面波勘探在工程勘察中的应用

刘艳秋，徐洪苗，王小勇，彭青阳，胡俊杰

（安徽工程勘察院， 安徽合肥 230011）

0 引言

工程勘察过程中，在特殊情况下，由于施工场地受限及地质条件客观影响，对于地层准确分层、岩溶和裂隙的探查等方面，常规钻探方法难以采用，多数地球物理勘探方法又难以达到精度要求，因此迫切需要新的勘探方法来弥补这方面空缺。

面波勘探具有快速、经济、易激发和受场地限制小等优点[1～3]。面波法主要分为天然源面波法和人工源面波法，天然源面波法勘探历史比较悠久，可追溯至20世纪50年代甚至更早，近年来众多学者主要研究由微动提取面波并实用化。人工源面波勘探约始于20世纪六七十年代，先有稳态面波勘探，后有瞬态面波勘探，现在所说的人工源面波法一般是指瞬态面波法[4～5]。天然源和人工源面波勘探虽然各自发展历史悠久，但将二者有效结合的面波勘探在近年来才逐步得到应用。

近年来面波方法已经逐渐应用到岩土工程勘察、第四系分层、堤坝隐患调查、煤矿采空、孤石检测、公路软基勘察、滑坡面调查[6～8]等多个工程物探领域。

1 面波勘探方法原理

1.1 天然源面波法（微动）

1.1.1 微动装置

天然源面波可能来源任何方向，选择有效的观测排列来采集这些来源不明的面波信号是该方法的关键。常用的观测方式有直线型、L型、多重圆观测台阵。多重圆观测台阵是微动单点探测最常用的布设方式，图1为三种观测系统。

1.1.2 天然源面波法（微动）原理

图1 常用面波单点观测台阵示意图Figure 1 Schematic views of common surface wave single-point observation arrays

微动是一种没有特定震源的微弱振动，它是由体波（P波和S波）和面波（瑞雷波和勒夫波）组成的复杂振动，并且面波的能量占信号能量的70%以上，微动中的面波信息与地表介质密切相关，主要提取微动信号的瑞雷波信息。由于面波的频散特性，微动信号具有振幅、频率随时间、空间发生显著变化的特点，但在一定时空范围内仍满足统计稳定性，可用平稳随机过程来描述。微动探测方法是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号提取面波（瑞雷波）的频散曲线，通过对频散曲线的反演获取地下速度结构信息的地球物理探测方法。

1.1.3 频散分析

通常采用空间自相关法（The Spatial Auto-Correlation Method，简称SPAC法[9]）从微动信号的垂直分量中提取瑞雷波频散曲线。首先布设一半径为r0（大小视探测深度而定）的圆形台阵、圆心处设置一台检波器，圆周上等间距的设置若干（至少三台）检波器。将各道微动观测数据经窄带滤波处理，求出不同频率（fi）的空间自相关函数ρ（r0,fi），并由ρ(r0,fi)=J0(xi)求出零阶贝赛尔函数的变量xi，再由Xi=2πfir0/VR(fi) 求出瑞雷波的相关速度VR(fi)，不同的fi与不同的VR(fi)相对应，于是可绘出VR-f频散曲线，最后通过多次反演拟合，求出地层S波速度。

1.2 人工源瞬态面波

人工源瞬态面波勘探是利用瑞雷波的特征进行勘探。弹性波理论分析表明，在层状介质中，瑞雷波是由SV波与P波干涉而形成，其能量主要集中在介质表面附近，能量的衰减与R1/2成正比（R为传播距离），比体波（P波和S波）衰减慢得多。传播过程中，介质的质点运动轨迹为长轴垂直于地面、逆时针方向旋转的极化椭圆，并以高度约一个波长（λR）的圆柱体为波前面向外扩散传播。

1.2.1 瞬态法装置

瞬态法装置如图2所示，采用锤击作震源，锤击时激发一瞬时冲击力，产生一定频率范围的瑞雷波，不同频率的瑞雷波叠加在一起，以脉冲的形式向前传播，因而瞬态法记录的信号要经过频谱分析、相位谱分析，把各个频率的瑞雷波分离开来，从而得到一条VR-f曲线。

