周孝宇

（廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司廣東廣州510507）

淺層地震面波技術(shù)在公路邊坡地質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用

周孝宇

（廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司廣東廣州510507）

本文結(jié)合高速公路地質(zhì)勘察中的邊坡地質(zhì)勘察評價(jià)的工程實(shí)踐，闡述了淺層地震瞬態(tài)面波法的原理及應(yīng)用，說明該物探方法結(jié)合鉆探成果的綜合解譯，在對公路邊坡地質(zhì)評價(jià)中的良好效果。對此類勘察任務(wù)有借鑒作用。

多道瞬態(tài)面波基階面波公路邊坡

在多山或丘陵地區(qū),高邊坡是一種嚴(yán)重的不良地質(zhì)因素,它直接或間接地威脅著鐵路、公路、大壩、水庫等的安全。因此，研究有效的方法對高邊坡體進(jìn)行檢測與評價(jià)顯得十分必要。早期的高邊坡研究主要依賴于地質(zhì)剖面與鉆探相結(jié)合的方法,與地質(zhì)鉆孔不同，地球物理方法在研究高邊坡的工程地質(zhì)條件和對高邊坡進(jìn)行綜合評價(jià)等方面具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能提供傳統(tǒng)的工程地質(zhì)學(xué)方法不能得到的許多有用信息。目前,地震瞬態(tài)面波法、地質(zhì)雷達(dá)法、電阻率法、電磁法、磁法等都被用來對高邊坡體進(jìn)行檢測或監(jiān)測，其中地震瞬態(tài)面波法的應(yīng)用取得了較好的效果。

1　工作原理及適用條件

1.1工作原理

面波，顧名思義即沿地面表層傳播的彈性應(yīng)力波，因而也叫地滾波(R)，眾所周知，面波具有頻散的特性，即其傳播的相速度隨頻率的改變而改變，這個(gè)頻散特性可以反映地下構(gòu)造的一些特性。

多道瞬態(tài)面波法是利用瑞利面波在地下地層傳播過程中，其振幅隨深度衰減，能量基本限制在一個(gè)波長范圍內(nèi)，某一面波波長的一半即為地層深度(半波長解釋法)。即同一波長的面波的傳播特性反映地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長的面波的傳播特性反映不同深度的地質(zhì)情況。在地面通過錘擊、落重或炸藥震源，產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞利面波，再通過振幅譜分析和相位譜分析，把記錄中不同頻率的瑞利波分離開來，從而得到VR-f曲線或VR-λ曲線，通過解釋處理，可獲得地層深度與面波速度的分布。

瞬態(tài)瑞雷波法是用錘擊或炸藥震源使地面產(chǎn)生一個(gè)包含所需頻率范圍的瞬態(tài)激勵(lì)。只要知道A、B兩測點(diǎn)間的距離△和每一頻率的相位差φ，就可以求出每一頻率的相速度VR(ω)，從而可以得到勘探地點(diǎn)的頻散曲線。

圖1　 RK90+130高邊坡工程物探成果圖及地質(zhì)解釋圖

為此，我們需要對A、B兩觀測點(diǎn)的記錄作相干函數(shù)和互功率譜的分析。作相干函數(shù)的目的是對記錄信號的各個(gè)頻率成份的質(zhì)量做出估計(jì)，并判斷噪聲干擾對有效信號的影響程度。根據(jù)野外現(xiàn)場的實(shí)際情況，我們可以確定一個(gè)系數(shù)（在0—1.0之間）。當(dāng)相干函數(shù)大于這個(gè)系數(shù)，我們就認(rèn)為這個(gè)頻率成份有效。反之，我們就認(rèn)為這個(gè)頻率成份無效。作互譜的目的是利用互譜的相位特性來求出這兩個(gè)觀測點(diǎn)在各個(gè)不同頻率時(shí)的相位差，再求出瑞雷波的速度VR。

