瑞雷波频散曲线在勘察中的应用研究

2018-06-13聂洋波褚高强

陕西水利 2018年3期

聂洋波，褚高强，孙荣，余斐

0 前言

从上世纪八十年代初，我国开始进行瑞雷面波在勘察中的应用实践。瑞雷面波技术的应用及研究发展到今天，已经广泛应用于水利、道路、市政、建筑、矿山等各个相关工程领域，取得了一系列的测试和研究成果。瑞雷面波测试可进行地质勘察、空洞探测、强夯检测、液化判别、压实度检测等。国产面波仪也已经从多道瞬态面波仪发展到天然源面波仪，采集道数从24道发展到48道，勘探深度从三十米左右发展到上百米。有关瑞雷面波的规程也从04版更新到17版。但工程勘察人员对面波的使用基本原理的了解比较缺乏。有关面波的数值模拟也在不断发展，2007年周红和陈晓非利用局域离散波法进行局部凹陷地形的瑞雷波传播特性的研究，研究其能量和频散等随地形变化的反应规律，并得出地形越陡峭，面波衰减越快的成果[1]。2015年江峰进行噪声源瑞利面波波场的数值模拟研究，得出噪声源对矩形异常体的分辨能力较好，可以判断异常体的中心位置等结论[2]。本文通过面波原理的学习，建立不同地质模型，利用Fortran语言进行计算和反演，验证半倍波长法勘察的可行性。通过面波测试在塔基和河道中的应用，表明面波测试是一种可行的物探方法。

1 瑞雷波的基本原理

瑞雷波已经广泛应用于工程领域，为了更好的对其加以研究和应用，首先要深入研究其基本原理和勘察测试的基础[3-4]。瑞雷面波只存在于自由表面附近而且其传播主要为沿表面传播，瑞雷面波在介质中的传播规律和特征。它的传播特征是沿表面传播，振幅沿深度方向快速减少的一种地震波，其位移函数可以表达成：

式中，VR为面波波速。上述公式表明了面波振动随深度而变小的规律。

瑞雷面波具有频散特性，这也是其应用于勘探的基础，在同种介质中，瑞雷面波没有频散特性，当介质变化时会发生频散现象，其主要表现为速度随频率的变化而改变。在工程实际勘探中，常表示为速度与深度之间的相关曲线，又称频散曲线，深度与波长之间具有下述关系：

式中：μ为瑞雷面波的波速；f为与瑞雷面波μ相关的频率；z为与瑞雷面波μ及其相关频率f有关的地层深度；β为0.5左右的的一个参数，与勘探深度以及各异的地质条件有关。

2 瑞雷波速模型的建立

通过改变不同地质参数，如纵波波速、横波波速、层厚，密度等，可以建立波速模型，进行频散特性的研究[5]。本文主要是进行了改变层厚和横波波速的模型研究。模型1为改变第1层层厚H的频散曲线模型；模型2为改变第一层横波速度的频散曲线模型,具体参数见表1。

表1 各种参数下的两层介质模型

3 计算结果

模型1:图1是两层地质模型改变第一层厚度（H1）的面波频散模拟。图1（a）表明，瑞雷波速度Vr随频率的增加逐渐减小。在低频段内（1～20 Hz），Vr下降的很快,从 225 m/s下降到90 m/s，而从 20～150 Hz，波速只变化了 10 m/s,在高频时 Vr表现为接近水平的直线。当改变第一层地层厚度（H1）时，随H1增大，频散曲线快速向低频方向移动，移动的速度逐渐变慢，当Vr等于 125 m/s，H1等于 1 至 10 m,频率为 50、25、13、10、8、7、6、5 Hz，随着H1增加，移动速度快速变慢。在高频时，频散曲线中Vr都接近水平直线。图1（b）表明，从Vr-λ曲线可以区分出厚度的变化。当H1增加时，频散曲线向波长增加的方向移动，因此常用半倍波长法解释地层。可以区分不同厚度模型的正演厚度，在低λ时，波速趋近第一层地层的瑞雷波速度（Vr1），在高λ时，波速趋近第二层地层的瑞雷波速度（Vr2），当地层Vr变化时，会在频散曲线上出现拐点，可以根据曲线斜率的变化，作为划分地层的参考。

