被动源面波法在水电工程勘察中的应用研究

吴学明， 王超凡， 高才坤*， 戴国强， 王　俊， 曾宪强

(1.中国电建集团　昆明勘测设计研究院有限公司，昆明　650041；2.中地华北工程技术研究院有限公司，北京　100085)



被动源面波法在水电工程勘察中的应用研究

吴学明1， 王超凡2， 高才坤1*， 戴国强1， 王俊1， 曾宪强1

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明650041；2.中地华北工程技术研究院有限公司，北京100085)

水利水电工程大多坐落于高山峡谷中，地质条件复杂，物探方法作为主要勘探手段，在勘测设计中发挥着重要作用。近年来随着水利水电工程建设不断向难度更大的上游地区转移，对物探工作提出了更高的要求。被动源面波法是通过记录地球表面微弱振动的垂直分量，从中提取瑞雷波频散信息，推断地下介质横波速度结构的一种物探方法。这里首次将被动源面波方法应用于大型水利水电工程勘察中，基本上查明了坝址区地下约100 m以内地层的横波速度结构，满足了勘探任务要求。在本次勘察中，除了在河谷阶地采用三角形台阵进行观测外，在陡峻河谷段尝试使用了直线排列方式，采用空间自相关法提取频散曲线，取得了良好的应用效果。实验结果表明，与其他物探方法相比，被动源面波法以其抗干扰能力强、分辨率高、受场地条件影响小等特点，在水利水电工程勘察中具有一定的技术优势和良好的应用前景。

被动源面波方法； 工程勘察； 空间自相关法； 横波速度结构

0　引言

随着我国水电工程建设由高潮逐渐走向低谷，国内水电开发和建设重点转向雅鲁藏布江、澜沧江和金沙江上游，国际市场开拓则主要向东南亚、中亚、非洲、拉美等地区集中。这些地区的工程大多处于高山峡谷，所处地区地貌、地质条件特殊复杂，自然环境恶劣，信息资源缺乏，不少地段植被繁茂，山高坡陡，交通不便，重型勘探设备难以到达。这些条件给工程地质勘察、坝址选择、枢纽布置，以及地下工程设计与施工等各方面带来了很大困难。物探方法作为主要勘探手段，在水电工程勘测设计中发挥着重要作用[1]。在大型水电工程的前期工作中，加快勘察速度，提高物探精度和质量，一直是水电物探工程师追求的目标，新的环境和条件给物探工作提出了更高的要求。

在大型水利水电工程勘察中，为了查明坝址区的工程地质条件，除了沿坝址轴线布置少量钻孔，通常在整个坝址区布置物探工作[2]，常采用的方法包括浅层反射波法、浅层折射波法、高频大地电磁测深法、高密度电阻率法等。由于地形条件复杂，钻探工作难度大，特别是在地势陡峻的区段，钻机难以就位，而且钻探工作成本高，周期长。因此，物探工作因其具有轻便、灵活、高效、低成本的特点，越来越受重视。然而，电磁方法由于方法本身的局限性，除了在探测破碎带方面具有一定优势外，难于满足坝址勘察的需要。地震波方法以其较高的分辨率，一直是坝址勘察的首选，但近几年由于国家对炸药的严格控制，以及由于地形条件差无法使用可控震源的情况下，再加上河谷阶地相当差的激发接收条件，浅层反射波法和浅层折射波法的应用也受到了很大限制。

近些年，经过学者们的努力，以地球表面微弱振动为测量目标的被动源面波法受到了广泛地关注[3]。由于被动源面波法不需要震源，且对于当前水电工程勘察具有较好的适应性，我们首次尝试将其用于大型水电工程坝址勘察，这也是首次在高海拔地区复杂地质条件地区的实际工程应用。

