趙秀麗，丁曉峰，于帥兵，謝青保，閆博華，潘曉穎

(1.中化二建集團有限公司 山西華晉巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030021；2.山西省交通科學研究院，山西 太原 030006；3.長江科學院 水土保持研究所，湖北 武漢 430010)

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瞬態(tài)瑞雷波法在滑坡工程勘查中的應用

趙秀麗1，丁曉峰1，于帥兵1，謝青保1，閆博華2，潘曉穎3

(1.中化二建集團有限公司 山西華晉巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030021；2.山西省交通科學研究院，山西 太原 030006；3.長江科學院 水土保持研究所，湖北 武漢 430010)

在地形起伏較大，地質條件復雜、勘查現(xiàn)場干擾嚴重等的情況下，為了提高滑坡勘查的勘查精度和勘查工作效率，綜合采用瞬態(tài)瑞雷波與常規(guī)勘查方法，可以彌補單一常規(guī)勘查方法的精度及數據量不足的局限性。介紹了瞬態(tài)瑞雷波法的原理及實際操作中參數設置方法，結合山西省某滑坡勘查的工程實例，結果表明了瞬態(tài)瑞雷波法在滑坡勘查中勘查優(yōu)勢。

瞬態(tài)瑞雷波；滑坡勘查；地質條件復雜

1 引 言

在滑坡治理設計中，正確的治理方案源于對復雜地質體的充分調查與勘探，因此需要大量揭示地質體特征的數據[1]。在滑坡勘查中常出現(xiàn)地質條件較復雜、地面形態(tài)高差較大的情況，布置鉆孔等常規(guī)勘探方法由于機械搬運、工作面小等各種原因無法實現(xiàn)，因此在這種情況下僅采用常規(guī)勘探方法無法滿足滑坡治理設計的需要，亟需在滑坡工程勘查中引入新的勘探手段。

滑坡體中的滑動帶與周圍介質相比具有低剪切波速度的特征是利用瞬態(tài)瑞雷波進行滑坡勘查的前提條件。將瞬態(tài)瑞雷波引入滑坡工程勘探中，采用點、線、面三位一體的綜合勘探方案來補充常規(guī)勘查手段的局限性。運用綜合手段來揭示滑坡地質體的特征、提高工作效率和勘探精度，不僅滿足了設計對于滑坡勘查的技術要求，而且取得了很好的經濟效益。

2 原理及工作方法

2.1 瞬態(tài)瑞雷波勘查原理

與穩(wěn)態(tài)瑞雷波法相比，瞬態(tài)瑞雷波法有設備輕便、快速經濟、對淺部分辨率高等優(yōu)點[2]。瞬態(tài)瑞雷波法適用于復雜地形條件下工作，特別是對于淺部約30～50 m精細結構反映清晰；每一點的測量時間一般僅為幾十分鐘，在現(xiàn)場就能作實時處理，因而效率很高；地表正常激發(fā)瞬時聲幅小于60分貝，噪音低，對環(huán)境無污染，安全。

地表震源激發(fā)的縱波和橫波的相互干涉疊加，會形成一種能量很強(地震記錄中，面波的能量占2/3、體波的能量占1/3)、主要集中在地表附近的、沿自由表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，主要為瑞雷波與拉夫波[3]。這里主要談瑞雷波，它是一種質點在波的傳播方向垂直平面內振動，質點的振動軌跡為逆時針方向轉動的橢圓，且振幅隨深度呈指數函數急劇衰減的波，見圖1，橫坐標為波傳播方向上的距離L(m)，縱坐標為單位波長深度。

瑞雷面波沿界面?zhèn)鞑r，瑞雷波水平和垂直振幅的主要能量均集中在Z/λ<1的深度范圍內[4]，其穿透深度約為1個波長，通常認為其勘探深度約為半個波長。面波沿地表傳播的速度與波及深度范圍內地層的彈性參數有關，包括地層的承載力、彈性模量和剪切模量等。實踐證明橫波速度與巖土的力學性質相關最密切，如果測定了不同波長(頻率)的面波速度，將測量到的瑞雷波速度轉化為橫波速度，就可能推斷對應深度介質的物性參數[5]，該特性為利用面波進行淺層勘探定量解釋提供了依據。