當(dāng)我們已知頻率為f的瑞雷波速度VR后，它相應(yīng)的波長λR為：λR=VR/f；根據(jù)彈性波理論，瑞雷波的能量主要集中在介質(zhì)的自由表面附近，其深度差不多在一個(gè)波長深度范圍內(nèi)。由半波長理論可知，所測量的瑞雷波平均速度VR可以認(rèn)為是1/2波長深度處介質(zhì)的平均彈性性質(zhì)，即勘探深度H是

由（1）式可知，頻率越高，波長λR越短，勘探深度越小，反之，頻率越低，波長λR越長，勘探深度越大。因此兩個(gè)觀測點(diǎn)之間的距離△也要隨著波長的改變而改變。對于勘探深度較深的低頻而言，△要變大，才能測到較為正確的相位。對于勘探較淺的高頻來說，△要變小。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，△取λR/3～2λR間較為合適。即在一個(gè)波長內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)要小于在間距△間的采樣點(diǎn)數(shù)的三倍，和大于在△間的采樣點(diǎn)數(shù)的0.5倍。這個(gè)濾波準(zhǔn)則對于不同的儀器分辨率和場地的實(shí)際情況要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

1.2適用條件

可以覆蓋大多數(shù)淺層地質(zhì)領(lǐng)域，就工程勘察而言地質(zhì)介質(zhì)的地球物理性質(zhì)差異是探測的前提條件，而且這種差異越大探測效果愈好。在高邊坡地質(zhì)體中，覆蓋層與其下覆基巖存在明顯波速差異，構(gòu)造帶及巖土體擾動(dòng)層面其與周圍地層也有明顯的波速或波阻抗差異，從而滿足了地震勘探要求，使探測工作可以得到較好成果。

通過物探-鉆探綜合解譯，能夠較全面的了解：邊坡巖土體整體分布以及巖土體內(nèi)是否存在軟弱滑動(dòng)面、擾動(dòng)帶或坡體滑塌底界面等關(guān)鍵因素。

圖3　

圖2　

2　工程實(shí)例

2.1項(xiàng)目概況

廣梧高速公路河口至平臺(tái)段為廣梧二期高速公路，是國家重點(diǎn)公路網(wǎng)的組成部分，它串連了多條國家級及省級交通主干線，加強(qiáng)了廣東省與廣西、云南、貴州的運(yùn)輸往來，對促進(jìn)“泛珠江三角洲”經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展具有重要意義。

本項(xiàng)目路線位于廣東省西部山地丘陵區(qū)，地形起伏大，地質(zhì)情況復(fù)雜，沿線高邊坡分布較多，且開挖范圍大，因此，對高邊坡的勘察帶來一定難度，高邊坡的地質(zhì)穩(wěn)定性評價(jià)與整個(gè)線路的安全設(shè)計(jì)、施工關(guān)系密切，且能夠?yàn)楹侠磉x擇處理方案提供可靠依據(jù)，具有重要經(jīng)濟(jì)意義。

2.2外業(yè)工作布置

在高邊坡坡體范圍，結(jié)合實(shí)際場地條件，以能夠查清高邊坡在設(shè)計(jì)線上分布范圍內(nèi)的地質(zhì)情況為原則，一般在軸線及平行軸線方向布置3－5條測線，測點(diǎn)間距一般為10-20m。

為了滿足勘察技術(shù)要求，在正式開展物探工作時(shí)，根據(jù)場地的實(shí)際情況和勘探區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果，選擇觀測系統(tǒng)如下：24道接收，采樣間隔為0.25或0.5ms，采樣點(diǎn)數(shù)為1024，道間距為1m或2m，偏移距為5m或10m，檢波器的固有頻率為4Hz。

