地質力學模型實驗裝置圖片

① 工程地質物理模擬

1 工程地質模擬試驗概述

一些與重大工程有關的復雜地質現象，在分析評價研究中，往往需要採用模擬研究手段，對其做更深入的論證與評價，模擬研究按採用的手段可分為物理模擬與數值模擬兩大類型。前者包括有光彈模擬、電模擬和相似材料地質力學模擬試驗等多種方法；後者採用有限元、邊界元和離散元等數值計算方法。

模擬研究的基本任務是通過再現復雜地質現象的形成和演化過程，對於某些或全部課題做出論證：①驗證地質分析所建立的機制模型或概念模型是否符合實際，對其演化機製作更深入的（量化）分析；②量化評價地質現象演化過程中，各主要控制要素之間及其與主導內、外營力間的相關性，論證所建立的評價模型是否合理；③量化評價地質現象或過程在所處環境條件下的演化發展趨勢，論證所建立的預測模型是否可信；④量化評價工程設計或治理措施的效果，論證擬定的對策和方案是否有效和優化。

近十多年以來，我國工程地質模擬試驗研究取得了長足的進展。在廣泛引進國外先進技術的基礎上，探索出適合於我國實際情況的研究途徑，其特點是重視原型建模分析和全過程演化模擬，在研究地質災害和復雜岩體穩定問題的模擬研究中，已逐步形成具有我國特色的研究系統。這里著重介紹相似材料地質力學模擬（geomechanical model test）的基本原理、方法和應用。

2 地質力學模擬試驗原理與方法

2.1 模型的設計

按相似理論，除要求幾何的、力學的相似以外，還要求原型和模型材料具有相似的變形破裂過程特徵，它們的應力（σ）和應變（ξ）曲線應符合如下關系：

地殼淺表圈層與人類工程

式中：C_ξ為應變相似系數（原型C_p與模型C_m的比值，下同）；C_ξ為殘余應變相似系數。根據量綱分析，可導出如下關系：

地殼淺表圈層與人類工程

式中C_σ、C_E、C_L、C_δ和C_ρ分別為應力、彈模（變模）、幾何尺寸、位移量和材料密度的相似系數。

模型設計中，按照設計擬定的幾何相似系數，則可根據公式（2）推算出其他各項

系數，據此確定材料的選擇、模型製作及載入系統的設計。

2.2 模型材料

通常可採用重晶石粉、氧化鋅粉、硅藻土、磁鐵礦粉、鐵粉、鉛粒、聚苯乙烯粒、石英砂等作為骨料。膠結劑可採用石膏、石蠟油、甘油、機油和環氧樹脂等。

採用石膏作為主要膠結材料的模塊，其力學特徵決定於骨料的配比和膠結料的水膏比，長江科學院岩基室做了系統研究（表1）。採用石蠟油等做膠結材料，需用一些特殊的製作模塊的設備壓製成塊，或用夯實的辦法制模。模塊的力學特徵除與骨料選材和配比有關外，很大程度上決定於制模施加壓力的大小或模塊密度ρ（表2）。

表1 石膏膠結模塊力學性能試驗成果表

表2 粉粒材料壓縮模塊力學性能測試成果表

2.3 結構面模擬

通常以抗剪強度作為控制條件。摩擦系數相似系數C_f=1，黏聚力C_C=C_σ。硬性結構面（如節理、裂隙等）用模塊接觸面模擬。模塊的形狀應根據裂隙的組合形式確定。在需要考慮裂隙連通率時，可將模型製成嵌合模塊。

軟弱結構面（如連續性較好的斷層、軟弱夾層、層面、地質接觸面等），採用鋁箔、聚乙烯薄膜作夾層材料模擬，其中還可噴上滑石粉，以獲得低摩擦系數。模擬的f值可變化在0.08～0.75之間。需要模擬斷層等軟弱結構面的高壓縮性能時，可選擇適當厚度的馬糞紙或軟木作為墊層。

2.4 載入系統

外部荷載採用不同型號的千斤頂或壓力枕（袋）等載入。模擬孔（空）隙水壓力可在模塊中採用砂墊充氣（水）法，也可通過不同方式將水直接注入模型中。

動荷載可在作用面上安裝震動器施加，按要求模擬震動效應。更為完善的辦法是將整個模型置放在震動台上，由三維震動台模擬動力環境。

自重荷載是體積力。為了使模型在試驗過程中能充分反映岩（土）體自重在演進中的作用，最好能使模型的密度與原型接近。大型模型試驗中，必要的自重荷載補償，可採用拉桿補壓系統對模型分層加壓。拉桿通過橡皮圈與施加拉力的底座相聯結，橡皮圈的多少確定了拉桿承受的拉應力的大小，以此模擬重力場梯度。小型模型試驗，可將模型放在離心機轉斗中，通過高速旋轉增加自重應力。我國長江科學院、水利水電科學院已安裝了6m直徑的大型高速離心機。

2.5 量測系統

測量位移的常規方法是用千分表直接測定，或採用應變片或位移感測器通過多點應變儀測量；這種測試在試驗中十分必要，但有很大局限性，由於所獲得的數據僅能反映固定測點的信息，難以描述全斷面曲變形破裂跡象。某些材料很軟的模型，也不適宜採用這種方法。根據模型試驗的特點和特殊要求，我國開發採用了下列測試技術：①跟蹤攝影或快速攝影；②靜電復印碳粉網格，用以觀察量測模型大變形後破裂出現部位和特徵；③白光散斑法，量測重點測試部位全斷面內微量位移形跡；④投影網格法，用以測量軟材料模型大斷面群點面內位移；⑤影像雲紋法，用以測量較軟材料模型全斷面或一定面積的離面位移。

