多道瞬態面波技術在水利及巖土工程勘察中的應用

■馬祥配

（山東省第八地質礦產勘查院　山東　日照　276826）

多道瞬態面波技術在水利及巖土工程勘察中的應用

■馬祥配

（山東省第八地質礦產勘查院山東日照276826）

本文介紹了面波的主要特性和勘探原理,以及資料整理解釋方法,最后列舉南水北調工程和幾個地基勘察工程實例進行了分析。

面波勘探彈性波頻散曲線

多道瞬態面波法(以下簡稱面波法)是中國首創的新興的巖土勘擦測試技術,利用頻散特性和傳播速度與巖土物理力學性質的相關性可以解決諸多工程地質問題。在自然地震中,面波是一種對建筑物危害極大的地震波,在人工地震勘探中,面波在地震記錄中呈掃帚狀分布,是一種很強的干擾波,所以早期對面波的研究。近幾年,隨著計算機的發展和對面波研究的不斷深入,利用面波進行勘探得到廣泛的應用。

1　面波的主要特性和勘探原理

其具有以下幾種主要特性:

（1）面波在自由表面附近傳播時,質點在波傳播方向的垂直平面內振動,振幅隨深度呈指數函數急劇衰減,質點的振動軌跡與波傳播的方向或反方向的橢圓軌道運動。（2）面波的水平和垂直振幅從彈性介質的表面向內部呈指數減小,大部分能量損失在二分之一波長的深度范圍內,這說明面波某一波長的波速主要與深度小于二分之一波長的地層物性有關。（3）在多層介質中,面波具有明顯的頻散特性。面波沿地面表層傳播,影響表層的深度約為一個波長,因此同一波長的面波的傳播特性反映了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著不同深度的地質情況。

2　瞬態多道面波的采集方法

在時域內,面波采集的質量好壞,直接影響到計算出的頻散曲線。與反射法地震勘探方法相同,瞬態多道面波勘探也存在一個最佳窗口問題。由于彈性波在時間空間域內傳播時,其各種波型(直達波、折射波、反射波、聲波和面波)均遵循各自的傳播規律,瞬態多道面波方法強調:（1）各道采樣必須設計排列在面波域內,且采集到足夠長的記錄。（2）盡量使用采集到的波型單一,即:不使直達波的后續波或反射、拆射波干擾面波,同時避免周圍的干擾振動。（3）采集的波形不能失真。

3　儀器及資料整理與解釋方法

SW S型多波列數字圖像工程勘探與工程檢測儀主要技術參數為:24道,512、1024、2048、4096、8192樣點選擇,采樣率30μs～8ms數檔,瞬時浮點放大,A/D轉換20bit,信號增強32bit,高、低通濾波、全通,帶寬0.5～4000Hz,工控級CPU板80486,RAM8mb或16mb,硬盤容量HD2.1Gb,LCD640×480UGA模式與TFT彩色液晶顯示,具并行口和軟驅接口,DC12V電源,使用環境-5°～45°。面波勘探采集到的原始資料是面波沿地表傳播的振動波形,通過對波形的室內整理、計算和解釋,歸納面波特點為:

（1）傳播速度低,且只在表層某一深度內傳播。（2）只要有波速差異(大于或等于10%)也可以精確進行分辯。（3）在均勻介質中,面波的波速與頻率無關,即沒有頻散特性。（4）面波的波長不同,穿透深度也不同。（5）面波波速近似等于橫波波速,并具有相關性,即面波波速與介質的物理力學性質密切相關。

根據面波勘探的上述特點,同時也考慮到面波勘探場地地層縱橫向變化因素較多,為了減少斜坡反射干擾,使面波資料能真實反映地面上某一點下面地層垂直變化情況,我們在野外采集過程中,利用已知地質資料,優選測試參數,直到與已知地質資料相吻合。由于面波勘探每一測點需要數道的記錄(一般不低于4道),原始資料的整理和解釋是一項細致又繁雜的工作,內容包括:①對原始資料進行整理,檢查核對,編錄；②計算各頻率條件下面波的傳播速度；③確定面波時間-空間窗口；④在頻率-波數域內提取面波；⑤進行頻散分析并形成頻散曲線圖；⑥根據頻散曲線的變化,對層數和各層速度的變化范圍做出定性解釋；⑦進行定量解釋,確定各層的厚度,計算各層的橫波傳播速度 (程序中已把面波波速轉化為橫波波速)，并對獲得結果進行反演擬合解釋,直到擬合相關系數滿足要求為止；⑧繪制成圖片,輸入CAD繪圖軟件,繪制成果表,對資料做出地質解釋,對各層的巖土工程性質做出評價,最后繪制物探地質剖面圖。

4　面波技術在工程勘察中的應用

SWS型儀器在諸多工程中進行面波勘探,其勘探結果均與鉆孔資料或施工開槽資料相比較,定量解釋準確、可靠,效果良好。以下列舉幾個典型實例加以說明:

