王志斌，王銀茹

(1.河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 河南 鄭州 450007； 2.中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

多道瞬態(tài)面波勘探是國(guó)內(nèi)首先發(fā)展和使用的巖土勘察測(cè)試技術(shù)，利用頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性可以解決諸多工程地質(zhì)問(wèn)題，近年來(lái)在工程勘察工作中得到廣泛應(yīng)用。

多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)，快速、高效和對(duì)環(huán)境無(wú)破壞等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于覆蓋層調(diào)查工作。本文結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)就該技術(shù)進(jìn)行介紹和探討。

1 基本原理和方法

1.1 基本原理

面波分為瑞雷波和拉夫波，而瑞雷波在振動(dòng)波組中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低，容易識(shí)別也易于測(cè)量，所以面波勘探一般是指瑞雷波勘探[1]。瑞雷波的能量只分布在地面附近，傳播深度約一個(gè)波長(zhǎng)。在二層及多層分層介質(zhì)中，瑞雷面波在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)無(wú)頻散性，在非均勻介質(zhì)中瑞雷波波速隨頻率而變化，這就是面波的頻散特性，面波的頻散特性是面波勘探的理論基礎(chǔ)。利用該性質(zhì)，可以求得瑞雷波頻率與速度關(guān)系曲線(頻散曲線)。試驗(yàn)表明，瑞雷波某一波長(zhǎng)的波速，主要與深度小于該波長(zhǎng)一半的地層物性有關(guān)，所以用一定波長(zhǎng)的瑞雷波速度可解釋一定深度地層物性。

瞬態(tài)面波在地面上沿瑞雷面波傳播方向以一定的道間距Δx設(shè)置N個(gè)檢波器，就可檢測(cè)到(N-1)Δx長(zhǎng)度范圍內(nèi)波的傳播過(guò)程[2]。

設(shè)瑞雷波的頻率為f1，相鄰兩檢波器記錄的瑞雷波到達(dá)的時(shí)間差為Δt，相位差為Δφ，則相鄰道Δx長(zhǎng)度內(nèi)瑞雷波傳播速度Vr為：

測(cè)量范圍(N-1)Δx內(nèi)的平均速度為：

Δt可根據(jù)實(shí)際需要，根據(jù)試驗(yàn)確定，相位差Δφ的求取則通過(guò)信號(hào)處理分析實(shí)現(xiàn)。在同一地段求出一些列頻率的Vr值，就可得到一條“ Vr- f”曲線，即頻散曲線。

瞬態(tài)瑞雷面波法的核心問(wèn)題是要準(zhǔn)確地獲得不同頻率的面波相速度Vr，不同波長(zhǎng)的瑞雷波Vr的變化反映不同深度巖土介質(zhì)的特性，同一波長(zhǎng)的瑞雷波Vr變化反映一定深度內(nèi)介質(zhì)的水平變化情況。頻散曲線的變化規(guī)律與地質(zhì)條件和巖土介質(zhì)的性狀存在著內(nèi)在聯(lián)系。分析研究和利用這種內(nèi)在聯(lián)系，就可達(dá)到解決工程地質(zhì)問(wèn)題的目的。

1.2 野外工作方法

應(yīng)用瞬態(tài)面波法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對(duì)比和分析。多道瞬態(tài)面波采用單端激發(fā)的共炮點(diǎn)等道距排列，排列長(zhǎng)度應(yīng)大于預(yù)期探測(cè)的深度，使排列至少能容納半個(gè)預(yù)期的面波最大波長(zhǎng)，總檢波道數(shù)不少于6道。地震儀參數(shù)選擇全通濾波，采樣時(shí)間間隔不大于預(yù)期面波最高頻率的半個(gè)周期，以避免采樣中的假頻影響，記錄時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)考慮包括最遠(yuǎn)道的預(yù)期低頻面波最大波長(zhǎng)。地震信號(hào)檢波器選擇低頻豎向檢波器。

野外數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)考慮勘探深度和場(chǎng)地條件的影響[3]。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)探測(cè)較淺部的地層介質(zhì)特性時(shí)，宜采用小的Δx值并用錘擊做震源以產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻信號(hào)，即可獲得較好的結(jié)果；當(dāng)探測(cè)較深部的地層介質(zhì)特性時(shí)，宜采用較大的Δx值，并用落重方法產(chǎn)生較低頻率的信號(hào)，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達(dá)到巖土工程勘察的目的。

偏移距的選擇是以在道間距Δx比較小的情況下，能滿足最佳面波接收窗口和最佳探測(cè)深度為原則。距震源最近道的偏移距大小可以從偏重于淺部或深部目標(biāo)考慮，一般反映淺部的面波頻散特征在震源近旁清晰，而反映深層的特征在距震源遠(yuǎn)處更明顯。

從能夠反演分層的角度出發(fā)，探測(cè)的對(duì)象應(yīng)該是橫向均勻的地層，現(xiàn)場(chǎng)排列地表的兩側(cè)和對(duì)面近旁也不應(yīng)有較大尺度的溝、坎、墻、柱等能產(chǎn)生面波反射或散射的障礙物，一般把不能回避的障礙物安排在炮點(diǎn)面對(duì)排列的背側(cè)為好。

