地震面波映像法在上海海塘結構隱患調查中的應用

王治華

（上海市地質調查研究院，上海 200072）

地震面波映像法在上海海塘結構隱患調查中的應用

王治華

（上海市地質調查研究院，上海 200072）

上海海塘由外部堅固結構殼包裹吹填砂或黏土筑成，堆填高度7～8m。海塘隱患主要為堤芯的局部疏松和結構殼下部形成的空洞。由于海塘介質的電阻率極低，探測海塘隱患不宜選擇電法、電磁法，而需依靠地震波法。本文對縱波在海塘中傳播的幾何特征進行模擬，結果顯示，壩體底面產生的反射波和隱患產生的繞射波與直達波之間時差太小，不能分辨，表明反射波法不適用于海塘隱患探測。據有關面波數值模擬結果，介質的橫向變化導致面波的反射、散射，反射面波、散射面波與正向傳播的面波干涉，形成很強的異常波組，利用面波的這一規律，可以有效探測海塘隱患。本文介紹的地震面波映像法在調查海塘隱患時，采用多道采集，抽取共偏移距面波信號，利用面波的散射原理分析不同偏移距地震映像剖面，能有效圈定隱患范圍，并獲取隱患的埋深。

地球物理探測；海塘安全檢測；地震映像；面波；結構隱患

最初，地震勘探為了采集方便和降低成本，用單個檢波器來采集共偏移距反射信號或折射信號[1]，以此來達到與常規反射法、折射法勘探同樣的勘探目的，這種方法被引入中國稱為地震映像法。后來，地震映像法在我國被廣泛應用于探測淺部不均勻體（如洞穴、管道、巖溶、土壩中白蟻巢、地裂縫與疏松帶等）。

我國大量采用的地震映像法，其實是采集縱波單點反射，形成共偏移距道集，根據異常體的反射特征來分析異常的空間屬性。然而，在近震源區，瑞雷面波信號的能量占比大于70%，特別是在軟土區，反射波、繞（散）射波均被面波信號干涉，不易分辨，而面波信號很強，波場特征明晰可辨。在這種情況下，不宜選擇反射波法，而利用面波對異常體成像應是可行的選擇。

上海海塘高度僅7～8m，一部分為未固結的吹填砂和沖泥管帶構成的新式海塘，一部分為固結黏土構成的老式海塘，隱患主要為堤身中存在的疏松、空洞。對壩體采用常規錘擊震源激發，按照地震反射波原理，在壩基面產生的反射與直達波疊加干涉，堤身內部隱患產生的弱反射信號不易分辨。而按照面波理論，面波散射信號發源于散射點（即隱患點），與正向傳播的面波信號干涉形成“V”字形，波形清晰，易于分辨。地震面波映像法采用多道（至少12道）、高密度、滾動采集，抽取共偏移距道集形成不同偏移距地震映像剖面，利用面波的散射和波散特性分析數據，能分別用于獲取海塘隱患的范圍及深度。

1 反射模型

反射模型按照海塘介質波速分布結構進行了地震波場幾何建模，如圖1所示。模型第一層厚度8m，縱波波速800m/s，密度1.4g/cm3，代表海塘壩體；第二層厚度10m，縱波波速1200m/s，密度1.6g/cm3，代表壩體下臥層；第三層基底縱波波速1550m/s，密度1.9g/cm3，代表更深地層；在第一層中設置了一個直徑2m的圓形體，縱波波速300m/ s，密度0.5g/cm3，模擬疏松隱患；震源點位于橫軸8m位置。地震波模擬主要模擬反射波、折射波、繞射波和首波等，模擬采用的子波頻率為100Hz，模擬方法為射線追蹤法（如圖1a）和有限差分法（如圖1c），并計算了時距曲線（如圖1b）。

模型正演所用參數參照了8m厚度的海塘結構及波速、密度參數，對于含水層和復雜的結構異常波場過于復雜，沒在模型中體現。圖1(a)、圖1(b)顯示：地震反射法能有效分辨的窗口為偏移距小于20m內，該窗口其實是面波為主導的窗口；圖1(c)顯示第一層底面和第二層底面的反射在40ms以內，與首波部分干涉，較難分辨，模擬信號頻率為100Hz，實際地震波主頻更低，更難以分辨反射波。可見，在海塘實施地震映像法不易進行反射波法。如采用折射波法，則由于海塘結構體內部呈降速特性，折射波不能體現海塘體內部的情況，而體現海塘體下臥層的不均勻情況，折射波法同樣不宜用于探測海塘隱患。

