交河故城臺地土體結構面的面波探測方法初步研究

內容摘要：交河故城臺地邊緣向內20m的范圍內，結構面大量發育，嚴重切割臺地土體，已成為危害交河故城臺地穩定性的首要隱患。因此，掌握結構面在空間上的發育特征，成為研究臺地土體破壞機理和科學保護加固的關鍵；由于臺地土體屬于文物的范疇，結構面在空間的發育特征無法采取常規有損的探測手段，本文利用面波探測方法對結構面在空間上的發育特征進行了初步研究，試驗結果表明，多瞬道面波技術可以較為準確地判別出裂隙的長度、張開度和空間延展形態，從而為交河故城搶險加固工程提供了科學的依據。

關鍵詞：交河故城；結構面；面波探測；研究

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106(2007)05-0074-04

前言

交河故城為全國第一批重點文物保護單位，坐落在吐魯番西面大約10km處的雅爾乃孜溝旁，是古代西域“城郭諸國”之一的車師前國的都城。歷經2000多年戰火和自然作用的洗禮，故城已遭受了嚴重破壞，尤其是故城臺地土體在地質內外營力的共同作用下，已經處于極度危險的狀態。臺地邊緣結構面密布，卸荷裂隙和節理最為發育，大部分卸荷裂隙和節理共生發育，相互連通，切割臺地，形成巨大的不穩定體，目前已成為危害交河故城臺地穩定性的首要隱患。因此，如何正確評價臺地裂隙的空間分布特征，關系到臺地搶救加固工程的科學性和經濟性，但是由于臺地土體是文物這一特殊性，大型的破壞性鉆探和坑探工程不能運用，面波探測方法以其無損傷、高精度的特點成為研究的首選。

一 臺地土體結構面的平面發育特征

1.1 結構面平面分布特征

臺地上較為發育的結構面主要分布在臺地邊緣向內20m范圍內，平面分布不均勻。東北邊較西北邊發育、密集，對臺地土體的切割破壞嚴重。裂隙與臺地邊緣平行延伸并側切臺地，縱橫交錯將崖體切割為一面臨空，或后緣裂隙與側切裂隙貫通將崖體切割為板狀、柱狀、楔狀體等，構成有利的破壞邊界。后緣裂隙延伸長，最長可達50m，其中節理呈“之”字形延伸。卸荷裂隙的發育與臺地微地形地貌關系密切，臺地轉彎處裂隙明顯密集。

1.2 結構面類型及特征

臺地發育的結構面主要有節理、卸荷裂隙兩種類型，節理發育大致歸類為三組。卸荷裂隙一組發育(表1)。節理以走向25°和走向325°兩組最為發育；卸荷裂隙，北西走向，均值328°；兩種類型結構面的傾角均較為大，近于直立。

1.3 結構面規模

結構面規模主要指其長度或延續性、切穿性及裂隙深度。通過平面調查發現，卸荷裂隙長度呈正態分布，數量多，以1-3m和3-5m居多，各占總裂隙的30％以上，最長可達50m；其次為5m-10m，占總裂隙的22％；長度大于10m的占裂隙數的10％以上；小于1m者僅占1％。多數延伸長度大者為與崖體邊緣平行的卸荷裂隙，追蹤節理發育，兩組節理長度多在1-5m，側切崖體。

二 結構面立面特征調查中存在的問題

由于臺地發育的卸荷裂隙均以較大傾角向下發育且傾角出現小幅變化，張開度也隨著裂隙切割深度呈現一定梯度的遞減變化且臺地土體四面臨空，構成20-30m不等的高大陡直邊坡。因此，裂隙在臺地面的觀測深度非常有限，無法得出裂隙的具體立面延伸長度，進而裂隙在立面的張開度變化和充填狀況無法精確的測繪或計算得出。常規的探測手段如坑探、鉆探等雖能較為直觀的反映裂隙在空間的發育特征，但是對于臺地的破壞性是巨大而不可逆的，與文物保護的宗旨和精神背道而馳，因此，一種無損傷的高分辨率、高精度的探測和合理的探測方法成為解決問題的關鍵所在。

三 面波探測的基本原理

面波探測也稱彈性波頻率測深。瞬態面波技術是利用彈性面波中能量最強、振幅最大、頻率最低、易識別測量的瑞利波進行工作，具有儀器設備輕便，對探測場地條件要求低，探測速度快等優點。