1.3 多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理

面波勘探數(shù)據(jù)處理主要分為提取頻散曲線和深度速度域反演兩部分[4]：瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)記錄是多個(gè)界面、導(dǎo)波及其相互作用的合成，在時(shí)距域識(shí)別有效面波，在頻率波數(shù)域提取面波波型，然后用頻率-波數(shù)功率譜法(F-K法)提取微動(dòng)信號(hào)中面波頻散信息，在頻率波數(shù)譜圖形上區(qū)分出基階和高階的不同面波組分，面波的基階組分表現(xiàn)出明顯連續(xù)的幅度峰脊，拾取面波特征峰值曲線。采用多道信號(hào)疊加方法計(jì)算面波相速度，對(duì)于橫向均勻的地層，一般在近道的頻散數(shù)據(jù)中淺部地層反映較好，而遠(yuǎn)道的頻散數(shù)據(jù)反映深部地層好。如將全部遠(yuǎn)近道互相關(guān)疊加，求得的頻散數(shù)據(jù)往往不能夠全面地反映地層參數(shù)。用變偏移距疊加方法，高頻段疊加近道，低頻段疊加遠(yuǎn)道就可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。最后根據(jù)頻散曲線拐點(diǎn)進(jìn)行人工分層，然后反演擬合計(jì)算地層的面波、剪切波速度，判定速度界面和地質(zhì)異常情況。

2 工程實(shí)例

某500 kV線路工程跨黃河段某塔基位于小丘陵頂部，交通不便，鉆機(jī)和靜探車(chē)均無(wú)法進(jìn)場(chǎng)，鏟探掘進(jìn)4、5 m左右由于土層中含有大量姜石而無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求深度，為查明該塔基覆蓋層厚度并進(jìn)行地層劃分，為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供必要的地層參數(shù)，在該塔基開(kāi)展了瞬態(tài)面波工作。

經(jīng)調(diào)查，該地區(qū)地層主要為黃土狀粉質(zhì)粘土層、泥巖層和砂巖層，本次測(cè)試采用的儀器為WZG－6A型波速測(cè)試儀，采樣點(diǎn)數(shù)1024個(gè)，采樣間隔0.2 ms，濾波方式為全通。道間距5 m，偏移距10 m，利用共炮點(diǎn)6道檢波器接收，檢波器中心的頻率為4 Hz，由18磅大錘錘擊墊板激發(fā)。利用SWS地震瑞雷面波測(cè)深數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)場(chǎng)布置和反演結(jié)果如圖1、圖2：

圖1 6道面波測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)裝置示意圖

圖2 塔基面波勘測(cè)頻散曲線反演結(jié)果

由上圖結(jié)果可以看出，根據(jù)剪切波速可以把勘探深度內(nèi)的地層細(xì)分為7層，結(jié)合地質(zhì)資料分析得出結(jié)論：

第一層為種植土，土質(zhì)疏松，波速較低，第二層到第五層為黃土狀粉質(zhì)粘土，其中從第三層開(kāi)始由于含有不同比例的姜石成分導(dǎo)致剪切波速不同程度增加，第六層和第七層剪切波速較高判斷為硬塑狀態(tài)的黃土狀粉質(zhì)粘土。

施工時(shí)基礎(chǔ)開(kāi)挖實(shí)際地層情況與面波勘探推斷結(jié)果基本吻合，證明在該塔基勘察中應(yīng)用瞬態(tài)面波方法進(jìn)行勘探是可行的。

3 結(jié)論

此次在特高壓線路塔基勘測(cè)中應(yīng)用多道瞬態(tài)面波方法進(jìn)行輔助勘察取得了很好的效果，由此可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

⑴ 面波勘探用于劃分地層、確定覆蓋層厚度和基巖深度較常規(guī)勘探方式具有設(shè)備輕便、方法簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其在山區(qū)丘陵等地形復(fù)雜地區(qū)優(yōu)勢(shì)明顯。

⑵ 為了提高對(duì)面波資料的解釋精度，必須收集測(cè)區(qū)的地質(zhì)資料級(jí)鉆探資料，以充分了解測(cè)區(qū)的地層及目標(biāo)體的分布特征，減小或克服人為因素。

⑶ 由于面波勘探在工程地質(zhì)勘察中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在今后工作中，可以在鉆探和靜探等常規(guī)方法的基礎(chǔ)上配合面波勘探開(kāi)展工作，以提高工作效率，縮短工作周期，節(jié)省費(fèi)用。

⑷ 面波勘探的關(guān)鍵是如何獲得良好的面波記錄，以保證頻散曲線的正確性，要求通過(guò)試驗(yàn)正確選擇各種參數(shù)。

面波勘探作為一種新的淺層地球物理勘探方法，具有很多獨(dú)特的優(yōu)越性，但是對(duì)面波勘探理論的研究以及實(shí)際應(yīng)用等有待進(jìn)一步的深入和開(kāi)拓，使之在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)、完善和提高。

[1]楊成林.瑞雷波勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，1993.

[2]齊建國(guó).多道瞬態(tài)面波法在巖土工程勘察中的應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2004，(3).

[3]楚建偉.瞬態(tài)面波技術(shù)在沖洪積層勘察中的應(yīng)用[J].云南地質(zhì)， 2004，23(1).

[4]苗宇寬.瞬態(tài)瑞雷面波勘探技術(shù)在工程勘察評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].地質(zhì)找礦論叢，2006，21(增).