3 工程岩體穩定性評價中的應用

3.1 壩基岩體穩定性模擬

擬建的長江三峽大壩壩高175m，壩基為前震旦系閃雲斜長花崗岩，岩質堅硬完整。但左廠房壩基中傾向下游的緩傾角裂隙相對較發育，又有斷層與之相交，構成可能的楔形滑移體（圖1a）。廠房坑段整體穩定性需要考慮以下幾個主要問題：①可能的滑移體產生的條件及其對大壩穩定性的影響；②從岸邊向河床方向建基面高程相差79m，是否會造成有害的不均勻壓縮變形；③迎水和背水方向基坑開挖最大深度達120m，邊坡穩定性如何?為論證上述問題，必須了解各壩段在設計荷載下的位移場、超載下的安全度及可能的破壞機制，為基礎處理提出建議。為此長江科學院在義大利模型結構試驗研究所（ISMES）提供技術咨詢和量測制模設備的條件下完成了大型地質力學模型試驗（圖1b）。模型的C_L=150，C_ρ=1，C_E=C_σ=C_L。採用重晶石粉、機油（代替石蠟油）、立德粉（代替氧化鋅粉）等壓縮模塊制模。緩傾裂隙和斷層連通率分別為10%～50%和50%。採用系列千斤頂載入，浮托力用改變岩體密度（ρ）來表徵。

圖1 三峽大壩左廠房壩段穩定性地質力學模擬

試驗獲得以下主要結論：

（1）在設計荷載下各壩段安全儲備能滿足要求，而建基面安全儲備又高於緩傾角裂隙面。超載（3.5N）時個別壩段出現沿下伏第一緩裂隙面滑移或伴有踵處拉裂。

（2）設計荷載下壩址與廠房相對位移很小。相鄰壩段最大水平位移11.1mm，沉降相對錯動最大值僅4.1mm，有利於壓力管道和壩間止水設施的設計。

（3）設計荷載條件上、下邊坡均穩定，超載（3.5～3.8N）時，個別壩段下邊坡沿緩傾裂隙面出現明顯滑移。

試驗結果建議對個別南段下伏緩傾角裂隙及斷層作適當補強措施。

3.2 地下洞室圍岩噴錨支護作用機制模擬

試驗研究了中等強度均質岩體中地下洞室圍岩在不同措施條件下的穩定狀況。試驗模型採用石膏、沙子等材料製成四個50 cm×50 cm×20 cm的模型（圖2a），分別模擬無支護（圖中I）、錨桿支護（Ⅱ）、噴錨聯合支護（Ⅲ）和錨桿補強（Ⅳ）等四種情況。錨桿補強是在成洞後洞壁變形已基本達到穩定狀態時再插錨桿。模型放在三向載入試驗裝置中加壓，用以模擬地應力場。模型材料抗壓強度R_C=2MPa，抗拉強度S_t=0.2MPa，彈性模量E=1.25×10⁴MPa，泊松比μ=0.17，φ=41°，c=0.45MPa。噴層材料採用石膏、碳酸鈣和水的混合料：R_C=1.45MPa，S_t=0.28MPa，E=1.8×10MPa，噴層厚約3mm。

獲得如下主要結論：①均質材料洞室中，噴錨支護同樣具有明顯加固效果；②不同措施，洞室圍岩變形破壞形式無明顯差別（圖2b）；③錨桿支護和錨桿補強均對提高洞室承載能力和變形剛度有明顯效果。

圖2 洞室支護措施作用機制模擬試驗

4 西安地裂縫形成機制模擬研究

西安地裂縫的成因有多種觀點。本項研究以再現地裂縫形成演化過程為依據，論證「構造重力擴展」成因觀點能否解釋這種特殊地質現象。地裂縫發育在厚約5km 的新生界蓋層中，周圍有四條張性斷層。南側的臨潼-長安大斷層為盆地與秦嶺褶皺帶的分界斷層，是一條活動性正斷裂。地幔隆起軸在西安市區附近，呈 NEE向通過。模型採用重晶石粉、硅藻土和石蠟油混合料，逐層鋪墊夯實，圍限在代表周邊斷層的框架中，C _L=10000。東西兩側用有機玻璃板作為剖面觀察窗。底座放在拱形鋼樑上，可以抬動模擬地幔隆起。南側擋板可拉開傾斜，模擬臨潼-長安斷裂拉張活動。頂面採用影像雲紋法測試微量離面位移（圖3）。

5 長江雞扒子滑坡與暴雨關系的模擬研究

1982年7月24日，長江雲陽縣城附近在暴雨作用下，發生了雞扒子滑坡，是老滑坡的局部復活。為了論證滑坡復活與地下水水力坡度的量化關系，開展了模擬研究。模型採用細碎石、砂、土按不同比例以原型結構為依據分層製作而成。滑動面k鋪上聚乙烯薄膜。沿縱剖面不同深度引出橡皮管，測量側壓管水頭。人工噴水模擬降雨和暴雨。

模型中「降雨」近20h以後，於凌晨3點半鍾下滑。滑後外觀可與實際情況對照。起動時滑體中地下水水力坡度為1.9%，與實際推算值相近。該值可作為評價滑坡在暴雨條件下穩定性時的參考值。