圖1 面波質點振動軌跡隨深度變化圖Fig.1 Surface wave particle vibration locus varies with depth

1) 轉換剪切波[6]

(1)

式中：VR為面波速度(m/s)；VS為剪切波速度(m/s)；μ為泊松比

2) 通過VS可計算巖土的物理力學參數。

①轉換標貫參數采用日本土質學會統(tǒng)計的關系式[7]

(2)

式中：N63.5為標貫擊數(見表1)

表1 砂土和黏土標貫與橫波速度經驗值

②液化判別

(3)

式中：VBcri為液化臨界值；KV為系數，當抗震烈度為7、8、9時分別取145、160、175；其他符號同抗震規(guī)范。當實測VS

2.2 瞬態(tài)瑞雷波勘查

2.2.1 瞬態(tài)瑞雷波勘查方法

野外采集時主要通過在地面通過錘擊、落重或炸藥震源，產生一定頻率范圍的瑞雷面波，檢波器接收到信號后，通過電纜傳到儀器主機，在信號分析儀的屏幕上顯示出來，亦可以做實時的處理，將信號儲存在軟盤上(圖2)。這種排列叫做共炮點(CSP)的幾何排列。后期通過振幅譜分析和相位譜分析，把記錄中不同頻率的瑞雷面波分離開來，從而得到瑞雷面波的頻散曲線，頻散曲線的特征及其變化與地下地質條件(如地層的厚度、波速等)密切相關。在野外正式采集時，如果認為波形不合格，應重新采集。每次采集為減少干擾波影響、 提高信噪比，可在排列兩側進行多次采集，便于在后期數據處理過程中剔除環(huán)境影響。

圖2 瞬態(tài)瑞雷波法測試原理圖Fig.2 Transient Rayleigh wave test schematic

2.2.2 瞬態(tài)瑞雷波勘查參數設置

瞬態(tài)瑞雷波采集的波形的好壞直接影響到計算出的頻散曲線，進而決定著勘探的準確度。與反射法地震勘探方法相似，瞬態(tài)多道面波勘探也存在一個最佳窗口問題，因而在不同的地質環(huán)境及勘探深度下采用瞬態(tài)瑞雷波勘探時，采集參數的設置是整個項目的重點也是難點?？梢栽谡讲杉斑M行一次采集試驗工作，試驗工作主要根據基階瑞雷面波發(fā)育的強勢段確定以上參數。

1)選擇激發(fā)方式：根據勘探深度和分辨薄層的需要，確定最佳激振方式，大錘激發(fā)震源一般勘探深度為0～15 m；落重震源一般可實現(xiàn)勘探深度0～30 m；炸藥震源一般可實現(xiàn)勘探深度0～50 m[8]。在地形勘測時可以根據目標物的深度選擇合適的激振方式。

2)選擇偏移距：選擇偏移距實際就是選擇瑞雷面波的最佳接收地段，根據試驗剖面，應選取瑞雷面波和反射波已經分離的接收地段。在基、高階可能分離的情況下，選取基階面波明顯的接收地段?？梢酝ㄟ^采集前試驗工作確定最佳偏移距。

3)選擇排列長度及接收道數：瞬態(tài)面波排列的長度主要考慮探測工作要求達到的深度。一般情況下，探測深度在10 m左右時，可采用1～2 m道間距， 12～24個檢波器接收；探測深度在20～40 m內時可采用2 m道間距， 12～24個檢波器接收。探測深度大于40 m時， 2～5 m道間距，24個檢波器接收[9]。

4)選擇檢波器：一般土層，可采用4Hz或10Hz的低頻檢波器；在要求精度較高的淺部地層探測中，可采用頻率為28 Hz或38 Hz 的檢波器。

2.2.3 鉆探驗證

面波勘探時采用測量儀器對面波測試的位置進行定位，將定位數據展布到地形圖上，然后根據室內數據處理后的結果進行分析，在異常位置或者有疑問的地方布設鉆孔，進一步確認面波探測的成果。

3 應用實例

3.1 滑坡概況

山西省某滑坡為煤礦基建坡腳開挖后誘發(fā)滑坡，位于煤礦主副井所處的山坡上?；w寬度約70 m，滑坡后緣與坡腳天然高差約40 m。地貌單元為侵蝕性中的山區(qū)地貌，滑坡區(qū)位于復式向斜的西翼北段，巖層產狀N30°～40°E∠SE3°～6°，井田內地層產狀較平緩，傾角2°～7°。