1　被动源面波法的原理

在地球表面，无论何时何地都存在一种微弱振动，振幅约为10-4mm～10-2mm，震源来自于自然界和人类活动，前者由风、潮汐、气压变化、火山活动等产生，频率一般小于1 Hz；后者由车辆行驶、机械运行、以及人类日常生产、生活活动等产生，频率一般大于1 Hz。这是一种由体波和面波组成的复杂振动，其中面波能量占信号总能量的70%以上。虽然这种振动的振幅和形态随时间和空间的变化而变化，但在一定的时间和空间范围内具有统计稳定性。通过记录这种振动的垂直分量，从中提取瑞雷波频散信息，可用于推断地下介质的横波速度结构[4]。这种勘探方法在国际上被称为微动方法[5]、被动源面波法[6]，在国内有人称之为天然源面波法[7-9]。我们认为，当主要采用小于1 Hz的信号进行深部结构探测时，震源主要来自于自然界的活动，相对于人工源，可以称为天然源；而当主要采用大于1Hz的信号进行浅部地层探测时，震源主要来自于人类活动，相对于主动源，可以称为被动源。

被动源面波法可以追溯到上世纪50年代，当时Aki[10]就将这种方法用于测定覆盖层速度结构。在随后的几十年中，被动源面波法发展缓慢，直到20世纪90年代中期，凌甦群[11]系统地发展了这种方法，使之从理论走向实用。王振东[12]将这种方法介绍到国内;冉伟彦[13]在天津和北京成功进行了试验。近十年来，这种方法受到了广泛地关注，并在地壳浅部速度结构探测[9,14-17]、地热资源勘察[18-19]、场地效应评价[17,20-21]等领域取得了一些成功应用。

被动源面波法包括数据采集和数据处理两部分。数据采集可以采用二维或与主动源类似的一维观测系统，常用的二维观测系统包括三角形、圆形、十字形、L形等[22]，其中三角形台阵观测系统在同等条件下效果最佳[23]。数据处理主要包括提取瑞雷波频散曲线和频散曲线反演两个步骤，其中提取瑞雷波频散曲线是被动源面波法数据处理的核心。提取瑞雷波频散曲线的方法有两大类：①基于相关分析的空间自相关法(SPAC法)；②基于二维波场变换的频率波数法(F-K法)。与F-K法相比，SPAC法只需较少的接收点就能反映较宽的频率范围，使得同样的台阵尺度能够获得更大的勘探深度，具有更高的工作效率[5]。Aki[10]提出SPAC法，基本原理是假设被动源面波信号是时间t和位置ξ(r,θ)的函数，符合平稳随机过程。某一时段的被动源面波信号可以看成是平稳随机过程的样本函数，设这一样本函数为X(t,ξ(r,θ))。

设地表A(0,0)、B(r,θ)两点的面波信号分别为：

φ))dζ(ω,φ)

(1)

定义A、B两点间的空间自相关函数S(r,θ)为：

(2)

取空间协方差函数的方位平均:

g(ω,0,0)J0(rk)

(3)

定义ρ(ω,r)为角频率ω的空间自相关函数，则

(4)

其中：θ为波的入射角；h0(ω)为中心点的频率-方位密度；J0是第一类零阶贝塞尔函数；rk=2πfr/c(f)为零阶贝塞尔函数的宗量；c(f)是瑞雷波的传播速度[4]。

用SPAC法处理被动源面波数据时，①将实测记录分成若干个数据段，剔除干扰大的数据段，采用中心频率不同的窄带滤波器处理各数据段，提取待分析的频率成分；②对各个频率成分分别计算中心台站与圆周上各台站之间的空间自相关系数并进行方向平均；③拟合不同观测半径的空间自相关系数得到频散曲线[3]。

对于接收台站为直线排列的情况，在求取空间自相关系数时，假定有来自各个方向的波，对波动的传播方向进行积分，而不是对接收点方位角进行积分，能得到同样的结果[22]。

频散曲线反演的方法有很多种，当前使用最多的是遗传算法(GA)[24-25]，作为一种非线性全局最优化方法，GA对初始模型的精度要求不高，而且反演结果比传统的最小二乘法更加稳定可靠。这里采用SPAC法和GA。

