聶洋波 ，褚高強(qiáng) ，孫 榮 ，余 斐

0 前言

從上世紀(jì)八十年代初，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行瑞雷面波在勘察中的應(yīng)用實(shí)踐。瑞雷面波技術(shù)的應(yīng)用及研究發(fā)展到今天，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水利、道路、市政、建筑、礦山等各個(gè)相關(guān)工程領(lǐng)域，取得了一系列的測(cè)試和研究成果。瑞雷面波測(cè)試可進(jìn)行地質(zhì)勘察、空洞探測(cè)、強(qiáng)夯檢測(cè)、液化判別、壓實(shí)度檢測(cè)等。國(guó)產(chǎn)面波儀也已經(jīng)從多道瞬態(tài)面波儀發(fā)展到天然源面波儀，采集道數(shù)從24道發(fā)展到48道，勘探深度從三十米左右發(fā)展到上百米。有關(guān)瑞雷面波的規(guī)程也從04版更新到17版。但工程勘察人員對(duì)面波的使用基本原理的了解比較缺乏。有關(guān)面波的數(shù)值模擬也在不斷發(fā)展，2007年周紅和陳曉非利用局域離散波法進(jìn)行局部凹陷地形的瑞雷波傳播特性的研究，研究其能量和頻散等隨地形變化的反應(yīng)規(guī)律，并得出地形越陡峭，面波衰減越快的成果[1]。2015年江峰進(jìn)行噪聲源瑞利面波波場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，得出噪聲源對(duì)矩形異常體的分辨能力較好，可以判斷異常體的中心位置等結(jié)論[2]。本文通過(guò)面波原理的學(xué)習(xí)，建立不同地質(zhì)模型，利用Fortran語(yǔ)言進(jìn)行計(jì)算和反演，驗(yàn)證半倍波長(zhǎng)法勘察的可行性。通過(guò)面波測(cè)試在塔基和河道中的應(yīng)用，表明面波測(cè)試是一種可行的物探方法。

1 瑞雷波的基本原理

瑞雷波已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，為了更好的對(duì)其加以研究和應(yīng)用，首先要深入研究其基本原理和勘察測(cè)試的基礎(chǔ)[3-4]。瑞雷面波只存在于自由表面附近而且其傳播主要為沿表面?zhèn)鞑ィ鹄酌娌ㄔ诮橘|(zhì)中的傳播規(guī)律和特征。它的傳播特征是沿表面?zhèn)鞑?，振幅沿深度方向快速減少的一種地震波，其位移函數(shù)可以表達(dá)成：

式中，VR為面波波速。上述公式表明了面波振動(dòng)隨深度而變小的規(guī)律。

瑞雷面波具有頻散特性，這也是其應(yīng)用于勘探的基礎(chǔ)，在同種介質(zhì)中，瑞雷面波沒(méi)有頻散特性，當(dāng)介質(zhì)變化時(shí)會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為速度隨頻率的變化而改變。在工程實(shí)際勘探中，常表示為速度與深度之間的相關(guān)曲線，又稱頻散曲線，深度與波長(zhǎng)之間具有下述關(guān)系：

式中：μ為瑞雷面波的波速；f為與瑞雷面波μ相關(guān)的頻率；z為與瑞雷面波μ及其相關(guān)頻率f有關(guān)的地層深度；β為0.5左右的的一個(gè)參數(shù)，與勘探深度以及各異的地質(zhì)條件有關(guān)。

2 瑞雷波速模型的建立

通過(guò)改變不同地質(zhì)參數(shù)，如縱波波速、橫波波速、層厚，密度等，可以建立波速模型，進(jìn)行頻散特性的研究[5]。本文主要是進(jìn)行了改變層厚和橫波波速的模型研究。模型1為改變第1層層厚H的頻散曲線模型；模型2為改變第一層橫波速度的頻散曲線模型,具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各種參數(shù)下的兩層介質(zhì)模型