圖3 西安地裂縫地質力學模擬

② 三維地質結構模型

一、地質結構模型建立的原則與內容

（一）建立地質結構模型的原則

松嫩平原面積大、地層較多、結構復雜，造成鑽孔間地層岩性連接十分復雜，給計算機的自動插值造成了一定的困難，所以採取對研究區的地質結構按區域和縣（市）兩種方式進行處理，即區域地質結構模型和縣（市）地質結構模型。

1.區域地質結構模型

由於建立地質結構模型的區域大、數據多，無法詳細刻畫地質內容，因此區域地質結構的建立原則以表達含水層和弱透水層為主要目的，將整個研究區域劃分為第四系含水層、第四系弱透水層、新近系含水層、新近系弱透水層和白堊系基岩五層。

2.縣（市）地質結構模型

縣（市）級地質結構的建立以進一步詳細表達地質結構、地層分布特點和岩性特徵為主要目的，因此，對岩性的劃分比較細致、精度較高。具體劃分方法如下：

（1）白堊系（K）及以下地層概化為基岩，不對其進行分組研究。

（2）新近系劃分到組，統一確定為泰康組（N₂-Qp₁）t、大安組（N₁d），並根據地層的含水性將岩性簡化描述為砂岩、泥岩和泥岩砂岩互層。

（3）第四系劃分到組，主要包括顧鄉屯組（Qp₃g³）、哈爾濱組（Qp₃h^1—2）、雅魯河組

、大興屯組（Qp₃d³）、齊齊哈爾組（Qp₃q^1-2）、諾敏河組

、荒山組（Qp₂s⁴,Qp₂x^1-3）、大青溝組（林甸組） （Qp₂l^1-4）、綽爾河組

、白土山組

、東深井組（Qp₁d¹）、猞猁組（Qp₁s）、東華組（Qp₁d¹）等。岩性簡化表述為黏性土、砂礫石、淤泥質黏性土、淤泥質砂等。

（4）全新統零星分布的風積砂、殘積粉細砂等因描述的鑽孔資料較少，故不進行區分表達。

（二）資料整理

根據建立三維地質結構模型的要求，對全區1167個鑽孔資料進行地層、岩性的劃分及坐標等數據的整理，並計算機錄入，對區內資料進行分析整理建立地層信息表。

二、地質結構模型建立的技術方法

地質結構模型是利用GMS中的SOLID模塊建立的，SOLID是進行三維地層建模的模塊，它利用鑽孔數據輸入用於構造三維地層模型。一旦生成了這樣的模型，可以在模型上任意位置切割地質剖面，可以生成地質剖面或實體的理想圖片，還可以計算實體的體積。

（一）確定地層屬性編號

按GMS軟體的要求和格式對錄入的數據進行分析整理，對鑽孔地層資料逐個進行概化，在綜合分析整個松嫩平原的地質結構後，對岩性進行劃分和編號。

（1）按GMS要求對鑽孔資料中地層的物質屬性進行編號處理，通過對原始資料的分析和所建立的地質結構圖，將研究區的地層岩性劃分為58種物質屬性。

（2）GMS要求不僅要對地層的物質屬性編號，還要對各層包括透鏡體、夾層進行分層編號，根據地層信息，將全區地層劃分為159層。

（二）GMS數據的運行

（1）將編輯好的文本導入GMS軟體進行運行、調試，查找包括數據格式、地層錯位等各種錯誤，並進行修正。

（2）生成松嫩平原的三維立體地質結構模型。

（3）修正後的文件以縣（市）為單位導入GMS軟體正式生成三維地質立體模塊。全區共劃分為30塊，即安達、北安、賓縣、大同、富裕、哈爾濱、海倫、克山、林甸、龍江、龍鎮、明水、訥河、嫩江、慶安、綏化、望奎、依安、肇州、長春、長嶺、大安、伏龍泉和懷德、扶余、農安、泰來、陶賴昭、通榆和香海廟、榆樹、鎮賚和陶安。

（三）粘貼遙感景象圖

為了能夠直觀了解各地的地質情況，在生成的立體表面粘貼遙感景象圖片。首先對整個區域的遙感圖片根據需要進行處理，然後將處理後的圖片導入GMS軟體進行粘貼。

三、地質結構模型的功能及其特點

建成後的地層三維立體模型使得研究人員對於全區地層及含水層系統結構、含水層間復雜的接觸關系，有了更完整、具體的認識，實現了「實地對照，多維視角，隨意切剖」的功能。

（1）三維模型再現研究區含水層整體的空間組合形式，實現了含水層三維可視化。

（2）可以以分解形式展現任一地層的空間展布形態及其接觸關系。

（3）可以多視角的觀測各含水層的空間形態。

（4）可以在任意方向上切割地層剖面，有助於更好地了解地層在不同地區的空間分布。

（5）可以計算出任意含水層及地層空間體的體積，這對於鬆散含水層有著重要的水文地質意義。

③ 結構模型實驗和地質力學模型實驗的異同

• 結構模型實驗和地質力學模型實驗的異同：

1 . 結構模型實驗

①是研究彈性范圍內線彈性應力模型，與研究超出彈性范圍直至破壞的彈塑性模型試驗，根據相似理論在模擬結構原型的模型上進行的力學試驗。

②將作用在原型水工建築上的力學現象，按一定的相似關系縮小，重演到模型上，從模型演示的與原型相似的力學現象中，採用電測技術量測應變和位移，以確定其應力、位移和安全度，再通過相似關系換算到原型，從而與設計成果分析對比，驗證設計方案的合理性、計算數據的可靠性。

