內(nèi)容摘要：交河故城臺地邊緣向內(nèi)20m的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)面大量發(fā)育，嚴(yán)重切割臺地土體，已成為危害交河故城臺地穩(wěn)定性的首要隱患。因此，掌握結(jié)構(gòu)面在空間上的發(fā)育特征，成為研究臺地土體破壞機(jī)理和科學(xué)保護(hù)加固的關(guān)鍵；由于臺地土體屬于文物的范疇，結(jié)構(gòu)面在空間的發(fā)育特征無法采取常規(guī)有損的探測手段，本文利用面波探測方法對結(jié)構(gòu)面在空間上的發(fā)育特征進(jìn)行了初步研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，多瞬道面波技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地判別出裂隙的長度、張開度和空間延展形態(tài)，從而為交河故城搶險(xiǎn)加固工程提供了科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：交河故城；結(jié)構(gòu)面；面波探測；研究

中圖分類號：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-4106(2007)05-0074-04

前言

交河故城為全國第一批重點(diǎn)文物保護(hù)單位，坐落在吐魯番西面大約10km處的雅爾乃孜溝旁，是古代西域“城郭諸國”之一的車師前國的都城。歷經(jīng)2000多年戰(zhàn)火和自然作用的洗禮，故城已遭受了嚴(yán)重破壞，尤其是故城臺地土體在地質(zhì)內(nèi)外營力的共同作用下，已經(jīng)處于極度危險(xiǎn)的狀態(tài)。臺地邊緣結(jié)構(gòu)面密布，卸荷裂隙和節(jié)理最為發(fā)育，大部分卸荷裂隙和節(jié)理共生發(fā)育，相互連通，切割臺地，形成巨大的不穩(wěn)定體，目前已成為危害交河故城臺地穩(wěn)定性的首要隱患。因此，如何正確評價(jià)臺地裂隙的空間分布特征，關(guān)系到臺地?fù)尵燃庸坦こ痰目茖W(xué)性和經(jīng)濟(jì)性，但是由于臺地土體是文物這一特殊性，大型的破壞性鉆探和坑探工程不能運(yùn)用，面波探測方法以其無損傷、高精度的特點(diǎn)成為研究的首選。

一 臺地土體結(jié)構(gòu)面的平面發(fā)育特征

1.1 結(jié)構(gòu)面平面分布特征

臺地上較為發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要分布在臺地邊緣向內(nèi)20m范圍內(nèi)，平面分布不均勻。東北邊較西北邊發(fā)育、密集，對臺地土體的切割破壞嚴(yán)重。裂隙與臺地邊緣平行延伸并側(cè)切臺地，縱橫交錯(cuò)將崖體切割為一面臨空，或后緣裂隙與側(cè)切裂隙貫通將崖體切割為板狀、柱狀、楔狀體等，構(gòu)成有利的破壞邊界。后緣裂隙延伸長，最長可達(dá)50m，其中節(jié)理呈“之”字形延伸。卸荷裂隙的發(fā)育與臺地微地形地貌關(guān)系密切，臺地轉(zhuǎn)彎處裂隙明顯密集。

1.2 結(jié)構(gòu)面類型及特征

臺地發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要有節(jié)理、卸荷裂隙兩種類型，節(jié)理發(fā)育大致歸類為三組。卸荷裂隙一組發(fā)育(表1)。節(jié)理以走向25°和走向325°兩組最為發(fā)育；卸荷裂隙，北西走向，均值328°；兩種類型結(jié)構(gòu)面的傾角均較為大，近于直立。

1.3 結(jié)構(gòu)面規(guī)模

結(jié)構(gòu)面規(guī)模主要指其長度或延續(xù)性、切穿性及裂隙深度。通過平面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，卸荷裂隙長度呈正態(tài)分布，數(shù)量多，以1-3m和3-5m居多，各占總裂隙的30％以上，最長可達(dá)50m；其次為5m-10m，占總裂隙的22％；長度大于10m的占裂隙數(shù)的10％以上；小于1m者僅占1％。多數(shù)延伸長度大者為與崖體邊緣平行的卸荷裂隙，追蹤節(jié)理發(fā)育，兩組節(jié)理長度多在1-5m，側(cè)切崖體。

二 結(jié)構(gòu)面立面特征調(diào)查中存在的問題

由于臺地發(fā)育的卸荷裂隙均以較大傾角向下發(fā)育且傾角出現(xiàn)小幅變化，張開度也隨著裂隙切割深度呈現(xiàn)一定梯度的遞減變化且臺地土體四面臨空，構(gòu)成20-30m不等的高大陡直邊坡。因此，裂隙在臺地面的觀測深度非常有限，無法得出裂隙的具體立面延伸長度，進(jìn)而裂隙在立面的張開度變化和充填狀況無法精確的測繪或計(jì)算得出。常規(guī)的探測手段如坑探、鉆探等雖能較為直觀的反映裂隙在空間的發(fā)育特征，但是對于臺地的破壞性是巨大而不可逆的，與文物保護(hù)的宗旨和精神背道而馳，因此，一種無損傷的高分辨率、高精度的探測和合理的探測方法成為解決問題的關(guān)鍵所在。

三 面波探測的基本原理

面波探測也稱彈性波頻率測深。瞬態(tài)面波技術(shù)是利用彈性面波中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低、易識別測量的瑞利波進(jìn)行工作，具有儀器設(shè)備輕便，對探測場地條件要求低，探測速度快等優(yōu)點(diǎn)。

