多道瞬態面波法在電廠巖土勘察中的應用

吳學銀，劉益平，余 濤，王俊超

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著社會用電需求越來越大，原有發電廠的改擴建工程也越來越多。受先期電廠建設及周邊城市基礎設施建設過程中渣土、建筑材料堆填影響，改擴建廠址區表層一般分布人工填土。填土具有成分混雜、性質不均勻等特性，一般不宜作為電廠建筑物的基礎持力層，施工時需挖除換填。巖土勘測期間需查明填土厚度，為填土換填量計算提供依據。巖土勘測布置的勘探孔間距約20～30 m，一般難以查清填土分布情況，若全廠區布置填土鑒別孔，則成本高昂且勘測周期長。

瞬態面波法具有技術成熟、施工速度快、分層精度高等特點，通過在南通某擬建電廠廠址區應用瞬態面波法進行填土勘測，輔助填土分層，能提高勘測效率，降低成本，可將該方法作為巖土勘測的重要補充手段。

1 瞬態面波測試簡介

1.1 基本原理

在地表激發的地震波主要有橫波和縱波，在傳播過程中，橫波和縱波會疊加形成一種新的能量很強、主要集中在地表附近、沿介質層面滾動傳播的波，稱為面波，主要有瑞雷波與拉夫波。拉夫波只在水平方向振動，其速度與橫波速度相差不大，很難從地震記錄上看出，目前的面波勘察采用的是質點在垂直方向振動、速度略小于橫波的瑞雷波。

瑞雷波沿地表傳播時，其穿透深度相當于它的波長，當深度為波長的一半時，瑞雷波的能量最強，深度與波長相當時，其能量迅速衰減。在各向同性的介質中，各頻率下的瑞雷波傳播速度相同，在各向異性介質中，不同頻率的瑞雷波傳播速度不同（即頻散效應）。

多道瞬態面波法是通過在地面使用不同振動頻率的震源（如炸藥、錘擊震源），在地表附近激發出不同波長的瑞雷面波，可以得到不同穿透深度的瑞雷波速度值。根據波速值來進行地質分層，從而達到探測的目的［1］。

1.2 野外數據采集及數據處理流程

瞬態面波法野外數據采集時一般采用 12 道或24 道檢波器接收信號，排列長度大于目標探測深度，一般來說，用小錘作為激發震源，能產生相對高頻面波，采用小的道間距時，可探測較淺部的地層特性；采用重錘震源，能在地表產生相對低頻的面波，采用較大的道間距值時，能探測較深部的地層介質特性［2］。檢波器一般采用 4 Hz 低頻豎向檢波器。野外數據采集示意圖如圖 1 所示。

圖1 野外數據采集示意圖

瞬態面波數據中除了有效的面波信號外，還有直達波、折射波等干擾信號，數據處理時首先在時間-空間域提取有效面波，通過傅里葉變換將時間-空間域的面波數據轉換為頻率-波數域中不同模態的波動能量，從而能提取出基階模態的頻散數據合成頻散曲線，最后根據頻散曲線的拐點進行人工分層、反演擬合，從而獲得巖土層厚度及波速值［3，4］。面波數據處理流程如圖 2 所示。

圖2 多道瞬態面波數據處理流程圖

2 工程實例

2.1 工程概況

南通某擬建電廠廠址區原為磚窯廠，后經拆除，原場地內分布有溝、塘，在電廠前期工程建設時已基本被填平，現為荒地，表層堆載有大量建筑垃圾。廠址區表層分布雜填土，填土厚度分布不均勻，混有混凝土碎塊、粉煤灰等建筑垃圾，成分混雜，回填時間不等，填土層下部主要為砂土層，狀態為一般～較好。

為查明廠區內的填土分布，利用北京水電物探研究所開發的 SWS-6 型 24 道工程地震儀，進行多道瞬態面波勘察。SWS-6 型儀器具有采集疊加功能，數據采集過程對單點數據進行多次采集疊加，壓制隨機干擾，能大幅度提高地震波記錄的信噪比。該儀器主要技術指標如表 1 所示。

表1 SWS-6A 型工程地震儀主要技術指標

圖 3 為本工程數據采集采用的 SWS-6A 型工程地震儀，圖 4 為 20 kg 重錘和錘擊墊塊。

圖3 SWS-6 A 型工程地震儀

圖4 錘擊設備及錘擊墊塊

2.2 測線布置及采集參數設置

本廠區環境條件對面波勘察存在如下不利條件：①表層填土不利于檢波器的埋置，檢波器與地表土耦合不好，影響接收效果；②測區距離臨近已建電廠主廠房較近，測區內正進行鉆探作業，廠區道路車輛行人多，震動干擾大。

分析研究以上對數據采集不利的地質與地球物理條件，通過現場數據采集試驗，確定解決方案如下：①表層填土松散的地段，利用重錘簡單夯實或挖坑埋置檢波器，保證檢波器與土層耦合；②為了降低周圍環境干擾的影響，通過試驗確定合適的排列方式，盡量在無車輛通過時進行數據采集，數據質量差時，進行多次疊加采集，提高采集信號的信噪比。