2 .地質力學模型實驗

①是地力學模型試驗門或岩石力學模型試驗，用於研究地基本身及其對上部建築的影響。

②是基於一定的相似原理對某一工程地質構造進行縮尺研究的一種物理模擬方法。

• 地質力學模型實驗介紹：

地質力學模型試驗又稱地力學模型試驗門或岩石力學模型試驗。

• 地質力學模型實驗應用范圍：

近代由於生產建設及科學技術的發展越來越多的建築物需要修建在具有復雜地質構造的岩基上或岩體內，如大壩、廠房、隧洞、地下電站、地下油庫、礦井等等。這類建築物的抗沿滑穩定性、基礎變形對建築物結構的影響、地下結構的圍岩穩定和襯助壓力、岩體高邊坡的穩定問題等，都是地質力學模型試驗的研究內容。而且，近年來隨著試驗量測技術的提高，地質力學模型試驗中的一些研究課題，已由定性分析階段進入定量分析階段。

④ 近地表精細地質模型及探測技術

以往常規三維地震勘探只對採集工區的近地表進行簡單的小折射、單井微測井或雙微測井調查，簡單求取試驗點位的表層速度、速度界面和潛水面等資料，而且試驗點密度稀疏、精度低，不利於指導後續的激發和靜校正處理。高精度地震勘探對野外地質調查工作要求越來越高：不僅要求查清近地錶速度和厚度界面，還必須查清近地表介質的岩性、吸收衰減品質因子、物性參數等變化。因此，研究和總結一套精細近地表調查方法十分必要。

（一）沖積平原表層介質特性及地震響應

1.近地表因素對地震波場的影響

地表到低速帶底界包含了地表自由面、低速帶底界的強反射面和低速地層。

1）低速帶對波場結構的影響

低速帶底界是速度差較大的界面，一方面會產生折射波，同時也使激發波場復雜化。地震勘探通常選擇在此界面附近激發。激發點與離界面的距離不同，則近源波場不同，因為點震源激發出的波為球面波。若震源離水平反射面很近，球面與水平面相互作用，產生明顯的首波效應，形成Schmidt波，其中既包含均勻波，又包含非均勻波，如圖4-1所示，該模型上層速度為800m/s、下層速度為2000m/s。

圖4-1 折射面對激發波場的影響

2）低速帶對地震波下傳能量的屏蔽作用

設計一個三層約30m近地表模型，層速度分別為514m/s、1005m/s和1538m/s，下伏地層速度2200m/s。模型及其模擬結果如圖4-2所示。低速帶引起能量的屏蔽，造成下傳能量變弱，同時引起地表雜訊，自由表面加劇了這一現象，使得地震資料質量變差。

圖4-2 折射面對激發波場的影響

（彈性波垂直分量）

3）低速帶對地震波場的吸收作用

當地層的品質因子小於50時，地層對地震波能量的吸收較嚴重。而當品質因子大於100後，地層吸收衰減作用變得很小。通過對勝利探區的研究和分析，得出了其速度和品質因子的擬合關系：中深層為Q=23.96×v^1.78，淺層為Q=4.93×v^4.45，可看出，淺層Q值隨速度的變化比深層更劇烈。

綜上所述，近地表吸收強、底界反射系數大，不利於能量下傳。當然，表層速度低導致透射系數大，振幅加大，使入射線向垂直方向彎曲，垂直分量增強，並且振幅放大是全頻帶的，但它並不能彌補吸收作用的缺陷，因為吸收具有濾波效應，高頻成分吸收嚴重。

2.近地表對地震波能量的吸收效應分析

在前面認識的基礎上，針對研究區近地表Q值隨深度變化規律，建立符合勝利探區的近地表Q值模型，並進行波場模擬。

圖4-3中給出了3組Q值隨深度變化關系，從Q值的變化規律可以看出：在研究探區內，存在Q值隨深度躍變模型，存在Q值隨深度漸變模型，也存在Q值隨深度逐漸增加模型。根據上述數據設計了一個層狀介質模型，其中地表模型分為5層，層厚度、P波速度、密度、Q值大小如表4-1所示。

圖4-3 探區三組典型的Q值隨深度變化曲線圖

表4-1 模型層位數據

圖4-4為模型波場快照和單炮記錄，粘彈性介質考慮了實際介質對地震波的吸收衰減作用。可以看出，反射波振幅明顯減弱，同相軸能量變弱，並且對高頻的吸收作用比對低頻的吸收作用強。

為了定量分析吸收衰減因子對地震波振幅能量的耗損程度，從單炮記錄中抽取多道數據進行分析，見圖4-5。可以看出，在相同激發中心頻率情況下，正演波場能量都隨著偏移距增大而減小，且含Q模型的衰減更快，在近地錶速度場模型下，遠道接收的波場能量大約是不含Q模型時能量的2.5倍，近道接收的波場能量大約是不含Q速度模型的1.5～1.8倍。

圖4-4a 120ms波場快照

（左：不含Q模型；右：含Q模型）

圖4-4b 主頻60Hz單炮記錄

（左：不含Q模型；右：含Q模型）

圖4-5 各道振幅能量衰減變化圖

（左：不含Q模型；右：含Q模型）

（二）精細近地表探測技術

表層結構調查方法分為多種，通過對各種方法進行分析比較，形成了速度分層技術、岩性探測技術、岩土物性參數岩性分層技術等高精度表層結構參數調查技術系列。依據工區特點優選一種或多種合適的近地表調查方法，充分發揮不同方式的優點，可以較好地獲得低降速層的埋深、速度和岩性資料。