图1 模型1不同H1时的频散曲线

模型2:图2是对两层地质模型改变第一层横波速度（Vs）的面波频散曲线模拟。图2（a）表明，瑞雷波速度Vr随频率的增加而逐渐减小，在低频段内（1～30 Hz），Vr下降的很快,从235 m/s下降到124 m/s，而高频时Vr表现为接近水平的直线。当Vs1增大时，频散曲线向高频方向移动，移动速度相对稳定。当趋近高频时，Vr仍趋近于直线。随着Vs1进一步增大，Vr1也相应增大，在20 Hz处，Vs1等于100 m/s的地层比Vs1等于80 m/s地层的Vr1增加了20 m/s。由此可见，地层横波速度是影响Vr的重要因素。图2（b）为Vr-λ频散曲线，从图上根据拐点变化同样可以进行地层划分。在低λ时，Vr趋近于第一层介质的Vr，在高λ时，Vr趋近于第2层介质的Vr。当地层Vr变化时，会在频散曲线会发生拐点,对应不同的地层厚度。

图2 模型2数值模拟图

4 工程实例

4.1 闽北国家电网塔基边坡面波测试

4.1.1 工区概况

国家电网闽北段500 kV高压线主要位于三明市和南平市山区，本次在沙县、三明北、青州镇、尤溪、延平等地进行了部分塔基的面波测试。测区内地表层分布较厚的残积土覆盖层，局部岩基出露。整个测区山坡陡峭，地形起伏大，多处于30°～60°之间。

测试目的：用瑞雷面波法对500 kV高压线塔基边坡工程场地进行了检测，在6个塔基附近共布置15个测点进行瑞雷面波测试。通过面波资料处理出的岩土层的瑞雷波速度，结合时域地震记录的分析，并综合踏勘资料，预测了该边坡工程场地地层的厚度划分，为边坡支护设计及施工提供参考依据。

4.1.2 典型测线物探解释

对本测区各岩土层与面波速度对应关系总结如下：

①残积土面波速度Vr≤250 m/s；②全风化泥质砂岩面波速度Vr=240～330 m/s；③强风化泥质砂岩面波速度Vr=330～480 m/s；④中风化泥质砂岩面波速度Vr=480～1400 m/s。179#塔基解释：该塔基经过面波点ZS11、ZS12和ZS13。其中，表层残积土厚度为5.5～6.1 m，面波波速小于240 m/s；残积土厚度变化较大为5.7～11.9 m。下部全风化砂岩面波速度为240 m/s～330 m/s，厚度为3.8～8.1 m。下伏地层强风化砂岩面波速度大于480 m/s。通过面波测试，较好的划分了塔基的地层，克服了山区地形陡峭不便进行勘察的困难，为塔基边坡设计提供了波速、地层厚度等参数。

现场测试表明，面波测试技术可以较好的应用电力行业塔基勘察，通过波速划分地层厚度，提供边坡设计的波速及地层划分等参数。

4.2 浙西江山港河道面波测试

4.2.1 工区概况

江山港位于浙西江山市，为钱塘江上游衢江右岸第一条支流。工程区地貌类型属浙西侵蚀低山丘陵区，四面环山，居中是河谷，为典型的山间沟谷地貌。江山港干流及支流多位于江山港沿线山间构造盆地内，属山间河谷冲积平原，河谷平坦开阔，河床两岸漫滩、阶地发育，河床多出露砂卵石层或岩基。为设计最美河流江山港做好地质，进行了面波测试，获得不同岩土层的剪切波速及场地类别。

4.2.2 典型面波物探解释

面波测试点主要分布在江山港干流贺村段、横渡溪、长台溪。本次试验现场测线布置采用偏移距8 m，道间距1 m，采样间隔0.5 ms，每道采样1024，采用6至24道检波器进行测试。根据面波测试进行剪切波速的换算，得出①1层填土剪切波速Vs=132～270 m/s，④2层砂卵石层 Vs=373～637 m/s；强风化泥质粉砂岩Vs=251～441 m/s；弱风化泥质粉砂岩Vs=419～661 m/s。t通过层厚及剪切波速，判断出场地多属Ⅱ类场地。现场在面波测试点进行钻探验证，钻探表明面波分层效果较好。

现场测试研究表明，面波测试技术可以较好的应用水利工程的河道勘察，通过波速测试和剪切波换算，可以划分场地类别，判断场地类别。