圖1 海塘反射波場建模結果Fig.1 The refection wave modeling results of seawall

2 面波模型

在1996年，Gucunski等人提出了面波散射，并且指出發生散射的源點對應地下異常體存在的位置[2]。面波的這種幾何特性一直沒被很好利用，而更多地被用于獲取地層速度。1999年，Peter M.Manning和Gary F.Margrave采用有限元建模模擬了瑞雷波的反射特性[3]。瑞雷波在均勻介質中面波按固定速度傳播；當遇到介質橫向變化，如從波密介質進入波疏介質則產生面波的反射，進入波疏介質后波組視速度明顯降低，反之亦然；當遇到一定厚度的差異變化，面波產生反射和波散。對比發現，異常厚度越大反射越強，進入低速層后波速變化也越大波散越強。

2009年，Zeng Chong等模擬了面波遇到異常體產生的散射現象[4]。當地下存有不均勻體則會導致面波的散射，異常體中心深度不變，口徑越大，散射波越強，散射波中心對應異常體中心。

通過以上兩組建模，可以發現瑞雷面波對介質的橫向不均勻性非常敏感，對介質橫向速度異常和其內部存在的異常體，都能以視速度的變化、形成散射波及散射波強度變化來體現。如通過對面波波形、相位及振幅等信息的提取，可獲取地下異常體分布情況。

3 地震面波映像法

3.1 數據采集方法

地震面波映像法需區分采集不同頻段面波信號,因此借鑒多道瞬態面波法的采集方法，采用多道（至少12道）采集[5]，采集方法的設定原則如下：

（1）因面波在傳播1個波長以后才發育完全，且單一頻率的面波能量集中在半個波長的深度內，故排列的最小偏移距、最大偏移距分別為探測的最小深度、最大深度的2倍左右。

（2）宜采用不同頻率檢波器組成觀測排列，近震源采用高頻檢波器，隨偏移距增加逐步變換低頻檢波器。

（3）道間距應不大于異常體在剖面線上投影長度的1/2，確保異常體上方至少有1個檢波點；炮間距不大于最小偏移距的1/2，確保至少有2次激發讓異常體處于炮點和檢波點之間。

（4）所選震源及激震點應有利于激發頻帶寬、能量強的面波信號。

3.2 數據分析方法

（1）異常平面位置分析方法

圖2為海塘上垂直于一注漿加固點，采用滾動排列獲取的四個記錄。從圖中可見，散射中心（C1～C4）隨著排列的滾動，在地震記錄上對應的位置也呈由遠及近的變化，四個記錄共同指向同一個異常。通常，散射面波（或反射面波）與正向傳播的面波形成V字形，其頂點對應異常位置。該位置屬于異常的邊界還是頂點，視異常體的形狀、埋深而定，一般而言，方形為邊界，圓形為頂點。

由于面波沿地表方向傳播，抽道形成的地震面波映像剖面，在確定異常的地面投影位置時，應直接根據出現異常的檢波點位置而定，而無需考慮偏移距的影響。另外，如采用端點放炮，獲取的是面波對異常的單向成像；如采用中間放炮或對測線做正反向觀測，可形成面波對異常的雙向成像，對提高定位精度有作用。

圖2 面波法記錄對比圖Fig.2 Comparison records of surface wave method

（2）異常埋深的估算方法

映像記錄是將滾動連續采集記錄，按順序抽取的共偏移距道集。圖3為抽取的不同偏移距面波映像記錄的時間剖面圖，剖面沿海塘走向，跨越一根管道和注漿加固區。

管道和注漿固結體在不同偏移距剖面上呈現如下差異特征：（1）小偏移距剖面呈現的異常寬度較小，大偏移距剖面呈現的異常寬度大，即異常寬度?d6m＜?d13m＜?d21m；（2）注漿加固區產生的異常波組（A1、A2、A3）在小偏移距剖面呈現波組錯位最大，大偏移距剖面呈現的波組錯位逐步減弱至消失，即?ω6m＞?ω13m＞?ω21m；（3）管道產生的散射波組在偏移距13m的剖面圖上顯示最清晰，即B2最強，B1最弱。

綜上分析，可得出推論：地震面波映像法獲取不同深度的信息需要采用不同的偏移距來實施，獲取淺部信息用小偏移距，獲取深部信息用較大偏移距，合適的偏移距需根據異常體的埋深來選擇；反之，通過找準合適的偏移距可推測異常體的深度。這是地震面波映像法進行異常深度解釋的一種方法。

該方法具體運用的簡單推算：如埋深7m的排水管道在不同偏移距剖面顯示最強的為偏移13m，偏移距與深度的轉換系數估算為：δp→h=7/13=0.54；圖3(c)顯示注漿異常已趨于消失，故可估算注漿深度為21×0.54=11.34（m）。該推算結果與實際情況接近。