1.精細近地表岩性探測與分層技術

主要以動力岩性探測、靜力岩性探測、近地表岩性測井進行綜合探測標定。

目前地質勘探調查工作中所採用的動力探測淺層取心方法都是不完整和不連續的采樣取心，取出來的泥心有相當程度的壓縮和擾動，不滿足地震勘探要求。通過對連續性、擾動性、壓縮性等影響取心因素綜合分析，結合野外實際施工條件和對取心器的使用要求，設計了半合管薄壁取心器作為連續取心器，它的拆裝式半合管取心筒能非常方便快速地提取泥心。

靜力探測是用靜力將一個內部裝有感測器的探頭勻速地壓入土中，感測器將大小不同的阻力通過電信號輸入到記錄儀記錄下來，再利用貫入阻力與土的工程地質特徵之間的相關關系確定土的岩土參數。適用於粘性土、粉土、砂土及含少量碎石的土層。根據阻力、摩擦力變化與岩土性質的關系對近地表岩性進行標定（表4-2）。

表4-2 岩土岩性q_c-H、R_f－H曲線特徵表

近地表測井方法是將靜力探測技術和測井技術有機結合，獲取q_c、R_f和GR值，進行近地表岩性的准確求取。

淤泥：q_c≤1.35，I_GR＞85%；

泥：R_f＞0.2973q_c+1.6，I_GR＞85%；

砂質泥：0.2973q_c+1.6≥R_f＞15.932f_s+0.5591，50%＜I_GR＜85%；

泥質砂：15.932f_s+0.5591≥R_f＞0.1013q_c+0.32，15%＜I_GR＜50%；

砂：R_f≤0.1013q_c+0.32，q_c＞2，I_GR＜15%。

2.近地錶速度精細探測與分層技術

以往常規的小折射、微測井方法是根據縱波速度變化對近地表低速層、降速層、高速層進行劃分，本書在常規方法的基礎上完善了面波、橫波微測井速度分析方法。

1）面波法

面波法是利用瑞雷面波的頻散特性研究表層結構的方法。面波頻散曲線反映了面波排列范圍內面波波速隨深度的變化，因此，對於不同類型的頻散曲線進行分析解釋，可推斷其對應的近地表模型。在水平層狀介質中，不同頻率的瑞雷波有不同的波長，其相速度V_R的變化反映了不同深度內介質平均性質的改變。從觀測的瑞雷波資料中提取瑞雷面波的頻散曲線，確定表層介質的厚度和速度參數（圖4-6）。

2）橫波微測井

橫波微測井一般採用單孔檢測的地表激發孔中接收，即地面激發以產生彈性波，孔內由檢波器接收彈性波。當地面震源採用叩板時可正反向激發，並產生S_h波，利用剪切波震相差180°的特性可識別S波的初至時間，在孔口附近垂向激發產生P波（圖4-7）。

圖4-6 面波資料分層解釋圖

圖4-7 橫波微測井單炮記錄

（上：x分量；下：y分量）

P波與S波具有以下明顯特徵：①P波傳播速度較S波快，P波為初至波；②在激振板兩端分別作水平激發時，S波相位反向，而P波相位不變；③在距井口一定深度後，P波振幅變小，頻率變高，而S波幅度相對較大，頻率相對較低；④最小測試深度應大於震源板至孔口之間的距離，以避免淺部高速地層界面可能造成的折射波影響。

通過對三分量地震資料偏振分析，三分量地震資料從震源傳到三分量檢波器的第一個直達P波，其質點運動方向與波傳播方向一致，在由震源和檢波點確定的垂直平面內，這種直達P波的偏振是線性的，它在水平面內的投影也是直線。這樣，就可以用直達波偏振方向在水平面內的投影作為參考，測出三分量檢波器觀測時水平分量的相對方位，並可將觀測到的水平分量的信號轉換到以直達P波偏振方向在水平面內投影為參考的一致坐標系，即在以直達P波偏振方向在水平面內的投影為參考的坐標系中完成縱、橫波分離，從而計算出縱橫波的速度和厚度參數。

3.近地表岩土參數測試與分析技術

地震勘探中，表層介質岩性對野外激發參數的選取具有很大的指導意義。

在計算土的物理性質指標時，通常認為土是由空氣、水和土顆粒三相組成。實驗室對岩性取心的土樣進行含水率w、密度G_s、重度、乾重比、孔隙比e₀、飽和度S_r、液限w_L、塑限w_p、塑性指數I_p、液性指數I_L、粘聚力c、內摩擦角、壓縮系數a_1－2、壓縮模量E_s等14種參數進行了測試，並進行了聚類回歸分析。

1）近地表測量原始數據的交匯分析

對不同種類岩土岩性數據的兩兩交匯分析，挑選出近地表調查數據中與岩土岩性存在相關性的數據，進行後續聚類統計回歸分析。對所有微測井數據進行了兩兩交匯分析，篩選出乾重比、孔隙比、塑性指數、液性指數、壓縮系數和壓縮模量6組參數。

2）近地表調查測量數據的聚類統計回歸分析

對上述6組參數進行聚類統計回歸分析，得到以下統計經驗關系式：

F(1)=3230.958A₁+25947.173A₂－100.413A₃+572.814A₄－176.199A₅－13.849A₆－33677.52

F(2)=3222.085A₁+25969.414A₂－99.182A₃+561.174A₄－153.138A₅－13.659A₆－33579.61

F(3)=3291.434A₁+26678.434A₂－103.223A₃+558.876A₄－110.215A₅－12.591A₆－35192.89

參數如下：F(1)，F(2)，F(3)為三種分類的概率。F(1)為粉土；F(2)為粉質粘土；F(3)為淤泥質粉質粘土；A₁：乾重比；A₂：孔隙比；A₃:塑性指數；A₄：液性指數；A₅：壓縮系數；A₆：壓縮模量。

