工程物探课程设计.docx
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工程物探课程设计
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《工程与环境物探》
课程设计
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二零一零年一月十九日
第一章折射波法基本原理和方法3
1.1折射波法基本理论3
1.2折射波法观测系统4
1.3折射波分层解释的
法4
第二章实验仪器设备及实验方法7
2.1仪器设备7
2.2采用的观测系统9
第三章现场资料采集实验步骤10
第四章软件说明和数据处理过程10
4.1软件功能10
4.2数据处理过程11
第四章数据处理结果及图形绘制23
参考书目24
第一章折射波法基本原理和方法
1.1折射波法基本理论
以水平界面的两层介质进行简要的说明，假设地下深度为h，有一个水平的速度分界面R，上、下两层的速度分别为V1和V2，且V2>V1。
如图1—1所示。
从激发点O至地面某一接收点D的距离为X，折射波旅行的路程为OK、KE、ED之和，则它的旅行时t为：
（1—1）
图1-1水平两层介质折射波时距曲线
为了简便起见，先作如下证明：
从O，D两点分别作界面R的垂线，则OA＝DG＝h，再自A、G分别作OK，ED的垂线，几何上不难证明∠BAK＝∠EGF＝i，因已知
，所以：
（1—2）
即
和
（1—3）
上式说明，波以速度V1旅行BK（或EF）路程与以速度V2旅行AK（或EC）路程所需的时间是相等的。
将式（1—3）的关系和式（1—1）作等效置换，并经变换后可得：
（1—4）
这就是水平两层介质的折射波时距曲线方程。
它表示时距曲线是一条直线，若令x＝0，则可得时距曲线的截距时间t0（时距曲线延长与t轴相交处的时间值）
（1—5）
式（1—5）表示出界面深度h和截距时间t0之间的关系，当已知V1和V2时，可以求出界面的深度h。
1.2折射波法观测系统
根据折射波场形成条件和特征，折射波观测系统必须避开盲区，且要把接收部分尽量放到待测地层折射波区范围。
当水平层状介质满足折射条件的前提下，固定一个激发点，将排列沿测线由近及远进行时距观测，将得到由浅入深各层介质的地震波信息。
在地震记录上可观察到各层介质折射波的动力学特点，从而判别层间干涉、波形置换特征。
在时距曲线上将反映出各层介质折射波运动学的空间分布规律及介质的物理力学性质。
为了消除表层不均匀及界面起伏的影响，往往采用相遇时距曲线观测系统。
相遇时距曲线观测系统如图2-2所示，同一观测地段分别在两端O1和O2点激发，
图2-2
此观测系统采集的地震记录，可得两支方向相反的时距相遇曲线S1和S2。
AE段折射，O1O2接收，EA段折射，O1O2接收。
其优点可弥补单一时距曲线的不足，可以从不同方向反映界面变化。
1.3折射波分层解释的
法
折射波
解释法是常用的地震折射波解释方法，它是针相遇时距曲线观测系统采集发展起来的解释方法。
t0法解释的主要原理与方法如下：
t0法又称为t0差数时距曲线法，是解释折射波相遇时距曲线最常用的方法之一。
当折射界面的曲率半径比其埋深大得很多的情况下，t0法通常能取得很好的效果，且具有简便快速的优点。
如图1—3所示，设有折射波相遇的时距曲线S1和S2，两者的激发点分别是
O1和O2，
（a）（b）
图1-3t0法折射界面示意图
若在剖面上任意取一点D，则在两条时距曲线中可以分别得到其对应的走时t1和t2，从图中可以得到：
（1—6）
且在O1和O2点，时距曲线S1和S2的走时是相等的，称之为互换时，用T表示，则有：
（1—7）
当界面的曲率半径远大于其埋深时，图中的△BDC可以近似地看作为等腰三角形，若自D点作BC的垂直平分线DM（DM即为该点的界面深度h），于是有：
和
（1—8）
将公式（1—6）中的t1和t2相加，并且减去（1—7）式，再将（1—8）式代入后可以得到：
（1—9）
式（1—9）便是任意点D的t0值公式，由此可得D点的折射界面法线深度h为：
（1—10）
令
和
则式（1—10）可以写为：
（1—11）
因此只要从相遇时距曲线中分别求出各个观测点的t0值和K值，就可以得出各个点的界面深度h。
从上述的公式可以看出，只要从时距曲线上读取t1，t2和互换时T，就可以算出各个点的t0值，并可以在图上绘制相应的t0（x）曲线（1—3（b）中所示）。
