结果表明,将CMS,Surpac和Phase2三者的优势结合起来,可为岩土工程的稳定性数字模拟研究提供一条新的有效途径。     

浅埋孔洞对地表反平面运动的影响

采用复变函数和多极坐标方法,构造了一个能够自动满足水平表面上应力自由边界条件的散射波函数,研究了地下任意形柱状孔洞对任意角度入射的平面SH波的散射及其对地面震动的影响,给出了浅埋孔洞附近地面运动的数值结果。定量分析了入射波长、入射角度、孔洞的形状和埋深等因素对地面运动的影响。研究表明,浅埋孔洞与水平表面存在强烈的相互作用对局部地面运动将起到放大作用,在地面建筑物抗震设计时应考虑地下隧洞的存在对地震动的影响。     

基于钻孔形态分析的地应力测量方法研究

地应力作用下的钻孔孔壁会发生一定程度的变形,导致钻孔横截面形状会发生变化,变形后的钻孔几何形态也反映了钻孔受力状态。在经典岩石力学理论的基础上,研究钻孔在平面二维应力作用下的几何形态,建立应力与变形后圆孔几何参数的关系,实现基于钻孔椭圆参数的应力解算,并提出钻孔椭圆参数的测量方法和测量技术,形成一种新的基于钻孔形态分析的地应力测量方法。结果表明,（1）在平面二维应力作用下圆孔变形后的几何形态为椭圆,推导了椭圆参数与应力的关系表达式;（2）利用3个不同方向的孔径值可以实现椭圆参数的解算,研发触头式显微光学孔径测量技术,实现了钻孔形态的测量,从原理上分析了技术实现的可行性,并就该技术进行地应力测量过程中可能存在的问题进行了探讨;（3）通过室内模拟试验,验证了技术原理的可行性,并通过误差分析和实例计算对该方法测量结果的准确性进行了讨论。