图2 人工源瞬态面波法工作示意图Figure 2 Operation schematic view of artificial source transient surface wave method

1.2.2 瑞雷波具有如下特征：

(1) 地震波形记录中，瑞雷波振幅最大，能量最强，周期最长，频率最小，可提供野外较好数据采集分析条件。

(2) 不均匀介质中，瑞雷波相速度具有频散特性，即：瑞雷波的传播速度在不均匀介质中是频率的函数，且随频率的变化而变化。此特性是面波勘探的理论基础。

(3) 瑞雷波速度（VR）与横波速度（VS）具有相关性，相关式为：

式中μ为泊松比。从完整岩石至流塑状土体的面波速度VR≈0.92VS～0.953 VS（VS为弹性波速横波速度）。

即瑞雷波速度主要与介质的密度或介质的松散度、紧密度有关。因此对密实度差异较大的地区进行地层划分方面有较好的分辨率。

(4) 瑞雷波沿地表传播，能量主要集中在距地表一个波长的范围内，可通过测定不同频率的瑞雷波速度了解不同深度介质的性质和计算其相关动物理力学参数。瞬态面波测试方法即是依据瑞雷波的上述特征进行。

1.2.3 频散分析

人工源瞬态面波通常采用频率—波速法（f-k法）[10]，对于时间空间域的二维地震信号d(x,t)，对时间轴和空间轴进行二维傅里叶变换：

就可以得到频率波数域二维信号，由于相速度和频率及波数的关系为：

对频率波数域信号，利用式（2）又可以变换到频率速度域U(f,V)。

用中心频率不同窄带滤波器提取各个频率成分，计算功率谱，最大值对应的波数k=(kx0,ky0)与优势波动信号对应，该信号的传播速度为：

其传播方向为：

这样求出不同频率对应的相速度VR就可以得到一条实测的相速度频散曲线。

在频率波数域中，可以清楚的区分瑞雷波不同模态的波动能量。根据波数和频率的关系k=f/v，计算瑞雷波的相速度。换算出波长，乘以深度系数0.5，即得到此深度的瑞雷波速度。依次求出没一个频率的瑞雷波相速度和深度，绘制频散曲线。

2 面波勘探工程实例

2.1 天然源面波法（微动）

安徽某处拟建高架桥，受铁路干线及周围建筑物影响，无法布置勘察钻孔，为查清拟建高架桥桥基础下方的岩土分层结构及基岩面埋深，在测区范围内进行了天然源面波（微动）测量工作。主要目的是查明拟建桥基础下方岩土体分层结构、基岩面埋深及岩溶发育情况。

2.1.1 数据采集

本次微动工作使用中国科学技术大学研发的GN201微动探测系统进行数据采集，采用三重圆规则台阵方式进行观测，内切圆有小到大半径依次为3m、6m、12m，采样频率250 kHz，采集时间30min。

2.1.2 L1 剖面异常特征

由L1剖面微动Vr-D剖面图（图3）可知，解释地层岩性由上往下依次为杂填土、粉质黏土、混粉质黏土卵石、黏土、大理岩的反映。在水平距13～19m，深度26～30.5m处，呈闭合、半闭合圈状低 速异常反映，解释推测为岩溶发育区。

图3 L1线微动Vr-D剖面图Figure 3 L1 line microtremor Vr-D profile

在2号点的位置处布置了一个验证孔，从右图可以看出，微动分层与钻孔分层基本一致，在深度26.7～32.2m处发现一溶洞，与微动推测岩溶发育也基本一致。

2.1.3 L6剖面异常特征

由L6剖面微动Vr-D剖面图（图4）可知，解释地层岩性由上往下依次为杂填土、粉质黏土、混粉质黏土卵石、黏土、大理岩的反映。在此剖面未发现明显的岩溶发育区。

在1号点的位置处，布置了一个验证孔，从右图可以看出，钻孔分层与微动分层基本一致。

2.2 人工源瞬态面波法

图4 L6线微动Vr-D剖面图Figure 4 L6 line microtremor Vr-D profile

安徽某小区在前期的工程勘察过程中，发现场地内局部地区岩溶发育。在工程施工前需查明场地20～30m深度范围内基岩面起伏及下部岩溶发育情况。在测区范围内进行了人工源瞬态面波工作。