关于K值的求取：
根据斯奈尔定律可将K值表达式写成：
（1—12）
由公式（1—12）可以看出，只要求得波速V1和V2则很容易得出K值。
其中V1通常可以根据表层的直达波速度来确定，因此关键就是V2值的求取，为此引出参数时距曲线方程：
令
（1—13）
对式（1—13）两边对x求导，可得：
（1—14）
式中
和
分别为上倾方向时距曲线S1和下倾方向时距曲线S2的斜率（即视速度V*的倒数）。
根据公式：
和
因为是同样O1～O2内观测段，设上倾方向x为正，下倾方向x为负，则：
和
它们分别对x求导有如下形式：
和
（1—15）
将（1—15）代入（1—14）式中，经一些变换后可得：
（1—16）
于是可以求得波速V2为：
（1—17）
当折射界面倾角小于15º时，可以近似的写成
（1—18）
因此只要根据（1—13）式在相遇时距曲线图上构置θ（x）曲线，并求取其斜率的倒数
，则可以根据（1—13）式得出波速V2，进而代入（1—12）式中求得K值。
知道了K值和各个观测点的t0值后，可以根据（1—11）式计算出各个点的界面深度h。
然后，以各观测点为圆心，以其对应的h为半径画弧，可以得出一系列的圆弧，作这些圆弧的包络线即为折射界面的位置。
或由
、
和
计算h和i，再用公式
计算得到真深度h0。
第二章实验仪器设备及实验方法
2.1仪器设备
仪器设备主要包括:
振源、检波器、工程检测仪、触发开关、电源、大线等,具体布置见图2-1。
SWS-1A型多功能检测仪就是陆地进行折射波勘察的主要仪器设备之一，见图2-2。
图2-1仪器设备布置
折射波法振源类型：
炸药（或雷管），重锤和垫板。
检波器：
竖向检波器，其自振频率约为38HZ，所测地震波主频率的20％-25％。
一般折射波法的自振频率较高。
触发开关：
分为外触发和内触发两种。
折射波勘察使用外触发，用安置在震源附近触发传感器或检波器进行触发。
图2-3SWS多功能检测仪
电源：
可用12伏的直流电或12伏60安时的蓄电池。
工程检测仪：
不同型号的检测仪其功能不尽相同，但目前来看新型的检测仪都具有如下的基本性能和功能：
性能好坏主要取决于A/D变换器和储存器。
A／D转换器性能要求是转换速率快，分辨率高（数字化输出的位数高）和可靠性高。
存储器的主要要求是存储速度快、存储容量大。
体积小和耗能小。
功能主要实现：
（1）多通道；
（2）A／D转换；（3）记录和显示；（4）信号分析功能（软件系统）；（5）打印和数据输出系统。
2.2采用的观测系统
根据折射波场形成条件和特征，折射波观测系统必须避开盲区，且要把接收部分尽量放到待测地层折射波区范围。
当水平层状介质满足折射条件的前提下，固定一个激发点，将排列沿测线由近及远进行时距观测，将得到由浅入深各层介质的地震波信息。
在地震记录上可观察到各层介质折射波的动力学特点，从而判别层间干涉、波形置换特征。
在时距曲线上将反映出各层介质折射波运动学的空间分布规律及介质的物理力学性质。
为了消除表层不均匀及界面起伏的影响，实验中我们采用相遇时距曲线观测系统。
相遇时距曲线观测系统如图2-2所示，同一观测地段分别在两端O1和O2点激发，
图2-2
此观测系统采集的地震记录，可得两支方向相反的时距相遇曲线S1和S2。
AE段折射，O1O2接收，EA段折射，O1O2接收。
其优点可弥补单一时距曲线的不足，可以从不同方向反映界面变化。
本实验观测系统设计如下：
检波道数：
24道
采样间隔：
1ms
采样总数：
1024
偏移量：
5m
道间距：
1m
采样长度：
1024ms
第三章现场资料采集实验步骤
①：
布置地震测线。
测量确定测线起点和终点位置，布设测线标志，确定激发点和接收点标志。
②：
按测线起点方向，将检测仪器放在适当的位置，并寻找激发点和相应的接收点。
在激发点选择合适的震源类型，并在激发点附近布置触发的传感器或检波器，将其与仪器连接，用于仪器记录时触发；在接收点排列方向上布置大线和检波器，并将大线与仪器连接；实验我们主要采用锤击震源，将振源和一组检波器布置在一条直线上（纵测线），排列相对较长。
③：
仪器系统通电后启动采集软件，按观测系统布设的参数设置各采集参数。
检波道数主要由有效传播范围和仪器通道数决定，实验中仪器采取24道接收，每道采样数1024，采样时间间隔由采样定理确定，实验中我们采用时间间隔为0.500ms，道间距为2m，偏移距为6m。