面波是一種特殊的地震波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，其能量主要集中在介質(zhì)表面附近，能量的衰減與傳播距離與r成正比，要比體波(P波和s波)衰減慢得多。傳播過程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡為長軸垂直于地面、逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的極化橢圓，并以高度約一個(gè)波長(λ_R)的圓柱體為波前向外擴(kuò)散傳播。在瞬態(tài)激震下，地面產(chǎn)生的瑞雷波沿地面?zhèn)鞑?，其穿透深度約為一個(gè)波長，同一波長的瑞雷波傳播特征反映了介質(zhì)性質(zhì)在水平方向的變化情況，而不同的波長則反映了不同深度的地下情況。由于面波的能量主要集中在半波長以內(nèi)，因此，地面測得的瑞雷波速度Vr反映的主要是半波長深度范圍內(nèi)介質(zhì)的性質(zhì)。

當(dāng)用重錘激振地面時(shí)，利用不同頻率f的瑞雷面波，得到不同深度范圍波速Vr。繪出面波勘探點(diǎn)的Vr-H曲線(即頻散曲線)。由勘察原理可知，頻散曲線上Vr反映的是一定水平范圍及從零到半波長地層內(nèi)的平均速度。然后通過Vr-H頻散曲線，反演解釋出不同巖土層的面波波速Vr。利用多個(gè)面波點(diǎn)排列，即可繪制面波波速等值線斷面圖，還可直接利用反演解釋結(jié)果繪制地層推斷解釋圖。

四 面波探測臺地土體結(jié)構(gòu)面立面形態(tài)的初步試驗(yàn)

在交河故城臺地結(jié)構(gòu)面立面測試條件尚不具備的情況下，選取交河臺地附近同一時(shí)期2#臺地一處結(jié)構(gòu)面發(fā)育處(圖1)，該結(jié)構(gòu)面與交河故城臺地大多數(shù)卸荷裂隙發(fā)育機(jī)制相一致，具有典型的代表意義，按照實(shí)驗(yàn)方案開展了面波裂隙測深的試驗(yàn)工作，以蘇州一光OTS534全站儀與北京水利水電研究所的SWS-1型多功能綜合物探儀組成的聯(lián)合觀測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作(圖2)。

4.1 面波現(xiàn)場探測

為取得合適的道間距、偏移距、激震能量、采樣時(shí)間與間隔等采集參數(shù)，在實(shí)測工作之前，首先進(jìn)行試驗(yàn)，通過多種方案對比分析，確定了合理的采集參數(shù)，實(shí)測采用12道檢波器接收，并將檢波器對稱埋置在勘探點(diǎn)一側(cè)，震源點(diǎn)和檢波器沿垂直滑動方向在平坦的平臺排列，測線沿垂直方向布置，在排列單側(cè)激振。由于本次探測要求精度高，需要反映淺部詳細(xì)信息，選用28Hz、38Hz、100Hz的檢波器接收，采樣點(diǎn)數(shù)為2048個(gè)，以8磅和0.5重磅激振。為避免丟失面波某一頻段的信息，采用全通檔濾波方式，為增強(qiáng)激發(fā)信號，提高信噪比，采用5-10次疊加。

4.2 探測成果的整理、分析與解釋

探測點(diǎn)布置工作依據(jù)探測目的及有關(guān)規(guī)程規(guī)范，沿結(jié)構(gòu)面立面延展方向布置面波測點(diǎn)2個(gè)、測點(diǎn)間距1m，經(jīng)室內(nèi)整理，匯總分析得到100Hz檢波器接收、0.5m道間距、1m偏移距2048采樣點(diǎn)為探測該裂隙的最佳方案。據(jù)此解譯采集波形，得到最優(yōu)頻散曲線2組(圖3、4)，并經(jīng)波速反演與正演，得到波速印象彩色圖(圖版17)和面波地質(zhì)剖面各1個(gè)(圖5)。波速印象彩圖和面波解譯地質(zhì)圖較為準(zhǔn)確、直觀地反應(yīng)了該處裂隙L1、L2的立面形態(tài)特征、張開度以及與表層土體之間的距離。

4.3 探測成果的校核

為了驗(yàn)證面波探測裂隙形態(tài)的可行性與準(zhǔn)確性，探測后對探測裂隙進(jìn)行了現(xiàn)場開挖比較，對比結(jié)果(表2)顯示，面波對裂隙立面形態(tài)探測結(jié)果準(zhǔn)確，與實(shí)際裂隙發(fā)育情況偏差極小，具有可信度與準(zhǔn)確性。

五 結(jié)論

5.1 交河故城臺地土體結(jié)構(gòu)面大量發(fā)育，對臺地土體的切割破壞嚴(yán)重，構(gòu)成有利于臺地土體破壞的組合方式，已成為危害交河故城臺地穩(wěn)定的首要隱患。

5.2 初步面波探測結(jié)果顯示，面波作為一種無損傷高精度探測手段完全滿足卸荷裂隙立面延展形態(tài)精確探測的研究目的，是臺地土體結(jié)構(gòu)面空間發(fā)育特征研究的有效手段。

5.3 探測結(jié)果的正確性關(guān)鍵是研究者對于研究對象的理解程度以及合理的探測方案。

致謝：

本次研究工作得到了敦煌研究院張魯高級工程師的關(guān)心和支持，在這里對他表示由衷的謝意。

責(zé)任編輯：齊雙吉