2　被动源面波法在水电工程勘察中的应用

2.1工程概况

曲孜卡水电站位于澜沧江上游，西藏自治区昌都地区芒康县境内。坝址控制流域面积为82 100 km2，多年平均流量为671 m3/s。工程以发电为主，工程规模为大(2)型，工程等级二等，水库正常蓄水位为2 345 m，相应库容为0.301 4×108m3，库长约12 km。代表性方案挡水建筑物初拟为混凝土重力坝，坝顶总长度为361.5 m，最大坝高为77.5 m(厂房坝段)，电站总装机容量为405 MW。初拟坝址基本具备修建百米级挡水坝的工程地质条件，但地质条件相对较差。

2.2工程区地质与地球物理特征

工程区两岸山体雄厚，地形陡峻，峰顶均为雪山。初选了上、中、下三个坝址，上、中坝左岸地势陡峻，在河谷较缓一侧，江面以上低高程部位分布Ⅰ级、Ⅱ级阶地，高程为2 330 m和2 350 m，高程部位地形坡度一般为30°～40°；在较陡一侧，地形坡度一般为40°～50°。总体上河谷相对开阔，呈基本对称的“V”字型峡谷。上、下坝址相距约1.4 km。

工程区地质构造条件复杂，顺层挤压明显，岩层揉皱强烈，岩体破碎，完整性差。上、中坝址左岸基岩大面积出露，右岸第四系冲积层较厚，最厚超过45 m；下坝址河床冲积层较薄，厚度小于15 m。工程区近平行发育两条区域性断裂，走向北东，倾向南东，山脊处见倾倒，断裂间最短距离约100 m。断裂以东，下伏基岩为粗粒玄武岩、杏仁状玄武岩等，岩性复杂，均一性差；两断裂之间，下伏基岩为变质砂岩与泥岩互层；断裂以西，下伏基岩为斜长花岗岩。

根据前期的钻探、测井和物探资料，工程区覆盖层主要由砂土、碎石、卵石、砾石、块石组成，地震纵波速度一般为700 m/s～900 m/s，横波速度为300 m/s～500 km/s；花岗岩与玄武岩的地震纵波速度一般为3 500 km/s～5 500 km/s，横波速度为1 500 km/s～4 000 m/s；砂泥岩的地震纵波速度为2 400 m/s～4 500 m/s，横波速度为800 km/s～2 400 km/s。另外，由于测区内覆盖层比较干燥、松散，电阻率相对较高，一般在1 200 Ω·m～2 500 Ω·m之间，而基岩的电阻率相对较低，一般小于1 200Ω·m。

虽然从波速和电阻率方面看，工程区上覆松散层与下伏沉积岩、岩浆岩之间有明显的物性差异，为物探工作的开展提供了有利的地球物理前提，但在实际工作中遇到了诸多困难。由于Ⅰ级、Ⅱ级阶地表层比较松散、干燥，在开展高密度电法工作时，对供电有较大影响，在开展浅层反射波法和浅层折射波法工作时，对激发能量的吸收较大，特别是在不能使用爆炸震源的情况下，难于获得高质量的现场数据。另外，由于电力供电线路和通信线路较多，对高频大地电磁测深法的探测效果有较大影响。

2.3现场数据采集

为了查清工程区地下100 m内的地层结构，共布设10条被动源面波法测线，测点196个，其中4条测线沿坝址轴线或与坝址轴线平行，6条顺河流方向。本次工作数据采集采用了两种观测系统，在河谷阶地上采用三角形台阵观测系统，在河谷陡峻三角台阵布置困难的位置采用直线排列进行观测。

1)三角形台阵观测系统。根据任务要求和现场试验，兼顾工作效率，确定的三角形台阵观测系统如图1所示，10个观测台站，最大三角形边长为20 m；单个直线排列长度为55 m，12个观测台站，5 m道距。