面波是一種特殊的地震波。彈性波理論分析表明，在層狀介質中，瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，其能量主要集中在介質表面附近，能量的衰減與傳播距離與r成正比，要比體波(P波和s波)衰減慢得多。傳播過程中，介質的質點運動軌跡為長軸垂直于地面、逆時針方向旋轉的極化橢圓，并以高度約一個波長(λ_R)的圓柱體為波前向外擴散傳播。在瞬態激震下，地面產生的瑞雷波沿地面傳播，其穿透深度約為一個波長，同一波長的瑞雷波傳播特征反映了介質性質在水平方向的變化情況，而不同的波長則反映了不同深度的地下情況。由于面波的能量主要集中在半波長以內，因此，地面測得的瑞雷波速度Vr反映的主要是半波長深度范圍內介質的性質。

當用重錘激振地面時，利用不同頻率f的瑞雷面波，得到不同深度范圍波速Vr。繪出面波勘探點的Vr-H曲線(即頻散曲線)。由勘察原理可知，頻散曲線上Vr反映的是一定水平范圍及從零到半波長地層內的平均速度。然后通過Vr-H頻散曲線，反演解釋出不同巖土層的面波波速Vr。利用多個面波點排列，即可繪制面波波速等值線斷面圖，還可直接利用反演解釋結果繪制地層推斷解釋圖。

四 面波探測臺地土體結構面立面形態的初步試驗

在交河故城臺地結構面立面測試條件尚不具備的情況下，選取交河臺地附近同一時期2#臺地一處結構面發育處(圖1)，該結構面與交河故城臺地大多數卸荷裂隙發育機制相一致，具有典型的代表意義，按照實驗方案開展了面波裂隙測深的試驗工作，以蘇州一光OTS534全站儀與北京水利水電研究所的SWS-1型多功能綜合物探儀組成的聯合觀測系統進行數據采集工作(圖2)。

4.1 面波現場探測

為取得合適的道間距、偏移距、激震能量、采樣時間與間隔等采集參數，在實測工作之前，首先進行試驗，通過多種方案對比分析，確定了合理的采集參數，實測采用12道檢波器接收，并將檢波器對稱埋置在勘探點一側，震源點和檢波器沿垂直滑動方向在平坦的平臺排列，測線沿垂直方向布置，在排列單側激振。由于本次探測要求精度高，需要反映淺部詳細信息，選用28Hz、38Hz、100Hz的檢波器接收，采樣點數為2048個，以8磅和0.5重磅激振。為避免丟失面波某一頻段的信息，采用全通檔濾波方式，為增強激發信號，提高信噪比，采用5-10次疊加。

4.2 探測成果的整理、分析與解釋

探測點布置工作依據探測目的及有關規程規范，沿結構面立面延展方向布置面波測點2個、測點間距1m，經室內整理，匯總分析得到100Hz檢波器接收、0.5m道間距、1m偏移距2048采樣點為探測該裂隙的最佳方案。據此解譯采集波形，得到最優頻散曲線2組(圖3、4)，并經波速反演與正演，得到波速印象彩色圖(圖版17)和面波地質剖面各1個(圖5)。波速印象彩圖和面波解譯地質圖較為準確、直觀地反應了該處裂隙L1、L2的立面形態特征、張開度以及與表層土體之間的距離。

4.3 探測成果的校核

為了驗證面波探測裂隙形態的可行性與準確性，探測后對探測裂隙進行了現場開挖比較，對比結果(表2)顯示，面波對裂隙立面形態探測結果準確，與實際裂隙發育情況偏差極小，具有可信度與準確性。

五 結論

5.1 交河故城臺地土體結構面大量發育，對臺地土體的切割破壞嚴重，構成有利于臺地土體破壞的組合方式，已成為危害交河故城臺地穩定的首要隱患。

5.2 初步面波探測結果顯示，面波作為一種無損傷高精度探測手段完全滿足卸荷裂隙立面延展形態精確探測的研究目的，是臺地土體結構面空間發育特征研究的有效手段。

5.3 探測結果的正確性關鍵是研究者對于研究對象的理解程度以及合理的探測方案。

致謝：

本次研究工作得到了敦煌研究院張魯高級工程師的關心和支持，在這里對他表示由衷的謝意。

責任編輯：齊雙吉