在南水北調中線工程北京段中的應用。南水北調中線工程是一項跨省市、跨流域的大型工程,在初設階段,因其規模大,線路長,渠線段按一公里布置一個鉆孔,鉆孔之間有時能跨越幾個不同地質單元,這給地質分層、連接地質剖面帶來很大麻煩,為了解決此難題,我們在北京城區段中布置400多個面波勘探點,利用面波資料和鉆探資料進行地質分層,連接地質剖面,效果良好,滿足地質勘察要求,同時也解決了在砂卵礫石層進行鉆探艱難,地層不好劃分或不能劃分的難題。該點揭露的資料比鉆孔揭露的資料更豐富,在卵石層上面,鉆孔資料與面波資料相吻合,而在砂卵石地層檢測中發現,深度9.5m以下頻散曲線明顯地分為3層,即為9.5～14.0m,14.0～21.5m,大于21.5m三層。

山西沁新煤焦有限公司60萬噸，焦碳2×1.2Mv發電清潔型工程焦爐是沁源縣的重點工程,對發展當地經濟,提高人民生活水平具有重要的意義。為了查明擬建廠區焦爐中心線的地質情況及存在的不良地質災害隱患,確保工程質量安全,于2003年11月對焦爐中心線進行了面波勘探工作。目的是:①查明擬建廠區焦爐中心線部位地層分布情況及基巖的埋藏深度。②提供擬建場地20m以上平均等效剪切波速和場地地脈動周期。③根據剪切波速劃分擬建場地類別。根據本次面波勘探任務和技術要求,在擬建焦爐中心線共布置了兩條面波勘探剖面,各長32m,測量點距20m,完成面波物理點34個。

表1　已知鉆孔旁面波勘探推斷解釋成果表

（1）場地地質概況。擬建場地地形起伏較大,最大高差13.46m，地貌單元屬于狼尾河河漫灘及Ⅰ級階地,土層屬洪沖積與坡積成因。地層自上而下分為耕土(Q4ml)、粉質粘土(Q4al)、卵石與含礫粉質粘土互層(Q4pl)、砂巖(P)四個大層。（2）地球物理特征。區內主要分布有第四系黃土和卵石及二疊系砂巖。黃土剪切波速為150m/s～220m/s,坡積物為290m/s～320m/s；不均勻的或分選性差(夾有薄層黃土、砂)的卵石層波速為290m/s～340m/s,卵石層一般為430m/s～465m/s；砂巖在760m/s～810m/s之間。由此可知,地層中不同的巖性在剪切波速上具有明顯的差別,在本區采用面波勘探方法具有良好的地球物理前提。（3）成果解釋。由面波勘探結果可見,Ⅰ、Ⅱ號剖面勘探成果基本一致,現將已知鉆孔旁和Ⅰ號剖面成果解釋如下。已知鉆孔旁面波成果解釋在通風冷卻塔已知鉆孔旁布置了面波測量點,并進行了不同道距和偏移距的試驗工作,確定道間距2.0m,偏移距10.0m～20.0m組合。推斷解釋結果見表1。

鉆孔所揭露的地層巖性結果見下表。

由面波勘探推斷成果與鉆探結果對照表明,面波勘探成果劃分的剪切波速層位多,而鉆孔揭露的地層層位相對少,說明了同類巖性的彈性力學性質有差異,主要與卵石中夾有黃土和巖石的風化程度有關。地表黃土與淺部卵石夾土層力學性質相近,波速層位劃分與揭露的地層有一定的差別。結合鉆孔資料對面波層位進行校正后,彈性力學層與地層基本一致,可以滿足工程地質勘察任務的要求。

（4）Ⅰ號剖面成果解釋。由Ⅰ號剖面面波勘探成果可知,黃土(包括淺部卵石夾黃土)厚度一般在2.0m左右,局部厚度大,且有一定的起伏,剖面西部坡地位置有殘破積物與粘土互層。在中深部以卵石為主,厚度較大,約5m～9m不等,近于水平分布。下部為中分化的砂巖,深部巖石基本完整?？傮w來看,本區地層剪切波速較大,層位基本穩定,巖石風化程度中等。20m以上場地平均等效剪切波速424m/s,屬中硬場地,場地地脈動周期0.3235s。擬建場地焦爐中心線未發現空洞、塌陷等不良隱患地質災害現象。

面波勘探技術,一方面能準確反映和區分地下不同巖層的界面,指出其精確厚度和各層的波速,探測深度能夠滿足水利水電工程、工民建工程、市政工程等的需要,另一方面,所測波速能夠直接反映巖土的物理力學性質,即通過測試的波速計算場地的類型類別、卓越周期以及各層的標準貫入、承載力等。因此,該方法不僅大大節省投資,而且明顯地簡化了現場工作程序,縮短勘察周期,提高了工作質量和效率,必將在諸多工程勘察領域發揮越來越大的作用。

[1]常士驃,張蘇民.工程地質手冊 [M].4版.北京:中國建筑工業出版社,2007.

[2]單娜琳,程志平,等.工程地震勘探 [M].北京:冶金工業出版社,2006.

[3]劉云幀,梅汝吾,等.JGJ/T143-2004多道瞬態面波勘察技術規程 [S].北京:中國建筑工業出版社,2004.

F416.9[文獻碼]B

1000-405X（2016）-9-181-2