淺層地震面波技術在公路邊坡地質評價中的應用

周孝宇

（廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司廣東廣州510507）

淺層地震面波技術在公路邊坡地質評價中的應用

周孝宇

（廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司廣東廣州510507）

本文結合高速公路地質勘察中的邊坡地質勘察評價的工程實踐，闡述了淺層地震瞬態面波法的原理及應用，說明該物探方法結合鉆探成果的綜合解譯，在對公路邊坡地質評價中的良好效果。對此類勘察任務有借鑒作用。

多道瞬態面波基階面波公路邊坡

在多山或丘陵地區,高邊坡是一種嚴重的不良地質因素,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行檢測與評價顯得十分必要。早期的高邊坡研究主要依賴于地質剖面與鉆探相結合的方法,與地質鉆孔不同，地球物理方法在研究高邊坡的工程地質條件和對高邊坡進行綜合評價等方面具有其獨特的優點，能提供傳統的工程地質學方法不能得到的許多有用信息。目前,地震瞬態面波法、地質雷達法、電阻率法、電磁法、磁法等都被用來對高邊坡體進行檢測或監測，其中地震瞬態面波法的應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，這個頻散特性可以反映地下構造的一些特性。

多道瞬態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波長范圍內，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情況。在地面通過錘擊、落重或炸藥震源，產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。

瞬態瑞雷波法是用錘擊或炸藥震源使地面產生一個包含所需頻率范圍的瞬態激勵。只要知道A、B兩測點間的距離△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的頻散曲線。

圖1　 RK90+130高邊坡工程物探成果圖及地質解釋圖

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

當我們已知頻率為f的瑞雷波速度VR后，它相應的波長λR為：λR=VR/f；根據彈性波理論，瑞雷波的能量主要集中在介質的自由表面附近，其深度差不多在一個波長深度范圍內。由半波長理論可知，所測量的瑞雷波平均速度VR可以認為是1/2波長深度處介質的平均彈性性質，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。因此兩個觀測點之間的距離△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。根據實際經驗，△取λR/3～2λR間較為合適。即在一個波長內采樣點數要小于在間距△間的采樣點數的三倍，和大于在△間的采樣點數的0.5倍。這個濾波準則對于不同的儀器分辨率和場地的實際情況要作適當的調整。

1.2適用條件

可以覆蓋大多數淺層地質領域，就工程勘察而言地質介質的地球物理性質差異是探測的前提條件，而且這種差異越大探測效果愈好。在高邊坡地質體中，覆蓋層與其下覆基巖存在明顯波速差異，構造帶及巖土體擾動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是否存在軟弱滑動面、擾動帶或坡體滑塌底界面等關鍵因素。

圖3　

圖2　

2　工程實例

2.1項目概況

廣梧高速公路河口至平臺段為廣梧二期高速公路，是國家重點公路網的組成部分，它串連了多條國家級及省級交通主干線，加強了廣東省與廣西、云南、貴州的運輸往來，對促進“泛珠江三角洲”經濟、社會發展具有重要意義。

本項目路線位于廣東省西部山地丘陵區，地形起伏大，地質情況復雜，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，高邊坡的地質穩定性評價與整個線路的安全設計、施工關系密切，且能夠為合理選擇處理方案提供可靠依據，具有重要經濟意義。

2.2外業工作布置

在高邊坡坡體范圍，結合實際場地條件，以能夠查清高邊坡在設計線上分布范圍內的地質情況為原則，一般在軸線及平行軸線方向布置3－5條測線，測點間距一般為10-20m。

為了滿足勘察技術要求，在正式開展物探工作時，根據場地的實際情況和勘探區的試驗結果，選擇觀測系統如下：24道接收，采樣間隔為0.25或0.5ms，采樣點數為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數據處理及成果解釋

2.3.1數據處理

（1）切除干擾波→拾取面波→譜分析→頻散曲線計算→正反演計算→計算機成圖；

（2）利用面波等速度剖面處理軟件，把多點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合鉆孔資料進行層位的劃分解釋，形成面波-地質剖面圖。

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高邊坡體頂底高差約30m，根據該測區鉆孔地質資料和物探資料分析，該高邊坡基巖主要為花崗巖，其風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化程度呈正比，由上而下波速變化較均勻，未發現水平向有一定連續性的低視波速異常帶（＜350m/s），反映該高邊坡巖土體穩定性較好，無不良地質構造層面。

2.3.2.2RK42+200高邊坡工程物探成果解釋

圖2高邊坡體頂底高差約58m，底部兩側相距約230m，坡體表面局部可見土體滑塌造成的裂縫。根據該測區完成的4個鉆孔地質資料和物探資料分析，該高邊坡巖土體已發生滑動，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），且異常帶連續性較好，垂直向分布較窄，該夾層一般為巖土體滑動或局部崩塌造成的低速擾動區，推測為地下擾動（滑動）層面，其中18-25m的低速帶在橫縱向連續性均較好,推測為主擾動面,之上的低速帶為次級擾動面。高邊坡開挖后巖土體穩定性被破壞，隨時間的增長，該低視波速異常帶（＜350m/s）極有可能引起進一步的滑坡或坡體局部坍塌。結合鉆探資料，從物探成果圖中我們也可看出，擾動層面主要出現在松散覆蓋層與全風化層分界面及基巖全風化與強風化層分界面處。

圖3高邊坡位于灰巖與砂巖、板巖接觸帶上，其地質情況較復雜，物探成果圖中存在較多處低視波速夾層或低視波速區域,且局部厚度較大，結合該測區完成的1個鉆探地質資料推測為低密度灰巖、板巖風化物或溶蝕塌陷等造成，巖土體中亦存在水平向連續性較好的低視波速異常帶（＜350m/s），推測為地下擾動（滑動）層面,建議設計施工時予以注意。

3　結論

由于鉆探為點探測方法，且其所取得的土芯已被擾動破壞，一般較難分辨出小范圍構造層面及還未引起明顯滑動的擾動層面，存在勘探范圍不足的缺點。工程實踐中，采用多道瞬態面波結合鉆孔地質資料所進行的綜合勘探方法，在對邊坡的穩定性評價方面能夠取得良好的效果，能夠使邊坡評價結果更加真實可靠，其優越性是顯而易見的。

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

[2]嚴壽民.瞬態瑞雷波勘探方法.物探與化探,1992.

[3]劉云禎，王振東.瞬態面波法的數據采集處理系統及其應用實例.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用現狀．工程物探1996.

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-272-1

周孝宇(1979～)，男，工程碩士學位，工程師，研究方向為高速公路地質勘察。