4.近地表連續追蹤探測技術

隨著地震勘探的不斷深入，復雜地表條件和精細近地表建模要求激發參數逐點設計，這就需要對整個探區近地表結構進行連續調查。

1）地質雷達方法

地質雷達調查表層結構就是向地下介質發射一定強度的高頻電磁脈沖，電磁脈沖遇到不同電性介質的分界面時即產生反射或散射，接收並記錄這些信號，再通過進一步的信號處理和解釋即可了解地下介質的情況。地質雷達信號處理和解釋方法與反射地震法大體相同，前者為高頻電磁波和物質的電磁特性，後者為彈性波和物質的彈性特性。地質雷達方法可以多次探測，通過疊加壓制干擾，得到一個連續的剖面。通過剖面的解釋，可以顯示表層結構形態，再結合表層取心可以獲得表層岩性特徵。

2）地震映像方法

地震映像法採用的是地震反射波的共偏移距單道接收技術，野外數據採集時，採用單點放炮、單點或多點接收方式，每激發一次就記錄一道，激發點和接收點沿著測線不斷地同步移動，最後將記錄存儲，得到一張由多次觀測得到的多道等偏移距的地震映像剖面。由於所選偏移距較小，因此它是一張近自激自收直接成像的地震反射時間剖面。另外一種方法是採用計算機對共炮點記錄進行自動選排，也可以獲得各種偏移距的共偏移距剖面(地震映像剖面)。

地震映像法採集的是近震源波場信息，因此可獲得解析度較高、反射能量較強的地震映像剖面，並能夠清晰地反映出地下各岩層的起伏形態以及構造分布特徵。圖4-8是濰北地區一條地震映像剖面，野外施工道距1m、偏移距1m。根據剖面解釋，低速層界面埋深約2.3～3.2m，降速層界面埋深約13.2～14.3m，結果與小折射、微測井、岩性取心對比，誤差非常小（表4-3）。

5.探測方法適應性分析

通過分析認為，在沖積平原覆蓋區，具備大面積、高密度推廣使用的方法主要有小折射、單井微測井、岩性探測、近地表測井等。動力探測與雙井微測井可作為輔助標定方法進行聯合應用，岩土參數測試可以獲得近地表物性參數，多波微測井可有效獲取地震橫波信息，是多波勘探的必要方法，地質雷達、地震映像可以進行近地表結構連續追蹤（表4-4）。

圖4-8 濰北地區地震映像60～120Hz濾波剖面

表4-3 濰北地區表層結構調查成果對比表

表4-4 不同表層調查方法評價表

（三）近地表多參數精細建模技術

近地表多參數精細建模是綜合低降速帶厚度、速度、潛水面、表層岩性、物性和吸收衰減等參數，構建精確的近地表多參數模型指導野外的激發和後續靜校正處理工作。首先是建立精細的表層模型；其次是設計人員在表層模型上逐點設計激發參數，然後將每個井位的激發參數輸出，指導野外施工人員鑽井施工；另一方面，通過建立准確的近地表模型，為後續處理工作提供多屬性靜校正量，開展基於不同靜校正模型的精細處理。

1.近地錶速度、厚度、岩性模型

利用研究的工作流程，構建精細近地表厚度、速度、岩性模型，應用模型進行了激發參數的設計輸出（圖4-9、圖4-10）。

圖4-9 激發點地表位置

圖4-10 激發井深設計

2.近地表吸收衰減Q值反演建模

近地表吸收衰減Q值反演主要對單井微測井和雙井微測井資料進行進一步分析，在頻散非常嚴重的粘彈介質中，頻率對吸收的影響不可忽略。鑒於此，並考慮通過衰減與頻率之間的關系進行衰減估計，質心頻率偏移法更適合近地表的吸收衰減特徵。通過計算震源點、接收點的質心頻率及其方差，建立兩者之間的關系式，利用質心頻率偏移計算地震波衰減響應。結合近地錶速度反演結果，利用所得的品質因子構建低降速帶Q值模型，為後續近地表一致性高頻補償提供了准確基礎資料。

通過對第四系沖積平原覆蓋區發育和形成的研究，得到了沖積平原第四系地層沉積結構、沉積岩性及分布規律，建立了現代沖積平原淺層沉積模式。通過對多種近地表調查方法進行測試，岩性取心、雙井微測井和靜力觸探在沖積平原覆蓋區探測精度較高，使表層調查精度得到了提升，形成了一套精細近地表建模技術，建立的精細近地表結構模型，為激發井深的選取和靜校正量計算打下良好基礎。

⑤ 張強勇的發明專利

1、鐵晶砂膠結岩土相似材料及其制備方法 ：張強勇、李術才、朱維申等，授權時間：2007.9.12
2、組合式地質力學模型試驗台架裝置：張強勇、李術才、朱維申等，授權時間：2009.5.13
3、三維地質力學模型試驗系統：李術才、張強勇、朱維申等，授權時間：2008.11.12
4、高地應力真三維載入模型試驗系統：張強勇、李術才、陳旭光等，授權時間：2010.5.20