图1　三角形台阵观测系统示意图Fig.1　Triangular array recording geometry chart

采用2 Hz低频检波器接收信号；DAQLink III地震仪记录数据，采样率为2 ms，记录长度为600 s。

2)直线排列观测系统。在曲孜卡水电站工程勘察中，在河谷陡峻地段采用直线排列代替三角形台阵进行被动源面波法勘探。目前，在国内尚未见到采用直线排列进行被动源面波勘探的文献资料；而国外一般采用ReMi方法。ReMi是Refraction Microtremor的缩写，其理论依据是，与排列方向呈斜交到达的波的视速度大于沿排列方向的真速度，因此可以通过在慢度—速度图像上拾取谱率峰值的低缘，获得相速度频散曲线[26]。直线排列的观测系统排列长度为55 m，12个观测台站，5m道距，采用2 Hz低频检波器接收信号，采样率为2 ms，记录长度为600 s。

现场工作中，根据测线桩号确定台阵中心点和直线排列中心点位置，各检波点位置用钢尺测量确定。安置检波器时，确保检波器与地面紧密耦合，并通过监视软件，检查检波器的一致性，保证所有检波器能够正常工作时，方可进行正式观测。另外，在现场观测时还要考虑地形影响，在坡度较大或起伏较大的，应记下高差较大的检波器之间的高度差，以便在数据处理时进行地形校正以提高勘探成果的精度。

2.4资料处理

资料处理的流程包括预处理、提取频散曲线、频散曲线反演和绘制成果图。

2.4.1三角台阵观测资料处理

预处理主要是对数据进行检查，剔除干扰较大的数据段。在曲孜卡水电工程勘察中主要是剔除记录上的水上地震爆炸信号波组。图2为三角台阵系统采集的三种典型原始数据记录，图2(a)记录干扰较小，各频率成分丰富，数据质量良好；图2(b)记录有一定的干扰，但对下步处理结果影响较小，可不对干扰进行处理；图2(c)记录有三组强干扰，为数据采集时记录到的水上地震爆炸信号，需要将干扰剔除。

根据式(3)，空间自相关系数是相速度和频率的函数，将空间自相关系数与贝塞尔函数进行拟合可以得到相速度v(f)。在图3中，图3(a)为空间自相关系数曲线，不同曲线表示不同间距台站记录的计算结果；图3(b)为根据图3(a)中数据拟合得到的频散曲线；图3(c)为拟合计算结果的频散谱，图3(c)中的虚线为图3(b)中频散曲线的另一种表示方式，实线为以手动方式提取的频散曲线；图3(d)为根据图3(c)中手动提取的频散曲线的反演结果。采用手动方式提取频散曲线，可以让有经验的数据处理人员，利用先验信息得到更接近实际的处理结果。

提取频散曲线后，采用遗传算法进行反演计算，得到测点的横波速度结构。在图3(d)中，蓝色折线为初始模型，红色折线为反演结果，括号中的数字为反演得到的地层界面深度和地层横波速度，灰色区域为遗传算法反演时的速度搜索范围，蓝色小十字为将图3(c)中的频散曲线转换到速度—深度域后的频散曲线，红色小十字为由反演结果计算得到的频散曲线。

完成测线上所有测点的反演计算后，可以绘制测线的被动源面波法成果剖面。如图4所示，图4(a)为某一测线上各测点频散曲线的集合，其中蓝色折线为根据频散点计算的视横波速度曲线；图4(b)为根据图4(a)中的视横波速度绘制的视横波速度等值线图，图4(b)中清晰地给出了地层的视横波速度结构。

2.4.2直线排列测资料处理

图5为典型的直排列被动源面波法数据处理结果，与图3(c)和(d)所示的三角形台阵数据处理结果相比，直线排列在高频段(大于10 Hz)有较高的分辩率，而低频段(小于10 Hz)的分辨率相对较低。根据相关文献中ReMi方法的成果资料，与ReMi方法相比，无论是三角形台阵还是直线排列，采用SPAC法进行数据分析处理的被动源面波法都具有更高的分辨率和较小的不确定性。

2.4.3面波频散谱对高速夹层的反映

被动源面波勘探可以探测出垂向高波速夹层和低波速夹层，图6为典型的垂向存在两个高波速夹层记录的频散谱，从图6中可以看出，在15 Hz～24 Hz、28 Hz附近存在两个相对高速夹层，这与实际地质调查时覆盖层之间存在的高速层相对应。