2.2.1 数据采集

本次瞬态面波勘探外业工作使用GS201分布式高精度地震仪进行数据采集，采用人工激发震源，4Hz单分量检波器拾波。采集参数：14道接收、采样间隔0.25ms、记录长度1s、记录延时0ms、道间距2m、偏移距6m，等道间距直线排列观测系统。

2.2.2 空间平面异常特征

由人工源瞬态面波各剖面Y-Z方向电阻率切片图（图5）可以更形象、清晰看出本区地层岩性分布格架。浅部主要为低速，深部为高速，整体表现为由浅至深速度值依次递增的趋势，依次对应岩性分别为第四系覆盖层、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩、灰岩。在剖面大号点的中深部出现不同程度的低速下凹状异常反映，解释推测为基岩裂隙发育或地层接触带的反映。

2.2.3 不同高程平面等值线图异常特征

从视横波速度不同高程X-Y水平方向电阻率切片图(图6)可以看出：该楼整体范围内视横波速度值较高。在场区的东南部呈不规则低速闭合圈、半闭合圈异常，解释推测为基岩裂隙、节理发育；垂向上随深度增加，呈尖灭状分布；横向水平连通性较差，无大面积连通现象。

2.3 人工源面波与天然源面波联合勘探

由于人工源瞬态面波法勘探对浅部地层分辨率较高，但受激发能量限制勘探深度有限，微动勘探深度大，但浅部勘探时存有盲区，所以本次工作采用瞬态面波法与微动联合勘探，可以兼顾浅层分辨率和探测深度，达到探测目的。

图5 人工源瞬态面波各剖面Y-Z方向切片图Figure 5 Y-Z direction slice diagram of each profile of artificial source transient surface wave

图6 不同高程Vs X-Y水平切片图Figure 6 X-Y horizontal slice diagram of different elevation Vs

图7 天然源（微动）与人工源瞬态面波频散合并示意图Figure. 7 Schematic view of natural source (microtremor) and artificial source transient surface wave dispersion merge

2.3.1 天然源（微动）与人工源瞬态面波频散的合并

天然源（微动）与人工源瞬态面波频散合并采用处理软件中的高级面波模块进行数据处理如图（图7）所示，根据合并后频散曲线进行反演分层。

2.3.2 资料处理与分析

安徽某区域环境综合整治工程，需要详细调查测区水文地质及地下水污染状况， 根据场地条件和地层特点，本次物探选用人工源与天然源面波联合勘探，与水文钻孔、工程钻孔相结合，来研判测区地层结构和地层岩性从面波反演分层图（图8）以及面波反演分层与钻孔分层对比表（表1）可以看出，面波反演分层与钻孔分层基本一致，且比钻孔分层更加精细。充分说明了面波联合勘探的有效性，既能对浅部有较高的分辨率，又能兼顾勘探深度。

图8 面波反演分层图Figure.8 Surface wave inversion layering diagram

表1 面波反演分层与钻孔分层对比表Table 1 Comparison table of surface wave inversion layering and drilling layering

3 结语

（1）从以上实例中可以看出，面波勘探在查找岩溶发育、地层分层方面有着明显的优势，它可以解决常规地震方法无法解决的问题，如速度倒转、薄层等问题；由于面波速度接近横波速度，测试精度高；有着设备简单、工作效率高、应用范围广、成本低、效益高、受场地条件限制小等优点，因此面波勘探在工程勘察中有着广阔的应用前景。

（2）目前划分土地类型以及场地类别仍旧依据常规波速测井求取的横波速度值计算划分，由于面波法求取的横波速度和常规波速测井求取的横波速度在数值上有一定的差异，二者是否存在一定的相关性、面波法求取的横波速度值能否直接用于划分场地类别，还需要进一步的研究探讨。