⑥ 華北水利水電學院岩土工程系

學校隸屬關系：河南省電話：0371-5790279

學校所在地：河南鄭州市鄭花路20號傳真：0371-5727645

郵政編碼：450008電子郵件：quanh＠371.net

一、地質類專業設置

華北水利水電學院岩土工程系設有地礦類（工學）本科專業地質工程；地理類（理學）本科專業資源環境與城鄉規劃管理；土建類（工學）本科專業土木工程（岩土工程方向）。

1）地質工程專業：原為水文地質與工程地質專業，創辦於1958年。目前該專業主要開設有工程地質和環境地質兩個專業方向。

2）資源環境與城鄉規劃管理專業：是根據城市化進程和小城鎮發展對人才的需求，以及我校的辦學條件，於2002年申辦的新專業。

3）土木工程專業（岩土工程方向）：開辦於 1994年。

二、地學類相關學科本科專業設置

華北水利水電學院另設有：水利水電工程、水文學及水資源工程、土木工程（工業與民用建築、道路與橋梁工程等方向）、給水排水工程、環境工程等與地學類相關的本科專業。

三、地學類研究生學科及相關學科研究生學科專業設置

華北水利水電學院地學類研究生學科專業有地質工程碩士點學科（1992年獲授予權）。與地學類相關的研究生學科專業有水工結構工程（國家首批學位授予點）、水文學及水資源（1998年獲學位授予權）和岩土工程（2003年獲學位授予權）等三個碩士點學科。

地質工程、水工結構工程、水文學及水資源同時擁有同等學歷碩士學位授予權，地質工程領域和水利水電工程領域工程碩士學位授予權。

四、地質類教師隊伍現狀

1.教師隊伍現狀

岩土工程系現有教師42人，已形成一支年齡、學歷、職稱結構合理的師資隊伍（詳見下表）。碩士研究生導師11名，主要從事岩土工程力學、水文地質、環境工程地質、地基及基礎工程等4個研究方向。

表1 岩土工程系教師職稱及學位結構一覽表

土力學實驗室、岩石力學實驗室和工程物探實驗室等除完成好教學任務外，還承擔了大量試驗研究項目和對外科技服務項目。

七、「九五」以來科學研究簡況

近五年來，承擔國際合作項目5項，國家計委、科技部和教育部項目21項。如國家「973」項目「大型邊坡的安全度研究」、中日合作項目「南水北調西線工程生態與環境影響評價」、國家「863」項目「北方半乾旱地區集雨灌溉多水源優化配置技術研究」、教育部骨幹教師資助項目「滑坡演化的非線性機制研究」等。

（撰稿：陳南祥、黃志全）

⑦ 典型地質異常體瞬變電磁響應物理模擬

在電磁法勘探中，物理模擬是研究野外條件下電磁響應特徵的重要手段。由於野外地質地理以及人文條件較為復雜，岩（礦）石物理性質變化很大，很多目的物的響應無法用數學解析式表示，使用高性能的電子計算機，採用有限元、有限差分等近似數值解法，雖然大大提高了解題的范圍，但仍存在一些不易解決的問題。另一方面由於無嚴格的解析解與近似解作對比，因此還需要藉助於物理模擬的方法來驗證近似解的正確性和近似程度。

瞬變電磁超前探測在井下巷道空間中進行，巷道空間的存在改變了瞬變電磁場全空間分布特徵，使其不再是嚴格意義上的全空間場。本章使用鹽水充當巷道空間圍岩介質，使用玻璃槽充當巷道空間，建立了瞬變電磁超前探測含巷道全空間物理模型，根據目前瞬變電磁井下實際超前探測方法，對不同異常體的超前探測響應特徵進行了物理實驗模擬。

1.實驗模型系統設計

（1）地質模型

典型的礦井地質模型為水平層狀，相對頂、底板來說煤層可視為高電阻率介質。掘進巷道位於煤層當中，如圖6－8所示。一般採煤工作面掘進巷道斷面的寬度為2～4m，高度為2～4m。本章主要研究巷道空間對礦井瞬變電磁場分布的影響規律。因此，假設巷道位於均勻全空間介質當中，即頂板、底板和煤層具有相同的電阻率值100Ω·m。在礦井瞬變電磁法實際工作當中，因巷道空間的限制常選用多匝小回線作為發射、接收裝置，線圈邊長通常為2m，同時，按照礦井防爆措施要求，發射電流應小於10A。