3 計(jì)算結(jié)果

模型1:圖1是兩層地質(zhì)模型改變第一層厚度（H1）的面波頻散模擬。圖1（a）表明，瑞雷波速度Vr隨頻率的增加逐漸減小。在低頻段內(nèi)（1～20 Hz），Vr下降的很快,從 225 m/s下降到90 m/s，而從 20～150 Hz，波速只變化了 10 m/s,在高頻時(shí) Vr表現(xiàn)為接近水平的直線。當(dāng)改變第一層地層厚度（H1）時(shí)，隨H1增大，頻散曲線快速向低頻方向移動(dòng)，移動(dòng)的速度逐漸變慢，當(dāng)Vr等于 125 m/s，H1等于 1 至 10 m,頻率為 50、25、13、10、8、7、6、5 Hz，隨著H1增加，移動(dòng)速度快速變慢。在高頻時(shí)，頻散曲線中Vr都接近水平直線。圖1（b）表明，從Vr-λ曲線可以區(qū)分出厚度的變化。當(dāng)H1增加時(shí)，頻散曲線向波長(zhǎng)增加的方向移動(dòng)，因此常用半倍波長(zhǎng)法解釋地層?？梢詤^(qū)分不同厚度模型的正演厚度，在低λ時(shí)，波速趨近第一層地層的瑞雷波速度（Vr1），在高λ時(shí)，波速趨近第二層地層的瑞雷波速度（Vr2），當(dāng)?shù)貙覸r變化時(shí)，會(huì)在頻散曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn)，可以根據(jù)曲線斜率的變化，作為劃分地層的參考。

圖1 模型1不同H1時(shí)的頻散曲線

模型2:圖2是對(duì)兩層地質(zhì)模型改變第一層橫波速度（Vs）的面波頻散曲線模擬。圖2（a）表明，瑞雷波速度Vr隨頻率的增加而逐漸減小，在低頻段內(nèi)（1～30 Hz），Vr下降的很快,從235 m/s下降到124 m/s，而高頻時(shí)Vr表現(xiàn)為接近水平的直線。當(dāng)Vs1增大時(shí)，頻散曲線向高頻方向移動(dòng)，移動(dòng)速度相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)趨近高頻時(shí)，Vr仍趨近于直線。隨著Vs1進(jìn)一步增大，Vr1也相應(yīng)增大，在20 Hz處，Vs1等于100 m/s的地層比Vs1等于80 m/s地層的Vr1增加了20 m/s。由此可見(jiàn)，地層橫波速度是影響Vr的重要因素。圖2（b）為Vr-λ頻散曲線，從圖上根據(jù)拐點(diǎn)變化同樣可以進(jìn)行地層劃分。在低λ時(shí)，Vr趨近于第一層介質(zhì)的Vr，在高λ時(shí)，Vr趨近于第2層介質(zhì)的Vr。當(dāng)?shù)貙覸r變化時(shí)，會(huì)在頻散曲線會(huì)發(fā)生拐點(diǎn),對(duì)應(yīng)不同的地層厚度。

圖2 模型2數(shù)值模擬圖

4 工程實(shí)例

4.1 閩北國(guó)家電網(wǎng)塔基邊坡面波測(cè)試

4.1.1 工區(qū)概況

國(guó)家電網(wǎng)閩北段500 kV高壓線主要位于三明市和南平市山區(qū)，本次在沙縣、三明北、青州鎮(zhèn)、尤溪、延平等地進(jìn)行了部分塔基的面波測(cè)試。測(cè)區(qū)內(nèi)地表層分布較厚的殘積土覆蓋層，局部巖基出露。整個(gè)測(cè)區(qū)山坡陡峭，地形起伏大，多處于30°～60°之間。

測(cè)試目的：用瑞雷面波法對(duì)500 kV高壓線塔基邊坡工程場(chǎng)地進(jìn)行了檢測(cè)，在6個(gè)塔基附近共布置15個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行瑞雷面波測(cè)試。通過(guò)面波資料處理出的巖土層的瑞雷波速度，結(jié)合時(shí)域地震記錄的分析，并綜合踏勘資料，預(yù)測(cè)了該邊坡工程場(chǎng)地地層的厚度劃分，為邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)及施工提供參考依據(jù)。