盡管這種方法目前還缺乏準確的理論計算關系，但合適的偏移距與面波波長相關,該方法經過實踐總結，對計算關系進行修正，可作為地震面波映像法估算深度的方法。

圖3 地震映像時間剖面圖Fig.3 Seismic imaging time profles

常深度估算方法是根據面波成份的頻率，進行異常的深度解釋。圖4是在單炮采集（圖2）的基礎上沿海塘走向將偏移6m的地震道集成的剖面。圖4(a)剖面進行了30Hz低通濾波，從圖中可見，低頻部分波組未出現劇烈變化，相位有小于1/4周期變化，波組強度出現小范圍強弱變化，說明注漿區對低頻成份仍有影響，但程度降低較大。該區域面波速度為160～170m/s，按面波傳播影響的深度為1個波長計，該頻段的面波反映5.6m以深地層的特征，說明該區域深度大于5.6m注漿加固程度減弱。比較而言，圖4(b)顯示，經過50Hz高通濾波，剖面中部出現波組“錯位、上拉”特征，證明其波速高于周圍介質波速，為注漿區形成的硬化地層，根據該頻段波長，故估算注漿區在3.4m以淺地層受到完全加固處理。

圖4 海塘調查試驗（偏移6m）地震映像剖面圖Fig.4 Seawall survey test seismic refection profle (offset 6m)

如對原始剖面進行逐頻帶分析，發現剖面上異常分布的范圍隨頻率的變化而變化：異常波組頻率低對應的異常埋深大，異常波組頻率高對應的異常埋深小。總之，基于面波頻散特性，從異常波組頻率分析可估算異常的埋藏深度。

4 結語

海塘結構隱患探測因勘探深度極淺，堤身為單一松散介質，采用地震面波映像法非常合適。地震面波映像法在判斷異常體深度時，依據面波的能量集中在一個波長深度內這一原理來分析數據，而與此關聯的已知參數包含：偏移距、頻率和波速。這幾項參數可作為判斷異常深度的依據，本文介紹了計算的思路，深入研究面波傳播的規律可獲得更精確的計算方法。地震映像法的優勢是共偏移距快速成像，在面波信號完全壓制反射信號的情況下，小偏移距地震映像法不宜采用反射法來對數據進行處理和解釋，而應采用面波法來分析數據。這是本文為了豐富地震映像法的應用思路，而提出地震面波映像法的初衷。

References)

[1] Wilson T H.Model studies of shallow common-offset seismic data[J].Geophysics, 1990,55(4):394-401.

[2] Gucunski N, Ganji V, Maher M H.Effects of obstacles on Rayleigh wave dispersion obtained from SASW test[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 1996,15:223-231.

[3] Manning P M, Margrave G F.Rayleigh wave modelling by fnite difference//SEG Technical Program Expanded Abstracts[C].1999: 532-535.

[4] Zeng C, Xia J H, Miller R D.Modeling results on detectability of shallow tunnels using Rayleigh-wave diffraction//SEG Technical Program Expanded Abstracts[C].2009: 1425-1429.

[5] 劉伍,司永峰,王治華,等.上海近岸淺海單道地震多次波特征及壓制方法研究[J].上海國土資源,2016,37(2):89-95.

Liu W, Si Y F, Wang Z H, et al.The characteristics and suppression method of multiple waves in the high resolution single channel seismic system in the offshore Shanghai area[J].Shanghai Land & Resources, 2016,37(2):89-95.

Application of seismic surface wave image method in the investigation of Shanghai seawall hidden structure danger

WANG Zhi-Hua
(Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

Shanghai seawalls, with external rigid shell flled with sand or clay, is only a few meters thick.The hazards of seawall are the loose parts of the core and the cavities formed below the shell.Because of the very low resistivity of seawall medium, resistivity method and electromagnetic method should not be chosen to detect the hazards of seawall, but the seismic method is available.Based on the geometric characteristics of wave propagation in the seawall, the simulation results show that not only the time difference between the refection wave generated by the bottom of seawall and direct wave, but also the time difference between the diffraction wave of the hazards and direct wave, is very small and can not be distinguished.The simulation show that the refection wave method is not applicable to the seawall hazard detection.According to the simulation results of surface wave numerical simulation, surface wave refection or scattering, generated by lateral in homogeneity of medium, interfere with forward propagating surface wave and form very strong abnormal wave group.Using this principle of surface wave, can effectively detect hidden hazards of seawall.This paper introduces the seismic surface wave imaging method in the investigation of seawall hazard, multi-channel acquisition, extraction of common offset surface wave, analysis of different offset seismic refection profle by using the principles of surface wave scattering, can be used to detect the range and depth of seawall hidden hazards.

geophysical exploration; seawall security detection; seismic image; surface wave; hidden structure danger

P631.4

A

2095-1329(2017)03-0094-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.021

2017-05-17

修回日期: 2017-08-09

王治華(1978-),男,高級工程師,主要從事工程物探研究.

電子郵箱: 53312477@qq.com

聯系電話: 021-56618043

中國地質調查局地調項目“長江三角洲海岸帶綜合地質調查與監測”