廠區內分布建筑垃圾堆、廢棄設備堆場，受此影響，無法進行全廠區面波勘察，根據現場踏勘選線，共布置 6 條測線，如圖 5 所示。

圖5 面波測線布置圖

為了滿足勘察技術要求，在正式開展物探工作前，根據場地的實際情況和數據采集試驗結果，制定了 2 種觀測系統（見表 2）。檢波器的固有頻率為 4Hz，面波采集采用全通濾波檔（即采集時不進行濾波），測點間距統一設置為 5.0 m。

表2 SWS-6A 型工程地震儀主要技術指標

2.3 數據處理、解釋及驗證

根據圖 2 的數據處理流程，使用 SWS 地震面波測深數據處理軟件進行面波數據的處理、擬合、解釋。

在各測點的處理過程中，在頻率-波數域拾取基階面波能量團后合成的頻散曲線普遍存在“之”字形的轉折，部分測點的頻散曲線不止一個“之”字形轉折。根據相關文獻中對于“之”字形頻散曲線的研究成果，當地層中間存在相對軟弱夾層時，面波數據合成的頻散曲線一般會出現明顯的“之”字形轉折，在頻散曲線出現“之”字形異常深度處大致對應軟弱夾層的位置［5］。

舉例來說，本工程 M4 測線的 M422 測點的面波數據經過數據處理后，該測點的頻散曲線有 3 個明顯的“之”字形轉折（見圖 6），“之”字形轉折分別位于2.40 m、4.30 m、5.40 m 附近，該測點位于鉆孔 1C11 處，，根據 1C11 的鉆孔成果，2.40 m 處的拐點對應地下水位，4.30 m 與 5.40 m 處的拐點對應層③粉質黏土及層④粉砂的頂界面（見圖 7）。層③粉質黏土相對層①雜填土及層④粉砂為相對軟弱夾層，根據巖土工程勘察報告，層③層位較為穩定，據此，可根據面波測點頻散曲線上的“之”字形拐點來判斷層③的層位，以此來確定層①雜填土的埋深。

圖6 M4 測線的 M422 測點典型的“之”字形頻散曲線

圖7 M422 測點處的 1 C11 鉆孔分層圖

根據各頻散曲線的“之”字形拐點特征，一般可認為頻散曲線從下往上第一個“之”字形拐點附近為層④頂界面，即層③的底界面，第二個“之”字形拐點附近為層③頂界面，即層①雜填土的底界面。

根據理論研究及模擬計算，“之”字形的出現除了與速度較低的軟弱夾層有關外，還與各層介質的厚度、埋深等參數有關，一般情況下，隨著軟弱夾層厚度的增加和埋深變淺，頻散曲線的“之”字形就會由一個變多個，并非一個“之”字形就對應一個軟弱夾層，某些情況下，存在軟弱夾層，不一定就會出現“之”字形［5］。如圖 8 所示，M1 測線的 M103 測點，該測點在 2.60 m 附近有一個“之”字形拐點，該深度對應附近的 1C2 靜探孔上2.60m左右的一個軟弱夾層（見圖 9），但是頻散曲線上在層③、層④界面附近未出現“之”字形。如圖 10 所示，M1 測線 M106 測點的頻散曲線，在 4.30 m 附近有一個明顯的“之”字形，該“之”字形對應的應該是層③、層④界面，層①填土與層③界面未出現“之”字形。

圖8 M1 測線的 M103 測點頻散曲線

圖9 M103 測點處的 1C2 靜探孔分層圖

圖10 M1 測線 M106 測點頻散曲線

對于測點頻散曲線“之”字形不明顯、缺失、增多等現象，進行分層時應統籌考慮前后測點分層、附近鉆孔分層、分層波速、擬合系數等因素。

將各測點采集結果處理成深度-速度剖面，如圖 11 所示的 M4 測線剖面，填土厚度在 3.50 m 左右，與附近的地質剖面 4-4’揭露的填土厚度相似，其他測線數據處理形成的深度-速度剖面揭露的填土也與附近地勘地質剖面吻合。

圖11 M 4 測線面波等速度剖面圖

3 結語

多道瞬態面波法在電廠巖土勘察中的實際應用取得了良好效果，積累了工程經驗，由此得到以下結論和認識。

1）多道瞬態面波法實際采集數據前，建議在已有鉆孔附近進行對比試驗，確定合適的采集參數。

2）在實際的處理解釋工作中，應收集測區鉆孔等勘察資料，以輔助擬合分層，減少人為因素影響，特別是頻散曲線“之”字形不明顯、缺失、增多的測點，應以附近鉆孔分層為依據進行分層。

3）數據采集過程中，應采取措施減小噪聲干擾，獲得高信噪比的數據。

4）多道瞬態面波法具有快速、高效，抗干擾強等優點，在巖土工程勘察中是一種很好的補充手段，起到降本增效的作用。Q