圖6－13 超前探測多測道剖面圖（異常位於迎頭正前方）

⑧ 太陽系是怎麼形成的

太陽系是原始太陽爆炸形成的
太陽系是怎樣形成的，這是天文學的基礎理論之一，這一基礎理論搞不清楚，其他的很多天文學理論就搞不清楚。可到目前為止，太陽系是怎樣形成的科學家們也沒搞清楚。
地球膨裂說認為，太陽系是原始太陽爆炸形成的。46億年前，太陽因內部的核聚變而發生爆炸，飛出許多熔融的火球，這些熔融的火球冷卻後形成了行星、月亮、小行星、衛星和慧星，地球就是其中之一。一些大的火球在冷卻的過程中，由於受到表面張力的作用，形成了球形。一些小的火球來不及收縮成球形，而冷卻成了不規則的形狀，形成了火星和木星間的小行星帶、小行星。一些小一點的火球由於離大火球較近而被「俘獲」，形成了大火球的衛星。一些離太陽較近的行星具有較重的物質；一些離太陽較遠的行星，具有較輕的物質。這是因為離太陽較遠的行星具有的液態氫等物質和太陽表面的熔融物質一樣，並且較輕，而且處在太陽表面，因此它們在太陽爆炸時獲得了較大的離心力，飛離太陽較遠；距離太陽較近的行星具有的岩石、金屬等物質和太陽表面下面的熔融物質一樣，並且較重，而且處在太陽表面的下面，因此它們在太陽爆炸時獲得了較小的離心力飛離太陽較近。
太陽系是原始太陽爆炸形成的證據：
1、質量守衡
經科學家們觀測，太陽的質量是太陽系質量的99.87%，太陽系中行星的質量是太陽系的0.13% （1）。那麼太陽的質量+太陽系中行星的質量=太陽系（原始太陽）的質量。也就是99.87%+0.13%=100%。這足已證明太陽系是原始太陽爆炸形成的。
2、角動量守衡
太陽角動量是太陽系的0.73% ，太陽系中行星的角動量是太陽系的99.27%
（2）。那麼太陽的角動量+太陽系中行星的角動量=太陽系（原始太陽）的角動量。也就是0.73%+99.27%=100% 。這足已證明太陽系是原始太陽爆炸形成的。
3、能量守衡（轉動能量守衡）
因為天文計算中不可能絕對准確，所以我們可以把天文學家們關於太陽、行星的質量，太陽、行星的角動量占太陽系的百分比看成是整數。也就是把太陽的質量看成是太陽系質量的99.%，太陽系中行星的質量看成是太陽系的1% 、太陽的角動量看成是太陽系的1%，太陽系中行星的角動量看成是太陽系的99% 。這也就是說太陽的質量和行星的質量之比為99/1，太陽的角動量和行星的角動量之比為1/99。這也就是說太陽的質量和行星的質量之比和太陽的角動量和行星的角動量之比互為倒數1/99=1/99。
我們設太陽的質量為m ，太陽系中行星的質量為m1 ，根據角動量公式mr2ω，設太陽的角動量為mr2ω ，太陽系中行星的角動量為m1r12ω1 。這樣太陽的質量和行星的質量之比與太陽的角動量和行星的角動量之比互為倒數，也就是m1/ m= mr2ω/m1r12ω1 （1） 。
我們假設太陽系是原始太陽爆炸形成的。原始太陽爆炸形成太陽系之後，行星在太陽萬有引力的拖拽下圍繞太陽公轉，太陽的轉動能就會不斷向行星轉移，直至太陽的轉動能等於行星的轉動能為止。
根據實心球轉動能公式E=2/5mr2ω2，我們設太陽的轉動能為E=2/5mr2ω2 ,太陽系中行星的轉動能為E1=2/5 m1r12ω12 。太陽的轉動能等於行星的轉動能，也就是2/5 mr2ω2 =2/5 m1r12ω12 ， 也就是mr2ω2 = m1r12ω12 （2） 。
根據（2）式得出 mr2ω/m1r12ω1= ω1/ω （3）
根據（1）、（3）式得出 m1/ m =ω1/ω （4）
根據（1）、（4）式得出ω1/ω= mr2ω/m1r12ω1 （5）
根據（5）式得出mr2ω2 = m1r12ω12 （6）
根據（6）式得出我們假設的（2）式成立，太陽的轉動能=太陽系中行星的轉動能，太陽的轉動能+太陽系中行星的轉動能=原始太陽的轉動能，轉動能守衡。
4、行星的公轉軌道是橢圓形。我們知道，橢圓形公轉軌道是因為離心力大於向心力；圓形公轉軌道是因為離心力等於向心力。以地球為例，地球在近日點自西向東公轉時，離心力大於向心力，所以地球離太陽越來越遠，到遠日點時離心力等於向心力：地球在遠日點自西向東公轉時離心力小於向心力，所以地球離太陽越來越近，到近日點時離心力大於向心力。
地球的公轉軌道為什麼是橢圓形呢？地球膨裂說認為，因為地球是太陽發生爆炸飛離太陽的，所以離心力大於向心力。這就像人造衛星的初始地球軌道是橢圓形一樣。因為人造衛星是從地球上發射出去的，人造衛星有一個飛離地球的離心力，而且離心力大於向心力，因此人造衛星的初始地球軌道是橢圓形。因為人造衛星是被月球「俘獲」的，離心力等於向心力，所以人造衛星的初始月球軌道為是圓形
按照星雲說的觀點，太陽和行星是同源的，它們都是原始星雲形成的，因此它們的公轉軌道應該是圓形的。
5、八大行星的近日點都在太陽的同一側。為什麼八大行星的近日點都在太陽的同一側呢？這是因為八大行星是在太陽近日點的一次爆炸時同時飛出的。這就像人造衛星的地球公轉軌道近地點就是人造衛星的發射點一樣。
按照星雲說的觀點，太陽和行星是同源的，不可能八大行星的近日點都在太陽的同一側。
6、太陽系角動量分布異常
我們假設太陽系是原始太陽爆炸形成的，就應該太陽的轉動能等於行星的轉動能，也就是mr2ω2 = m1r12ω12 （2）。
根據（2）式得出mrω2 /m1r1ω12= r1/r （3）
根據（1）、（3）式得出 m1/ m = r1/r （4）
根據（1）、（4）式得出 r1/r = mrω2 /m1r1ω12 （5）
根據（5）式得出mr2ω2 = m1r12ω12 （6）
因為m1/ m =1/99，所以 mrω2 /m1r1ω12=1/99 。
也就是行星的角動量是太陽系角動量的99% 。
因此，太陽系角動量分布異常是原始太陽爆炸形成太陽系的證據。
如果太陽系是原始星雲形成的，上述太陽系是原始太陽爆炸形成的6個證據就無法解釋。
參考文獻：
（1）、查網路：「太陽的質量是太陽系質量的99.87%，太陽系中行星的質量是太陽系的0.13%」。
（2）、查網路：「太陽角動量是太陽系的0.73% ，太陽系中行星的角動量是太陽系的99.27%」。
作者：賴柏林