多道瞬态面波技术在水利及岩土工程勘察中的应用

■马祥配

（山东省第八地质矿产勘查院　山东　日照　276826）

多道瞬态面波技术在水利及岩土工程勘察中的应用

■马祥配

（山东省第八地质矿产勘查院山东日照276826）

本文介绍了面波的主要特性和勘探原理,以及资料整理解释方法,最后列举南水北调工程和几个地基勘察工程实例进行了分析。

面波勘探弹性波频散曲线

多道瞬态面波法(以下简称面波法)是中国首创的新兴的岩土勘擦测试技术,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。在自然地震中,面波是一种对建筑物危害极大的地震波,在人工地震勘探中,面波在地震记录中呈扫帚状分布,是一种很强的干扰波,所以早期对面波的研究。近几年,随着计算机的发展和对面波研究的不断深入,利用面波进行勘探得到广泛的应用。

1　面波的主要特性和勘探原理

其具有以下几种主要特性:

（1）面波在自由表面附近传播时,质点在波传播方向的垂直平面内振动,振幅随深度呈指数函数急剧衰减,质点的振动轨迹与波传播的方向或反方向的椭圆轨道运动。（2）面波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数减小,大部分能量损失在二分之一波长的深度范围内,这说明面波某一波长的波速主要与深度小于二分之一波长的地层物性有关。（3）在多层介质中,面波具有明显的频散特性。面波沿地面表层传播,影响表层的深度约为一个波长,因此同一波长的面波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况,不同波长的面波的传播特性反映着不同深度的地质情况。

2　瞬态多道面波的采集方法

在时域内,面波采集的质量好坏,直接影响到计算出的频散曲线。与反射法地震勘探方法相同,瞬态多道面波勘探也存在一个最佳窗口问题。由于弹性波在时间空间域内传播时,其各种波型(直达波、折射波、反射波、声波和面波)均遵循各自的传播规律,瞬态多道面波方法强调:（1）各道采样必须设计排列在面波域内,且采集到足够长的记录。（2）尽量使用采集到的波型单一,即:不使直达波的后续波或反射、拆射波干扰面波,同时避免周围的干扰振动。（3）采集的波形不能失真。

3　仪器及资料整理与解释方法

SW S型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪主要技术参数为:24道,512、1024、2048、4096、8192样点选择,采样率30μs～8ms数档,瞬时浮点放大,A/D转换20bit,信号增强32bit,高、低通滤波、全通,带宽0.5～4000Hz,工控级CPU板80486,RAM8mb或16mb,硬盘容量HD2.1Gb,LCD640×480UGA模式与TFT彩色液晶显示,具并行口和软驱接口,DC12V电源,使用环境-5°～45°。面波勘探采集到的原始资料是面波沿地表传播的振动波形,通过对波形的室内整理、计算和解释,归纳面波特点为:

（1）传播速度低,且只在表层某一深度内传播。（2）只要有波速差异(大于或等于10%)也可以精确进行分辩。（3）在均匀介质中,面波的波速与频率无关,即没有频散特性。（4）面波的波长不同,穿透深度也不同。（5）面波波速近似等于横波波速,并具有相关性,即面波波速与介质的物理力学性质密切相关。

根据面波勘探的上述特点,同时也考虑到面波勘探场地地层纵横向变化因素较多,为了减少斜坡反射干扰,使面波资料能真实反映地面上某一点下面地层垂直变化情况,我们在野外采集过程中,利用已知地质资料,优选测试参数,直到与已知地质资料相吻合。由于面波勘探每一测点需要数道的记录(一般不低于4道),原始资料的整理和解释是一项细致又繁杂的工作,内容包括:①对原始资料进行整理,检查核对,编录；②计算各频率条件下面波的传播速度；③确定面波时间-空间窗口；④在频率-波数域内提取面波；⑤进行频散分析并形成频散曲线图；⑥根据频散曲线的变化,对层数和各层速度的变化范围做出定性解释；⑦进行定量解释,确定各层的厚度,计算各层的横波传播速度 (程序中已把面波波速转化为横波波速)，并对获得结果进行反演拟合解释,直到拟合相关系数满足要求为止；⑧绘制成图片,输入CAD绘图软件,绘制成果表,对资料做出地质解释,对各层的岩土工程性质做出评价,最后绘制物探地质剖面图。

4　面波技术在工程勘察中的应用

SWS型仪器在诸多工程中进行面波勘探,其勘探结果均与钻孔资料或施工开槽资料相比较,定量解释准确、可靠,效果良好。以下列举几个典型实例加以说明:

在南水北调中线工程北京段中的应用。南水北调中线工程是一项跨省市、跨流域的大型工程,在初设阶段,因其规模大,线路长,渠线段按一公里布置一个钻孔,钻孔之间有时能跨越几个不同地质单元,这给地质分层、连接地质剖面带来很大麻烦,为了解决此难题,我们在北京城区段中布置400多个面波勘探点,利用面波资料和钻探资料进行地质分层,连接地质剖面,效果良好,满足地质勘察要求,同时也解决了在砂卵砾石层进行钻探艰难,地层不好划分或不能划分的难题。该点揭露的资料比钻孔揭露的资料更丰富,在卵石层上面,钻孔资料与面波资料相吻合,而在砂卵石地层检测中发现,深度9.5m以下频散曲线明显地分为3层,即为9.5～14.0m,14.0～21.5m,大于21.5m三层。

山西沁新煤焦有限公司60万吨，焦碳2×1.2Mv发电清洁型工程焦炉是沁源县的重点工程,对发展当地经济,提高人民生活水平具有重要的意义。为了查明拟建厂区焦炉中心线的地质情况及存在的不良地质灾害隐患,确保工程质量安全,于2003年11月对焦炉中心线进行了面波勘探工作。目的是:①查明拟建厂区焦炉中心线部位地层分布情况及基岩的埋藏深度。②提供拟建场地20m以上平均等效剪切波速和场地地脉动周期。③根据剪切波速划分拟建场地类别。根据本次面波勘探任务和技术要求,在拟建焦炉中心线共布置了两条面波勘探剖面,各长32m,测量点距20m,完成面波物理点34个。

表1　已知钻孔旁面波勘探推断解释成果表

（1）场地地质概况。拟建场地地形起伏较大,最大高差13.46m，地貌单元属于狼尾河河漫滩及Ⅰ级阶地,土层属洪冲积与坡积成因。地层自上而下分为耕土(Q4ml)、粉质粘土(Q4al)、卵石与含砾粉质粘土互层(Q4pl)、砂岩(P)四个大层。（2）地球物理特征。区内主要分布有第四系黄土和卵石及二叠系砂岩。黄土剪切波速为150m/s～220m/s,坡积物为290m/s～320m/s；不均匀的或分选性差(夹有薄层黄土、砂)的卵石层波速为290m/s～340m/s,卵石层一般为430m/s～465m/s；砂岩在760m/s～810m/s之间。由此可知,地层中不同的岩性在剪切波速上具有明显的差别,在本区采用面波勘探方法具有良好的地球物理前提。（3）成果解释。由面波勘探结果可见,Ⅰ、Ⅱ号剖面勘探成果基本一致,现将已知钻孔旁和Ⅰ号剖面成果解释如下。已知钻孔旁面波成果解释在通风冷却塔已知钻孔旁布置了面波测量点,并进行了不同道距和偏移距的试验工作,确定道间距2.0m,偏移距10.0m～20.0m组合。推断解释结果见表1。

钻孔所揭露的地层岩性结果见下表。

由面波勘探推断成果与钻探结果对照表明,面波勘探成果划分的剪切波速层位多,而钻孔揭露的地层层位相对少,说明了同类岩性的弹性力学性质有差异,主要与卵石中夹有黄土和岩石的风化程度有关。地表黄土与浅部卵石夹土层力学性质相近,波速层位划分与揭露的地层有一定的差别。结合钻孔资料对面波层位进行校正后,弹性力学层与地层基本一致,可以满足工程地质勘察任务的要求。

（4）Ⅰ号剖面成果解释。由Ⅰ号剖面面波勘探成果可知,黄土(包括浅部卵石夹黄土)厚度一般在2.0m左右,局部厚度大,且有一定的起伏,剖面西部坡地位置有残破积物与粘土互层。在中深部以卵石为主,厚度较大,约5m～9m不等,近于水平分布。下部为中分化的砂岩,深部岩石基本完整。总体来看,本区地层剪切波速较大,层位基本稳定,岩石风化程度中等。20m以上场地平均等效剪切波速424m/s,属中硬场地,场地地脉动周期0.3235s。拟建场地焦炉中心线未发现空洞、塌陷等不良隐患地质灾害现象。

面波勘探技术,一方面能准确反映和区分地下不同岩层的界面,指出其精确厚度和各层的波速,探测深度能够满足水利水电工程、工民建工程、市政工程等的需要,另一方面,所测波速能够直接反映岩土的物理力学性质,即通过测试的波速计算场地的类型类别、卓越周期以及各层的标准贯入、承载力等。因此,该方法不仅大大节省投资,而且明显地简化了现场工作程序,缩短勘察周期,提高了工作质量和效率,必将在诸多工程勘察领域发挥越来越大的作用。

[1]常士骠,张苏民.工程地质手册 [M].4版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]单娜琳,程志平,等.工程地震勘探 [M].北京:冶金工业出版社,2006.

[3]刘云帧,梅汝吾,等.JGJ/T143-2004多道瞬态面波勘察技术规程 [S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

F416.9[文献码]B

1000-405X（2016）-9-181-2