面波勘探在工程勘察中的應用

朱 鑫

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430000）

在對地球進行勘探研究的過程之中，常規的鉆探研究方法受到地質，地貌以及自然環境等多個方面的限制而無法采用，大部分地球勘探技術無法滿足地層分層、巖溶以及裂縫等多個方面的技術要求，因此當前階段需要全新的技術滿足地球探測的實際需求。在進行地質勘探的過程之中面波勘探體現出了一系列的優點。人工源面波探測技術對深度較小的地層進行勘探時分辨率較高，但是能夠進行準確勘探的深度存在一定的限制[1]。人工源面波探測技術在20世紀60年代時得到了實際的應用，其又分為穩態面波勘探和瞬態面波勘探，現階段工程技術人員在討論人工面波勘探技術時一般指瞬態面波勘探。經過幾十年的發展，現階段人工源面波勘探技術和天然源面波勘探技術已經逐步的整合為一個整體并在工程實踐之中得到了非常廣泛的應用。

1 面波勘探方法原理概述

在物理學之中彈性波在傳播的過程之中遭遇到存彈性的分界面時會發生一定的反射和折射現象，與此同時還會產生一定的界面波[2]。從三維觀察的角度來講彈性波遭遇到彈性界面時產生的折射波和反射波是同時存在的且隨著時間不斷的在三維空間內傳播，在學術界將這一類型的波也稱之為體波。與體波相對應的是界面波只出現在彈性界面的附近，因此被稱之為面波，其主要分為兩種：一是勒夫波；二是瑞雷波。瑞雷波是由英國的學者瑞雷在理論分析的過程之中確定的，其特點是振動的幅度隨著深度迅速衰減。采用面波進行地球物理勘探的基本原理是面波在沿著地表進行傳播的過程之中一個波長內的傳播特性體現了地層在水平方向上存在的變化，不同的波長變化特性則反應了不同深度的地質情況。

（1）天然源面波勘探技術。天然源面波勘探技術主要涉及三個方面的知識：一是微動裝置，這一裝置實質上是接受來自任意方向的面波信號。在進行面波信號收集的過程之中要將微動裝置排列為特定的形狀。在工程實踐之中常見的形狀有直線型、圓臺型以及L型。二是天然源面波的原理。微動實質上是指一種沒有震源的微弱振動，其由P波、S波以及面波組成，其中70%以上的能量信號包含在面波之中。面波之中包含的信息同表層之中的介質具有密切的聯系。在對微動過程之中產生的面波信息進行收集之后可以采用數學方法對面波進行描述，并依據相關的地球物理理論和數學理論對面波進行分析進而獲取地下的相關介質信息。三是頻散分析。實質上頻散分析是依據面波信息采集的過程之中微動裝置的排列形狀選擇適宜的處理方法對面波進行分析進而得到一定的地球物理知識。

（2）人工源瞬態面波。在地球物理勘探的過程之中采用瞬態面波探測實質上是借助瑞雷波的特性進行地球物理探測。探測的過程之中選用錘擊的方式產生震源，錘擊的沖擊力將會在一定的范圍內形成瑞雷波[3]。相關的研究人員在研究的過程之中發現瑞雷波存在以下幾個方面的特征：一是在錘敲擊產生震源之后瑞雷波的振幅最大，其所具備的能量最強，具備良好的數據采集條件；二是瑞雷波在不均勻的介質中進行傳播時其存在頻散特性；三是瑞雷波在傳播的過程之中其傳播的速度大小同介質的密度存在一定的聯系；四是瑞雷波在沿著地表進行傳播的過程之中，能量主要聚集在一個波長的范圍之內。

2 面波勘探工程實例

（1）天然源面波法。在城市之中進行高架橋建設時，經常由于環境之中存在其他的建筑而無法進行勘察鉆孔的布置，但是高架橋在建設時必須明確橋樁基礎下方的地質結構以及地質特點。其進行勘探時主要分為以下幾個步驟：一是根據現場的實際情況選擇合適微動檢測裝置布置形式，在此基礎上選擇適宜的探測系統對檢測裝置檢測到的數據進行采集。二是根據采集到的數據對面波傳遞異常的剖面進行分析，并在分析的過程之中結合相關的資料明確各個地層的基本構成和基本的地質條件。三是布置驗證孔，對面波檢測的分析結果進行驗證，確保分析結果的正確性。

（2）人工源瞬態面波法。在進行高層建筑施工建設之前首先需要進行全面的地質勘探，查明建筑范圍內的巖溶發育情況。人工瞬態面波法是常用的勘查區域之內的巖溶發育情況的技術手段，其勘查基本步驟如下：一是安裝人工震源激發面波，安裝地震儀進行數據的采集。二是對收集到的信息進行處理并形成相關的電阻率切片圖等，借助圖片對建筑物地下的巖性進行全面準確的分析；三是對收集到的數據信息進行不同高程的平面等值分析，進而明確建筑物地下的巖溶發育情況。

（3）人工源面波與天然源面波聯合勘探。人工源面部在勘探的過程之中對于深度較小的區域勘探時具有較高的分辨率，但是由于震源的能量有限，無法對較大的深度實現有效的探測。天然源面波與人工源面波的聯合勘探實質上是在同一區域分別進行天然源面波的勘探與人工源面波的勘探，在勘探完成之后借助相關的數據處理軟件將兩者得到的相關數據整合為一個整體從而全面準確的反應某一區域的地質條件。

現階段天然源面波與人工源面波聯合勘探技術已經在以下幾個方面得到了非常廣泛的應用：一是礦業開采之中的覆蓋層劃分；二是地質研究之中的活斷層調查；三是在地基建設之中的土壤壓實度評估；四是煤礦開采之中的煤柱陷落研究；四是水力建設之中的堤壩病害研究；五是城市地質環境調查研究。同其他的地質勘探技術相比較，天然源面波和人工源面波聯合勘探技術操作經濟方便，在進行勘探的過程之中不存在重大的風險，且能夠有效的抵抗環境之中存在的諸多干擾因素，有效的提升了自身的勘探精度。對各種地球物理勘探技術的特點進行深入全面的分析可以明確的一點是天然源面波與人工源面波聯合勘探技術具有巨大的技術優勢，在未來必將得到更為廣泛的應用。

3 結語

本文簡要的論述了面波勘探的基本原理，重點闡述了現階段在工程實踐之中得到大范圍應用的天然源面波和人工面波勘探技術。在論述的過程之中明確了面波勘探技術存在的諸多優點和在解決某些特殊問題的過程之中表現出的獨一無二的優勢。盡管面波勘探技術在工程實踐之中體現出了諸多的優勢，但是由于其是一種全新的技術，因此尚未得到大范圍的應用，希望本文的研究能夠推動這一技術在工程實踐之中的應用。