采样排列长度为（24-1）*2=46m。
④：
检查激发、接收和仪器是否正常，还要注意周边是否有人为震动源，各部分正常，且无强烈的震动源后，提醒周边人员注意，保持相对静止，如果是炸药震源让他们尽快撤离危险地带或采取防护措施。
保证安全无误后，仪器操作员发出指令震源激振，仪器接收地震记录。
并检查地震记录的质量。
接收记录满足要求，可以保存；如不正常，及时查明原因，重新采集。
第四章软件说明和数据处理过程
4.1软件功能
数据主要采用的软件有：
（1）记录编辑（Rcdedtv.exe）
（2）记录滤波和增益处理（Rcdprcv.exe）
（3）噪音及干扰波切除（Mutnoiv.exe）
（4）地震波拾取（Pktm.exe）软件。
记录编辑（Rcdedtv.exe）可以对记录进行修饰和拼结，截短等，记录滤波和增益处理（Rcdprcv.exe）可以对记录进行频谱分析，用不同的滤波类型进行滤波处理，噪音及干扰波切除（Mutnoiv.exe）是对记录上存在的触发噪音，声波，面波等干扰波进行切除，突出有效波，以减小干扰波的影响。
4.2数据处理过程
（一）实验采集到的原始数据
1、第一次激发波形图D20.DAT
2、第二次激发波形图D13.DAT
3、第三次激发波形图D21.DAT
4、第四次激发波形图D33.DAT
（二）记录编辑
在系统主界面下选择记录编辑（Rcdedtv.exe）回车，即进入“记录编辑”主菜单
Load（调入记录）按地震记录文件的驱动器号、路径和文件名输入，回车确认。
选择Modifyrecord（记录修饰处理）。
1、D02切除后图形
2、D13切除后图形
3、D21切除后图形
4、D33切除后图形
（三）记录滤波和增益处理
进入记录滤波和增益处理（Rcdprcv.exe）功能后，主菜单显示见图
选择Spectrum做频谱分析,进入该功能后，在显示当前记录的屏幕右上角出现子菜单，见图。
以[↓][↑]选择子菜单中的各功能项，回车确认。
进入Spectrum（谱分析）后在视频右上角出现选用时间窗口的菜单，见图。
同时在视频左上角第一道顶端有一时段标。
以[↓][↑]移动光标，[←]、[→]和[PgUp]、[PgDn]改变标内数值，与此同时左上角时段标也随之移动，帮助观察所选的道及时窗。
确认后按回车键，屏幕呈现频谱图形。
在彩显上，绿色为全道谱成分；浅蓝色为时窗内的谱成分。
在该时窗下，进行谱分析。
各数据各道频谱分析见下图：
1、D02第一道频谱分析
2、D02第六道频谱分析
3、D02第二十四道频谱分析
4、D13第一道频谱分析
5、D13第六道频谱分析
6、D13第二十四道频谱分析
7、D21第一道频谱分析
8、D21第六道频谱分析
9、D21第二十四道频谱分析
10、D33第一道频谱分析
11、D33第六道频谱分析
12、D33第二十四道频谱分析
进入Filtering（滤波）后在视频右上角出现提示菜单，见图，同时光标在屏幕左上角第一道始端。
按[S]键，向右移动光标至具有代表性的道上，回车，屏幕展示该道的频谱图，并在屏幕右上角显示滤波开关及可以设置滤波类型及响应参数的窗口。
按[←]、[→]箭头键可以改变滤波的关断和滤波类型。
滤波器选择有4档，我们选用的是Bandpassfilter带通滤波进行滤波。
利用↑、↓箭头移动光标选择条目，利用←、→和[PgUp]、[PgDn]改变数值，以此确定滤波参数，在此过程中按[F2]键屏幕上的频谱内根据所确定参数适时显示该道滤波后的频谱和被压制的谱成分，以此方便调整滤波参数的准确性。
确认滤波参数后，回车即实现滤波操作，屏幕上显示出滤波后的记录面貌，同时右上角出现一个窗口，该窗口提示[Enter]键是显示滤波前与滤波后的记录功能，便于分析滤波后的效果，若认为达到滤波目的，按[F10]键返回“MAKEPROBE”菜单。
1、D02滤波后图形
2、D13滤波后图形
3、D21滤波后图形
4、D33滤波后图形
（四）地震波拾取
利用地震波拾取（Pvmodel.exe）软件拾取直达波和折射波的初至时间。
经过滤波、切除后得到的图形
1、D02
2、D13
3、D21
4、D33
第四章数据处理结果及图形绘制
O1，O2激发点相遇时距曲线：
O3，O4激发点相遇时距曲线：
图
由
算得深度H，见下表
然后根据所得的参数地质剖面图（见附图）
第五章课程心得
参考书目
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