多道瞬态面波法在特高压线路塔基勘察中的应用

王志斌，王银茹

(1.河南省电力勘测设计院， 河南 郑州 450007； 2.中南大学，湖南 长沙 410083)

多道瞬态面波勘探是国内首先发展和使用的岩土勘察测试技术，利用频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性可以解决诸多工程地质问题，近年来在工程勘察工作中得到广泛应用。

多道瞬态面波勘察技术具有经济，快速、高效和对环境无破坏等优点，非常适合用于覆盖层调查工作。本文结合具体实验就该技术进行介绍和探讨。

1 基本原理和方法

1.1 基本原理

面波分为瑞雷波和拉夫波，而瑞雷波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞雷波勘探[1]。瑞雷波的能量只分布在地面附近，传播深度约一个波长。在二层及多层分层介质中，瑞雷面波在均匀介质中传播时无频散性，在非均匀介质中瑞雷波波速随频率而变化，这就是面波的频散特性，面波的频散特性是面波勘探的理论基础。利用该性质，可以求得瑞雷波频率与速度关系曲线(频散曲线)。试验表明，瑞雷波某一波长的波速，主要与深度小于该波长一半的地层物性有关，所以用一定波长的瑞雷波速度可解释一定深度地层物性。

瞬态面波在地面上沿瑞雷面波传播方向以一定的道间距Δx设置N个检波器，就可检测到(N-1)Δx长度范围内波的传播过程[2]。

设瑞雷波的频率为f1，相邻两检波器记录的瑞雷波到达的时间差为Δt，相位差为Δφ，则相邻道Δx长度内瑞雷波传播速度Vr为：

测量范围(N-1)Δx内的平均速度为：

Δt可根据实际需要，根据试验确定，相位差Δφ的求取则通过信号处理分析实现。在同一地段求出一些列频率的Vr值，就可得到一条“ Vr- f”曲线，即频散曲线。

瞬态瑞雷面波法的核心问题是要准确地获得不同频率的面波相速度Vr，不同波长的瑞雷波Vr的变化反映不同深度岩土介质的特性，同一波长的瑞雷波Vr变化反映一定深度内介质的水平变化情况。频散曲线的变化规律与地质条件和岩土介质的性状存在着内在联系。分析研究和利用这种内在联系，就可达到解决工程地质问题的目的。

1.2 野外工作方法

应用瞬态面波法进行现场测试时一般采用多道检波器接收，以利于面波的对比和分析。多道瞬态面波采用单端激发的共炮点等道距排列，排列长度应大于预期探测的深度，使排列至少能容纳半个预期的面波最大波长，总检波道数不少于6道。地震仪参数选择全通滤波，采样时间间隔不大于预期面波最高频率的半个周期，以避免采样中的假频影响，记录时间长度应考虑包括最远道的预期低频面波最大波长。地震信号检波器选择低频竖向检波器。

野外数据采集时应考虑勘探深度和场地条件的影响[3]。一般来说，当探测较浅部的地层介质特性时，宜采用小的Δx值并用锤击做震源以产生较强的高频信号，即可获得较好的结果；当探测较深部的地层介质特性时，宜采用较大的Δx值，并用落重方法产生较低频率的信号，使其能反映地下更深处的介质信息，达到岩土工程勘察的目的。

偏移距的选择是以在道间距Δx比较小的情况下，能满足最佳面波接收窗口和最佳探测深度为原则。距震源最近道的偏移距大小可以从偏重于浅部或深部目标考虑，一般反映浅部的面波频散特征在震源近旁清晰，而反映深层的特征在距震源远处更明显。

从能够反演分层的角度出发，探测的对象应该是横向均匀的地层，现场排列地表的两侧和对面近旁也不应有较大尺度的沟、坎、墙、柱等能产生面波反射或散射的障碍物，一般把不能回避的障碍物安排在炮点面对排列的背侧为好。

