鄒時(shí)貴

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

舊城改造工程會(huì)遇到許多問(wèn)題，特別是道路施工和地鐵建設(shè)時(shí)遇到地下的問(wèn)題。主要是這些施工都要對(duì)路基和城市地下進(jìn)行開(kāi)挖，這就會(huì)涉及到以前的管線(xiàn)，如果不提前探清情況就會(huì)造成損失甚至威脅到廣大市民[1]。例如2013年11月22日發(fā)生的青島黃島輸油管爆炸事件，就是管路設(shè)計(jì)不合理和沒(méi)有探清情況貿(mào)然施工引起的事故。

城市地下管路系統(tǒng)當(dāng)中最重要的就是排水、供氣、輸油管路，排水管路系統(tǒng)四通八達(dá)并且十分復(fù)雜交錯(cuò)，因此需要用物探方法對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。本文將瑞利面波法應(yīng)用在城市排水管道探測(cè)。

1 瑞利面波法

1.1 瑞利面波基礎(chǔ)理論

瑞利面波是1887年英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家瑞利(Rayleigh)發(fā)現(xiàn)的，瑞利面波是一種沿自由表面?zhèn)鞑サ牟?，它是由體波(縱波和橫波)在地表衍生成的一種次生波，瑞利面波具有能量強(qiáng)、衰減慢、頻散等特性。利用這些瑞利面波的特性興起了近地表層巖石物理性的瑞利面波勘探[2-3]。

瑞利面波的速度略小于S波，約為0.919倍S波波速。此外，瑞利面波的傳播具有以下三個(gè)重要特點(diǎn)(圖1)[4]。

(1)瑞利面波在傳播中具有橢圓極化特性。

(2)瑞利面波在遠(yuǎn)離界面方向指數(shù)衰減，而在自由表面衰減較慢。

(3)瑞利面波在非均勻介質(zhì)中的速度頻散特性。

圖1 瑞利面波的傳播

1.2 瑞利面波的速度頻散

面波是具有不同相速度(V)的各種子波疊加而成的波，疊加成的能量團(tuán)具有一個(gè)群速度(U)。

式中:dV/dλ≠0時(shí)，即U不等于V，也就是面波的群速度與相速度不相等。不同單頻波不能以相同速度向前傳播，也就是我們所說(shuō)的頻散[3]。

波速對(duì)頻率的依賴(lài)關(guān)系是瑞利面波的頻散特征，不同頻率的波動(dòng)在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)表現(xiàn)出不同的速度[5]。這一特性我們就可以利用瑞利面波進(jìn)行近地表的勘探，這是瑞利面波勘探的方法之一。

1.3 主動(dòng)源瑞利面波法

主動(dòng)源瑞利面波法是人為激發(fā)的震源，在激發(fā)前已知主動(dòng)震源的參數(shù)信息及激發(fā)方位，常用的主動(dòng)源有大錘敲擊及炸藥爆炸。1999年，Park,C.B和Xia,J等人提出多道面波分析方法(MASW)[6]以估算地層的橫波速度，MASW方法被廣泛應(yīng)用于主動(dòng)源瑞利面波法中，能有效判斷淺層異常體，繪制淺部地層速度結(jié)構(gòu)。主動(dòng)源瑞利面波法的簡(jiǎn)要步驟是：安裝采集系統(tǒng)，激發(fā)震源，接收信號(hào)并前處理，處理分析主動(dòng)震源信號(hào)，提取頻散曲線(xiàn)，繪制速度剖面(圖2)[4]。

圖2 主動(dòng)源瑞利面波采集系統(tǒng)

1.4 勘探實(shí)例

護(hù)城河的堤壩一般都有排水管道，將以主動(dòng)源瑞利面波勘探的的方法去探測(cè)管道的埋深，然后通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的方式驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果。測(cè)線(xiàn)布置如圖3所示，以第一個(gè)炮點(diǎn)的第一個(gè)檢波器作為坐標(biāo)原點(diǎn)，道間距為1 m，則第一炮的炮點(diǎn)分別為-2和-1。拾取地震信號(hào)時(shí)偏移距分別取2和1各做一次之后，測(cè)線(xiàn)整體往前移動(dòng)1 m，直到得到我們想要的剖面為止，每次需記錄好數(shù)據(jù)，方便以后查看以及驗(yàn)證。

圖3 測(cè)線(xiàn)布置

拾取地震信號(hào)之后需要對(duì)其進(jìn)行處理，包括前期的地震道排列進(jìn)行編輯，將所在的坐標(biāo)信息輸入，如果需要還需要進(jìn)行濾波處理，主要應(yīng)用的是F-K域?yàn)V波提高信噪比。以上的步驟完成之后就是頻散曲線(xiàn)的拾取，然后集成之后成彩色剖面圖(圖4～圖9)。

圖4 偏移距為1時(shí)的頻散曲線(xiàn)集合

圖5 偏移距為1時(shí)的頻散曲線(xiàn)分布

圖6 偏移距為1時(shí)的地層剖面

圖7 偏移距為2時(shí)的頻散曲線(xiàn)集合

2 結(jié)論

(1)從探測(cè)的結(jié)果來(lái)看地層的瑞利面波速度集中在200 m/s左右，排水管道的橫坐標(biāo)在12～13 m，深度在3～3.4 m，實(shí)際驗(yàn)證的結(jié)果來(lái)看排水管道的位置和探測(cè)的結(jié)果比較符合。所以瑞利面波法在淺層的探測(cè)當(dāng)中還是相當(dāng)可靠的，可以利用在城市管道探測(cè)中來(lái)。

圖8 偏移距為2時(shí)的頻散曲線(xiàn)分布

圖9 偏移距為2時(shí)的地層剖面

(2)從偏移距為1和2的地層剖面圖可以看到不同的偏移距會(huì)影響探測(cè)結(jié)果，這個(gè)影響主要是在橫向分辨率上，這是不同的偏移距所決定的探測(cè)中心決定的。因此在城市管道探測(cè)中由于管道都不是很大，建議用比較小的偏移距效果會(huì)比較好。