工程地震儀在欠固結土地區架空線路勘察中的應用

薛飛

摘要：近年來，在山西省及國內其他地方因采礦等原因形成的欠固結土回填場地越來越多，隨著架空輸電線路的快速發展，在欠固結土地區進行勘察作業時選擇高效、經濟適用的勘察方法，顯得非常重要。多道瞬態面波勘探技術是近幾年研究及應用進展迅速的高新地球物理勘探技術，在工程勘察中有著廣闊的應用遠景。本文首先敘述了工程地震儀（SWS工程勘探與檢測系統）多道瞬態面波勘探原理、技術方法以及數據處理解釋，然后通過在山西省欠固結土地區架空輸電線路勘察中的實際應用進行了研究和總結。

關鍵詞：多道瞬態面波;欠固結土;架空輸電線路勘察

Abstract：In recent years，more and more unfixed soil backfill sites have been formed in Shanxi Province and other parts of China due to mining and other reasons.With the rapid development of the power industry，especially overhead transmission lines，survey operations are carried out in under-consolidated soil areas.It is very important to choose an efficient and economical survey method.Multi-channel transient surface wave survey technology is a high-tech geophysical exploration technology that has been rapidly developed in recent years and has broad application prospects in engineering surveys.This paper first describes the survey principle，technical method and data processing explanation of multi-channel transient surface wave technology of Engineering Seismograph（Surface Wave System），and the research and summary were carried out through the practical application of overhead transmission lines exploration in the under-consolidated soil areas of Shanxi Province.

Key words：transient rayleigh surface wave;under-consolidated soil;overhead transmission lines exploration

0 引言

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。面波分為瑞雷波（Rayleigh wave）和拉夫波（Love wave），而瑞雷波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞雷波勘探。

多道瞬態面波勘探技術（以下簡稱面波勘探）是我國工程技術人員于20世紀90年代新型地球物理勘探理論方法，在二十多年的工程勘察及工程檢測中應用較為廣泛。北京市水電物探研究所劉云禎等研制SWS型多功能瞬態面波儀面世，使面波的工程應用與研究在國內有了更大進展。面波勘探相對其他地震勘探方法具有以下優點：野外工作簡便快捷，不受巖土飽水程度影響，淺層分辨率高，屬單排列點測方式比較適用于地形切割起伏較大條件下的勘察工作等，從而使面波勘探在工程勘察領域得到了廣泛的應用。在電力工程方面，特別是欠固結土地區的架空輸電線路工程勘察中，國內應用較少。

本文通過面波勘探技術的適用條件、原理的介紹，解譯成果與工程實例的鉆探資料進行分析比較，就該技術進行介紹和探討。

1 多道瞬態面波勘探技術特點

1.1 基本原理

按照激振震源的不同，面波有可分為天然源面波與人工源面波。按照激振方式不同，人工源面波法又進一步分為穩態面波法和瞬態面波法。

穩態面波法是通過改變震源的激振頻率來得到不同波長的瑞雷波在地層表層的傳播速度，形式類似于電法的頻率測深，早期階段常規地震勘探中，因彈性波頻率測深使用的是面波中的瑞雷波，穩態面波法亦曾被稱為彈性波頻率測深。

瞬態面波法是通過錘擊、落重沖擊震源或炸藥震源進行豎向激振，產生一定頻率范圍的瑞雷波。再通過振幅譜分析和相位譜分析，把記錄中不同頻率的面波分離出來，從而得到一條V-f曲線或V-λ曲線，通過解釋，可獲得地層深度及面波速度。通過繪制頻散曲線，分析其變化規律，了解巖土工程的地質條件和巖土性質。

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，質點的振動軌跡以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。

1.2 主要設備

本次面波勘探使用我國北京水電物探研究所生產的SWS-6A型工程勘探與工程檢測儀，包括地震儀主機、檢波器、地震專用電纜、振源、觸發器等。具有面波采集、地震映象采集等功能，該儀器具備特點：瞬時浮點放大，A/D轉換24位，采樣動態范圍120～132dB，采樣率0.01～20ms多檔可選，儀器頻帶寬度 0.5～4000Hz。

1.3 現場測試

面波勘探進行現場勘探時采用多道檢波器進行接收，方便面波的對比和分析：

（1）采用線性等道間距排列方式，震源在檢波器排列以外延長線上激發;

（2）道間距一般應小于最小勘探深度所需波長的 1/2;

（3）檢波器排列長度應大于預期面波最大波長的一半（相應最大探測深度）;

（4）偏移距的大小，需根據任務要求通過現場試驗確定。

現場布置示意圖如圖1.3所示。

1.4 數據處理與分析

面波數據的處理分析主要內容包括：

（1）首先對原始資料進行整理，檢查核對，編錄，并計算各頻率條件下面波的傳播速度;確定面波時間～空間窗口，然后在頻率～波數域內提取面波，進行頻散分析并形成頻散曲線圖;

（2）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;進行定量解釋，確定各層的厚度，計算各層的面波傳播速度，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;

（3）繪制成圖，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綜合評價。

2 工程實例

根據山西省境內欠固結土分布情況，選擇典型鋁土礦回填場地、露天煤礦回填場地、其他填土試驗場地共三個有架空線路或相關電力設施運行的欠固結土場地。

本次面波勘探主要目的是查明桿塔基礎范圍內欠固結土密實度差異，劃分地層，為架空輸電線路的基礎方案設計及選型提供參數依據。根據《多道瞬態面波勘察技術規程》及現場踏勘情況及鉆探數據，為使低頻信號有足夠相位差，道間距應盡量大，但不應使相位差大于360°;為使面波和直達波、折射波、反射波等干擾波有效分離，偏移距也應盡量大，但是由于道間距、偏移距增大能量傳遞的衰減嚴重，信號的信噪比降低，對數據分析不利，因此須權衡各方面因素綜合確定。經現場試驗最后確定采集參數為24道采集，道間距為2米，偏移距10～15米，使用63.5Kg重錘豎向錘擊墊板作為震源。