根據鉆孔、探井揭露及原始地貌出露情況，地層主要由第四系中、上更新統(tǒng)的稍密的粉土、軟硬中等的粉質黏土，二疊系下統(tǒng)下石盒子組強風化泥巖、砂巖組成?；瑒用鏋閺婏L化泥巖與軟硬中等粉質黏土的界面，局部滲水對巖土體產生軟化作用，形成局部滯水，增加了滑體土自重，從而使滑坡土體在重力、局部滲水的共同作用下產生蠕滑。

滑坡體及其周圍植物繁茂且地形陡峻，鉆機等儀器較難到達，且甲方要求為免周圍村民阻攔，在滑坡后緣及滑坡體上不能用鉆機勘探。

3.2 工作布置方法

本次面波勘探共布置了6條瑞雷面波勘探線，其中2條垂直于滑坡走向，4條沿滑坡走向。采用SWS-6型面波儀進行探測，以單點激發(fā)“最佳窗口”24道接收施測方法采集數據。偏移距3～5 m，道間距0.5～1 m，采樣間隔0.25～0.5 ms，記錄長度1 024～2 048 ms。面波的激發(fā)采用28磅大錘激發(fā)。此外，為了更可靠地采集到面波，每一測點均重復激發(fā)3～5次，選面波能量強、干擾小、信噪比高的一炮記錄作為該測點的面波數據。

3.3 數據資料成果分析與效果評價

數據處理采用SWS型面波儀專用瞬態(tài)瑞雷波數據處理軟件系統(tǒng)進行，處理后頻散曲線及其特征反映了測點處面波速度隨深度的變化情況及地下地質條件。

圖3 頻散曲線與探井揭露地層對比圖Fig.3 Dispersion curve and exploratory well exposed stratigraphic correlation diagram

圖4 滑動帶面波測深映象圖Fig.4 Sliding surface wave sounding image map

圖3為面波勘探與探井所揭露地層的對比圖，橫坐標表示橫波速度Vx(m/s)和剖面線，縱坐標表示深度Z(m)，二者主要大層的分布規(guī)律和深度是相當吻合的。圖4為通過瞬態(tài)瑞雷波法勘探確定的滑動面的測深映像圖，橫坐標表示剖面長度L(m)，縱坐標表示映象視深度Za(m)，與探井揭露的滑動面深度及位置吻合性較好，滿足了滑坡勘查設計的要求[10]。

4 結 語

通過實踐操作中勘探資料與瞬態(tài)瑞雷波資料的相互驗證表明：采用瞬態(tài)面波法在滑坡地質勘探中，可以克服地形起伏較大，地質條件復雜、施工干擾嚴重等的情況，達到查明滑坡帶的分布范圍、滑體厚度及滑床形態(tài)及滑體物性的探測目的，探測效果好，技術先進、性能可靠、精度高、效率高、成本低。該探測方法技術值得推廣、重視。

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The Application of Transient State Rayleigh Wave Exploration Technique to Landslide Exploration

Zhao Xiuli1，Ding Xiaofeng1，Yu Shuaibing1，Xie Qingbao1，Yan Bohua2，Pan Xiaoying3

(1.ShanxiHuajinGeotechnicalEngineeringCo.,LTD,ChinaChemicalEngineeringSecondConstructionCorporation,TaiyuanShanxi030021,China;2.ShanxiTransportationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030006,China;3.SoilandWaterConservationDepartment,YangtzeRiverScientificResearchInstitute,WuhanHubei430010,China)

Under the conditions of undulating terrain, complex geology, serious interference of the exploration, to improve the efficiency and precision of landslide exploration, transient Rayleigh wave and conventional exploration methods can be comprehensively used to make up for the limitations of each single one. The principle and parameters setting technique in practice are described in this paper. According to the application effects of the landslide exploration in Shanxi, the result proves the advantages of transient Rayleigh wave exploration method in landslide exploration.

transient Rayleigh wave; landslide exploration; complex geology

1672—7940(2016)02—0227—04

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.016

趙秀麗(1986-)，女，助理工程師，主要從事工程物探方面的工作。E-mail:zxl07002893@163.com

P631.4

A

2015-08-28