4.1.2 典型測(cè)線物探解釋

對(duì)本測(cè)區(qū)各巖土層與面波速度對(duì)應(yīng)關(guān)系總結(jié)如下：

①殘積土面波速度Vr≤250 m/s；②全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖面波速度Vr=240～330 m/s；③強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖面波速度Vr=330～480 m/s；④中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖面波速度Vr=480～1400 m/s。179#塔基解釋：該塔基經(jīng)過(guò)面波點(diǎn)ZS11、ZS12和ZS13。其中，表層殘積土厚度為5.5～6.1 m，面波波速小于240 m/s；殘積土厚度變化較大為5.7～11.9 m。下部全風(fēng)化砂巖面波速度為240 m/s～330 m/s，厚度為3.8～8.1 m。下伏地層強(qiáng)風(fēng)化砂巖面波速度大于480 m/s。通過(guò)面波測(cè)試，較好的劃分了塔基的地層，克服了山區(qū)地形陡峭不便進(jìn)行勘察的困難，為塔基邊坡設(shè)計(jì)提供了波速、地層厚度等參數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，面波測(cè)試技術(shù)可以較好的應(yīng)用電力行業(yè)塔基勘察，通過(guò)波速劃分地層厚度，提供邊坡設(shè)計(jì)的波速及地層劃分等參數(shù)。

4.2 浙西江山港河道面波測(cè)試

4.2.1 工區(qū)概況

江山港位于浙西江山市，為錢塘江上游衢江右岸第一條支流。工程區(qū)地貌類型屬浙西侵蝕低山丘陵區(qū)，四面環(huán)山，居中是河谷，為典型的山間溝谷地貌。江山港干流及支流多位于江山港沿線山間構(gòu)造盆地內(nèi)，屬山間河谷沖積平原，河谷平坦開(kāi)闊，河床兩岸漫灘、階地發(fā)育，河床多出露砂卵石層或巖基。為設(shè)計(jì)最美河流江山港做好地質(zhì)，進(jìn)行了面波測(cè)試，獲得不同巖土層的剪切波速及場(chǎng)地類別。

4.2.2 典型面波物探解釋

面波測(cè)試點(diǎn)主要分布在江山港干流賀村段、橫渡溪、長(zhǎng)臺(tái)溪。本次試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置采用偏移距8 m，道間距1 m，采樣間隔0.5 ms，每道采樣1024，采用6至24道檢波器進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)面波測(cè)試進(jìn)行剪切波速的換算，得出①1層填土剪切波速Vs=132～270 m/s，④2層砂卵石層 Vs=373～637 m/s；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖Vs=251～441 m/s；弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖Vs=419～661 m/s。t通過(guò)層厚及剪切波速，判斷出場(chǎng)地多屬Ⅱ類場(chǎng)地?，F(xiàn)場(chǎng)在面波測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，鉆探表明面波分層效果較好。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究表明，面波測(cè)試技術(shù)可以較好的應(yīng)用水利工程的河道勘察，通過(guò)波速測(cè)試和剪切波換算，可以劃分場(chǎng)地類別，判斷場(chǎng)地類別。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)不同地質(zhì)模型的建立，不同地質(zhì)參數(shù)，會(huì)引起面波的頻散現(xiàn)象，利用半倍波長(zhǎng)法理論，為地質(zhì)分層提供依據(jù)；

（2）瑞雷面波能夠較好的勘察出地層波速變化情況和差異，為勘察提供面波波速、剪切波速、巖土厚度、場(chǎng)地類別等參數(shù)；

（3）單一物探方法具有多解性，成果具有一定局限性，需要結(jié)合鉆探或電法、磁法等方法進(jìn)行綜合對(duì)比。

（4）有必要開(kāi)展多層巖土介質(zhì)，地形起伏等復(fù)雜條件下的瑞雷頻散特性研究。

[1]周紅，陳曉非．凹陷地形對(duì)Rayleigh面波傳播影響的研究．地球物理學(xué)報(bào)，2007，50（4）：1182-1189．

[2]噪聲源瑞麗面波場(chǎng)的數(shù)值模擬研究.江峰.西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文.2015.

[3]楊成林.瑞雷波勘探[M].北京：地質(zhì)出版社出版，1993.

[4]劉占興.τ-p變換在淺層地震勘探的高、基階面波分離方法研究.桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2012.

[5]沈鴻雁，李慶春，嚴(yán)月英，陳晨，張保衛(wèi).多道瞬態(tài)面波相速度分析.石油物探.2016,(55）；692-702.