图3　由空间自相关系数导出频散曲线(三角台阵观测系统)Fig.3　Deriving dispersion curve form spatial autocorrelation coefficient(Triangular array)(a)自相关系数曲线；(b)频散曲线；(c)频散谱；(d)反演结果

图4　三角台阵观测系统被动源面波法成果图Fig.4　Passive surface wave method results of triangular array(a)频散曲线集；(b)视横波速度等值线图

图5　直线排列被动源面波法数据处理Fig.5　Passive surface wave method results using linear array(a)频散谱；(b)反演结果

图6　存在高速夹层记录的频散谱Fig.6　Dispersion spectrum of recording affected by high speed interlayer

3　结论与建议

在曲孜卡水电工程勘察中，采用被动源面波方法进行现场数据采集和资料分析处理，基本上查明了工程区地下100 m内地层的横波速度结构，满足了勘探任务要求。这是被动源面波方法首次在大型水利水电工程中的应用，也是首次在国内高海拔地区复杂条件下的应用，而且在应用中首次尝试了直线排列方式，取得了良好的应用效果。

被动源面波法不需要人工震源，利用地表无处不在的微弱振动进行勘探；现场操作简便，而且抗干扰能力强，在各种复杂场地，都能得到良好的应用效果。当在江边开展被动源面波法勘探时，河水流动是一种持续的震源，特别澜沧江上游的无人区这种水量大、水流急的情况是一种有利的震源。与其他物探方法相比，被动源面波法在大型水利水电工程勘察中具有一定的技术优势和良好的应用前景。

根据在曲孜卡水电工程勘察中的应用实践，为被动源面波方法在类似工程中的应用提出以下建议：

1)被动源面波法对数据的一致性要求很高，检波器与地面的耦合情况会极大地影响数据质量，在工作中必须仔细核查，确保数据质量。

2)在难于布置二维排列的场地，可以采用直线排列，建议采用SPAC方法提取瑞雷波频散曲线。

3)被动源面波勘探对垂向高波速夹层和低波速夹层具有较好的效果。

致谢：

加拿大骄佳地球物理软件公司赵东博士对数据处理与解释给予了指导和帮助，在此表示感谢。

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Application of passive surface-wave method for Quzika hydropower damsite exploration

WU Xue-ming1, WANG Chao-fan2, GAO Cai-kun1*,DAI Guo-qiang1, WANG Jun1, ZENG Xian-qiang1

(1.POWERCHINA Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming650041,China;2.North China Institute of Geotechnical Engineering Corporation, Beijing100085,China)

Most of water resources and hydropower project are located in alpine valleys with complex geology. As the main exploration means, geophysical methods play an important role in survey. In recent years, along with beginning to develop the hydroelectric project in the upper reaches, the bigger difficulty raised higher request to geophysical exploration. By recording the vertical component of weak vibration on the earth’s surface, and to extract Rayleigh wave dispersion curve, the passive surface wave method can detect the shear velocity structure of subsurface medium. This paper documents the first application of the passive surface wave method in large-scale water resources and hydropower project. During Quzika hydropower engineering exploration in the upper reaches of Lancang River, using passive surface wave method a thorough investigation of the shear velocity structure was made over the depth of 100m underground in damsite area, and achieved the mission requirements. In addition to deploying the triangular array in valley terrace area, trying to arrange the linear array in steep slope area in the exploration, and using spatial autocorrelation method to extract dispersion curve, obtained favorable results. Based on the research above, with its characteristics of strong anti-interference ability, high resolution, little effect by site conditions, the passive surface wave method have some technical advantages compared with other geophysical methods, and good application prospect in exploration of large-scale water resources and hydropower project.

passive surface wave method; engineering exploration; spatial autocorrelation method; shear velocity structure

2016-03-15改回日期：2016-05-11

云南省科技惠民计划项目(2015RA069)

吴学明(1971-)，男，博士，高级工程师，主要从事工程地球物理方法技术、三维设计与应用方面的研究，E-mail:402766794@qq.com。

高才坤(1964-)，男，博士，主要从事工程物探监测检测，E-mail：Gao_ck@khidi.com。

1001-1749(2016)04-0493-08

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10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.09