2.3數(shù)據(jù)處理及成果解釋

2.3.1數(shù)據(jù)處理

（1）切除干擾波→拾取面波→譜分析→頻散曲線計(jì)算→正反演計(jì)算→計(jì)算機(jī)成圖；

（2）利用面波等速度剖面處理軟件，把多點(diǎn)面波頻散曲線連成剖面壓密成圖，形成彩色剖面，彩色剖面圖上反映擬層速度影像；

（3）對面波等速度剖面圖并結(jié)合鉆孔資料進(jìn)行層位的劃分解釋，形成面波-地質(zhì)剖面圖。

2.3.2成果解釋

2.3.2.1RK90+130高邊坡工程物探成果解釋

圖1高邊坡體頂?shù)赘卟罴s30m，根據(jù)該測區(qū)鉆孔地質(zhì)資料和物探資料分析，該高邊坡基巖主要為花崗巖，其風(fēng)化層密度變化較均勻，坡體表面僅局部存在小范圍坍塌，物探成果顯示，該高邊坡巖土體波速基本與巖層深度及風(fēng)化程度呈正比，由上而下波速變化較均勻，未發(fā)現(xiàn)水平向有一定連續(xù)性的低視波速異常帶（＜350m/s），反映該高邊坡巖土體穩(wěn)定性較好，無不良地質(zhì)構(gòu)造層面。

2.3.2.2RK42+200高邊坡工程物探成果解釋

圖2高邊坡體頂?shù)赘卟罴s58m，底部兩側(cè)相距約230m，坡體表面局部可見土體滑塌造成的裂縫。根據(jù)該測區(qū)完成的4個(gè)鉆孔地質(zhì)資料和物探資料分析，該高邊坡巖土體已發(fā)生滑動(dòng)，在埋深5－10m及18－25m處，地層存在水平向低視波速異常帶（＜350m/s），且異常帶連續(xù)性較好，垂直向分布較窄，該夾層一般為巖土體滑動(dòng)或局部崩塌造成的低速擾動(dòng)區(qū)，推測為地下擾動(dòng)（滑動(dòng)）層面，其中18-25m的低速帶在橫縱向連續(xù)性均較好,推測為主擾動(dòng)面,之上的低速帶為次級擾動(dòng)面。高邊坡開挖后巖土體穩(wěn)定性被破壞，隨時(shí)間的增長，該低視波速異常帶（＜350m/s）極有可能引起進(jìn)一步的滑坡或坡體局部坍塌。結(jié)合鉆探資料，從物探成果圖中我們也可看出，擾動(dòng)層面主要出現(xiàn)在松散覆蓋層與全風(fēng)化層分界面及基巖全風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化層分界面處。

圖3高邊坡位于灰?guī)r與砂巖、板巖接觸帶上，其地質(zhì)情況較復(fù)雜，物探成果圖中存在較多處低視波速夾層或低視波速區(qū)域,且局部厚度較大，結(jié)合該測區(qū)完成的1個(gè)鉆探地質(zhì)資料推測為低密度灰?guī)r、板巖風(fēng)化物或溶蝕塌陷等造成，巖土體中亦存在水平向連續(xù)性較好的低視波速異常帶（＜350m/s），推測為地下擾動(dòng)（滑動(dòng)）層面,建議設(shè)計(jì)施工時(shí)予以注意。

3　結(jié)論

由于鉆探為點(diǎn)探測方法，且其所取得的土芯已被擾動(dòng)破壞，一般較難分辨出小范圍構(gòu)造層面及還未引起明顯滑動(dòng)的擾動(dòng)層面，存在勘探范圍不足的缺點(diǎn)。工程實(shí)踐中，采用多道瞬態(tài)面波結(jié)合鉆孔地質(zhì)資料所進(jìn)行的綜合勘探方法，在對邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)方面能夠取得良好的效果，能夠使邊坡評價(jià)結(jié)果更加真實(shí)可靠，其優(yōu)越性是顯而易見的。

[1]楊成林，宣紫燕，張家奇等編著.瑞雷波勘探.北京：地質(zhì)出版社，1993.

[2]嚴(yán)壽民.瞬態(tài)瑞雷波勘探方法.物探與化探,1992.

[3]劉云禎，王振東.瞬態(tài)面波法的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及其應(yīng)用實(shí)例.物探與化探1996.

[4]吳小平，趙鴻儒.我國工程多波地震勘探研究與應(yīng)用現(xiàn)狀．工程物探1996.

F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-272-1

周孝宇(1979～)，男，工程碩士學(xué)位，工程師，研究方向?yàn)楦咚俟返刭|(zhì)勘察。