1.3 多道瞬态面波数据处理

面波勘探数据处理主要分为提取频散曲线和深度速度域反演两部分[4]：瞬态面波数据记录是多个界面、导波及其相互作用的合成，在时距域识别有效面波，在频率波数域提取面波波型，然后用频率-波数功率谱法(F-K法)提取微动信号中面波频散信息，在频率波数谱图形上区分出基阶和高阶的不同面波组分，面波的基阶组分表现出明显连续的幅度峰脊，拾取面波特征峰值曲线。采用多道信号叠加方法计算面波相速度，对于横向均匀的地层，一般在近道的频散数据中浅部地层反映较好，而远道的频散数据反映深部地层好。如将全部远近道互相关叠加，求得的频散数据往往不能够全面地反映地层参数。用变偏移距叠加方法，高频段叠加近道，低频段叠加远道就可以弥补这个缺陷。最后根据频散曲线拐点进行人工分层，然后反演拟合计算地层的面波、剪切波速度，判定速度界面和地质异常情况。

2 工程实例

某500 kV线路工程跨黄河段某塔基位于小丘陵顶部，交通不便，钻机和静探车均无法进场，铲探掘进4、5 m左右由于土层中含有大量姜石而无法达到设计要求深度，为查明该塔基覆盖层厚度并进行地层划分，为基础设计提供必要的地层参数，在该塔基开展了瞬态面波工作。

经调查，该地区地层主要为黄土状粉质粘土层、泥岩层和砂岩层，本次测试采用的仪器为WZG－6A型波速测试仪，采样点数1024个，采样间隔0.2 ms，滤波方式为全通。道间距5 m，偏移距10 m，利用共炮点6道检波器接收，检波器中心的频率为4 Hz，由18磅大锤锤击垫板激发。利用SWS地震瑞雷面波测深数据处理软件进行数据处理，现场布置和反演结果如图1、图2：

图1 6道面波测量现场装置示意图

图2 塔基面波勘测频散曲线反演结果

由上图结果可以看出，根据剪切波速可以把勘探深度内的地层细分为7层，结合地质资料分析得出结论：

第一层为种植土，土质疏松，波速较低，第二层到第五层为黄土状粉质粘土，其中从第三层开始由于含有不同比例的姜石成分导致剪切波速不同程度增加，第六层和第七层剪切波速较高判断为硬塑状态的黄土状粉质粘土。

施工时基础开挖实际地层情况与面波勘探推断结果基本吻合，证明在该塔基勘察中应用瞬态面波方法进行勘探是可行的。

3 结论

此次在特高压线路塔基勘测中应用多道瞬态面波方法进行辅助勘察取得了很好的效果，由此可以得到以下几点结论：

⑴ 面波勘探用于划分地层、确定覆盖层厚度和基岩深度较常规勘探方式具有设备轻便、方法简单、效率高等优点，尤其在山区丘陵等地形复杂地区优势明显。

⑵ 为了提高对面波资料的解释精度，必须收集测区的地质资料级钻探资料，以充分了解测区的地层及目标体的分布特征，减小或克服人为因素。

⑶ 由于面波勘探在工程地质勘察中具有独特的优势，在今后工作中，可以在钻探和静探等常规方法的基础上配合面波勘探开展工作，以提高工作效率，缩短工作周期，节省费用。

⑷ 面波勘探的关键是如何获得良好的面波记录，以保证频散曲线的正确性，要求通过试验正确选择各种参数。

面波勘探作为一种新的浅层地球物理勘探方法，具有很多独特的优越性，但是对面波勘探理论的研究以及实际应用等有待进一步的深入和开拓，使之在生产实践中不断总结、完善和提高。

[1]杨成林.瑞雷波勘探[M].北京：地质出版社，1993.

[2]齐建国.多道瞬态面波法在岩土工程勘察中的应用[J].电力勘测设计，2004，(3).

[3]楚建伟.瞬态面波技术在冲洪积层勘察中的应用[J].云南地质， 2004，23(1).

[4]苗宇宽.瞬态瑞雷面波勘探技术在工程勘察评价中的应用[J].地质找矿论丛，2006，21(增).