2.1 鋁土礦回填場地

山西陽泉某采煤沉陷區光伏基地匯集站配套220kV送出項目某桿塔位于典型的鋁礬土回填區，地層為填土（Q），主要由碎石土組成，顏色灰、灰黑，松散～稍密，稍濕，土質不均勻，夾塊石、漂石（母巖成分為砂巖、鋁土頁巖等），含大量角礫和中粗砂，混粉土、粉質粘土。填土年代約2～5年，該層厚度大于30m，分布于整個場地。

通過上圖的結果可以看出，根據面波速度，結合原位測試可把勘探深度內的地層分為3層。表層約2.5m厚的土層面波速度在110～170m/s區間變化，動探擊數在3～20之間，平均擊數8.5，為松散-稍密狀態的填土，地表受車輛碾壓，局部為稍密狀態，承載力特征值推薦值為165kPa;2.5m到約26m土層面波速度在90～270m/s區間變化，動探擊數在3～18之間，平均擊數6.7，為松散-稍密狀態的填土，承載力特征值推薦值為130kPa;大于26m土層面波速度在270～390m/s區間變化，動探擊數在3～16之間，平均擊數8.7，為稍密狀態的填土，承載力特征值推薦值為170kPa。

2.2露天煤礦回填場地

山西晉中某光伏扶貧電站項目工程位于某露天煤礦回填區內，地貌上屬于低中山區，場區地勢北高南低。由于露天煤礦開采以及礦坑回填，形成了數個高度不一、形狀面積大小各異的臺階地和礦坑。場區地層主要為第四系全新統填土（Q），主要由碎石土組成，顏色灰、灰黑，松散～中密，稍濕，土質不均勻，夾塊石（母巖成分為砂巖、頁巖、石灰巖、煤矸石等），含大量角礫和中粗砂，混粉土、粉質粘土。填土年代為1-2年，東側回填較厚，西側回填較薄，該層厚度大于30m，分布于整個場地。

通過上圖的結果可以看出，根據面波速度，結合原位測試可把勘探深度內的地層分為3層。表層約1.5m厚的土層面波速度在90～130m/s區間變化，動探擊數在2～8之間，平均擊數5.7，為松散～稍密狀態的填土，承載力特征值推薦值為110kPa;1.5m到約17m土層面波速度在100～260m/s區間變化，動探擊數在1～14之間，平均擊數6.6，為松散-稍密狀態的填土，承載力特征值推薦值為215kPa;大于17m土層面波速度在260～390m/s區間變化，動探擊數在6～22之間，平均擊數12.1，為稍密～中密狀態的填土，承載力特征值推薦值為240kPa。

2.3其他填土場地

山西呂梁某風電220kV送出工程某終端塔，地貌上屬低山丘陵，地層為煤礦礦渣、場地平整清除的基巖、覆土等，回填厚度較大，場地較寬闊。桿塔地層為填土（Q），主要由碎石土組成，顏色灰、灰黑，稍密～中密，稍濕，土質不均勻，夾塊石、漂石（母巖成分為砂巖、頁巖、石灰巖等），含大量角礫和中粗砂，混粉土、粉質粘土。填土年代約3-5年，該層厚度大于30m，分布于整個場地。

通過上圖的結果可以看出，根據面波速度，結合原位測試可把勘探深度內的地層分為3層。表層約2.0m厚的土層面波速度在80～120m/s區間變化，動探擊數在1～13之間，平均擊數5.8，為松散～稍密狀態的填土，承載力特征值推薦值為115kPa;2.0m到約21m土層面波速度在120～280m/s區間變化，動探擊數在4～18之間，平均擊數8.3，承載力特征值推薦值為165kPa，為松散-稍密狀態的填土;大于21m土層面波速度在280～390m/s區間變化，動探擊數在7～15之間，平均擊數12.1，為稍密～中密狀態的填土，承載力特征值推薦值為240kPa。

2.4 勘察效果

本次將工程地震儀應用于架空輸電線路欠固結土勘察，使用多道瞬態面波技術對欠固結土的分布范圍、深度及厚度進行劃分，解釋結果顯示與鉆探原位測試結果高度一致，充分體現了多道瞬態面波技術應用于欠固結土密實度劃分的可靠性、準確性，從而為工程地質評價提供了充分依據。

3 結論

（1）使用工程地震儀在欠固結土地區架空輸電線路勘察中進行面波勘探是可行的，可用于查明欠固結土密實度差異，便于地質分層，為架空輸電線路的基礎方案設計及選型提供參數依據。

（2）分析本次試驗結果，面波勘探與鉆探等常規勘探地質分層基本吻合，可靠性及準確性較高，具有野外工作簡便快捷，成果清晰直觀、勘察成本低廉，綠色環保等優點。

（3）面波勘探的關鍵是通過試驗合理選擇各種參數，得到良好的面波記錄，減小頻散曲線的誤差，確保地層分層的正確性。

（4）面波勘探在類似電力工程的覆蓋層勘察中適用性較廣，特別是在場址不確定的工程前期階段，或者工程場地及傳統勘探方法受限、工期緊張，無法滿足設計要求的情況下，在有限時間內，通過面波快速勘探，結合現場踏勘調繪，可初步推測覆蓋層地層性質，為后續勘察方法的選用進行提供依據;結合傳統勘探方法可進一步節約成本、提高勘察效率。在今后類似工程中有較高的應用價值，值得推廣。

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（作者單位：太原理工大學）