地球物理勘探弹性波法在水利工程地质勘察工作中的应用

吴学林，刘顺

（1.江西省水利规划设计研究院，南昌330029；2.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京100120）

1 引言

工程地质勘察方法主要有工程地质测绘、工程地质勘探、工程地质试验、长期观测及勘察资料内业整理。工程地质勘探主要有物探、钻探及坑探。物探全称为地球物理勘探，是工程地质勘探工作的引导手段，其中的地震勘探及声波探测主要是运用弹性波理论，在水利工程地质勘察工作中进行岩体工程的地质分类和质量评价，地层岩性和地质构造的调查，以及大坝基础工程、地下洞室围岩工程和高边坡工程的稳定性分析[1]。

2 弹性波法的基本原理

弹性波法广泛应用于地球物理、地下探查等工程实践之中，该方法是地球物理探查的核心方法。弹性波指声波和地震波，弹性变形是弹性波在岩体中传播引起的唯一变形形式，特点是传播过程中的低能量损失。地质体在勘探过程中被认为是应力波动场中的弹性介质；勘探震源所激起的弹性波，根据固体介质中的弹性波理论，被划分为3种类型的弹性波：纵波P、横波S、瑞利表面波R，纵波和横波在地质体内部的传播又称为体波[2]。

2.1 勘探原理

激发弹性波的方式分为炸药和非炸药震源；沿布置的测线，用探测仪器测量沿测线不同位置的弹性波、记录弹性波；分析其基本特性、依据其分析结果从而获得勘探地区(段)地下地质信息。实行弹性波勘探，有一定的技术要求和环节，一般有4个步骤：激发弹性波、接收弹性波、处理弹性波和分析弹性波。其中，激发弹性波和接收弹性波2个环节称为勘探数据采集，处理弹性波和分析弹性波2个环节称作勘探数据处理[4]。

根据通信系统的基本原理，勘探弹性波的探测过程可以视为是一个以地层为传输通道的特殊通信系统。视地震源激发的弹性波为通信系统的输入信号，弹性波在地层中传播时，其物理过程包括折射、反射、吸收、干扰及叠加等，弹性波以此承载了地层岩性和地质构造等等信息，所以，弹性波可以看作是承载地层信息的承载体。这种方法是利用弹性波的传播速度随地层产状的不同而发生变化的性质，来描述地层岩性的分界线和地质构造特征，结合了波的传播原理、岩层特性及信号传输的过程，是一个综合的系统。

2.2 勘探的作用

勘探可以解决下列典型的地质问题：（1）松散沉积物的分层：根据波的传播速度不同，对各种类型的松散沉积物较详细地分层；（2）埋深与起伏状态确定：查明覆盖层下的基岩埋深（h）和起伏形态；（3）风化壳厚度及形态确定：查明基岩风化壳厚度和变化形态的分布规律；（4）确定断层基本情况：查明基岩断层、破碎带以及确定断层断距、类型；（5）溶洞基本情况确定：查明隐伏岩溶发育带，确定溶洞位置，确定破碎带宽度和埋深；（6）隐伏溶洞和覆盖层之间因水力联系确定与计算：探明覆盖层中的溶蚀地段；（7）活动断层确定：查明基岩断层在第四系地层的形迹，判断是否是活动断裂。

3 弹性波法在水利工程实践中的应用

我国水利工程众多，地下洞室开挖，基岩稳定性分析，边坡稳定性分析等工程实践对工程地质探查的需求极大。我国从20世纪60年代就开展了弹性波测量工作，目前，弹性波的方法应用于不同领域的工程实践。现在，弹性波检测也已经成为工程测验中的一种措施，在我国许多水利工程实践中得到了应用和推广。

3.1 岩体工程地质分类和质量评价中的应用

弹性波在岩体中波速明显降低是因为不同的岩体性质的组合以及各异复杂的结构面，这使得弹性波在岩体中的速度较之在完整、均匀的弹性介质中慢很多。这表明，不同岩体的基础结构和特性决定了弹性波在此间的传播特性，弹性波在不同岩体中的传播特性也是不一样的。同时，弹性波作为岩石工程地质分类的定量指标，其优势在于弹性波在岩体中的传播速度容易测量，且其物理意义明确。根据有限的资料和工程经验的总结可得表1。

表1 弹性波的岩体工程地质分类

另外，表1中的完整性系数用来评定岩体的质量，即利用岩体的完整性系数I，结构面摩擦系数f，坚强系数S三者的乘积来表示岩体质量的优劣，可得岩体质量系数Z，Z=IfS，确保了对岩体质量评价的同一标准。

3.2 岩土物理力学指标的分析和地质构造的调查

弹性波产生时的传播性质，在不同物理性质的介质环境下，不同种类的弹性波的速度也有所不同，根据固体介质弹性理论，可得如下公式：

1）纵波速度VP：

2）横波速度VS：

3）瑞利表面波速度VR：

式中，E为介质的弹性模量；ν为介质的泊松比；ρ为介质的密度；λ为介质的拉梅常数；G为介质的刚度模量。

同时，应用弹性力学理论可得以上3种波速间的关系：

因此，在获得弹性波波速后，便可由式（1）～式（3）分析不同地层岩土体的物理力学参数。

在野外实践中，推断地质构造的步骤分为：（1）根据工程实际情况确定出合适的直线长度（测线）；（2）弹性波的走行时间：用预先配置好的测波器检测确定测线上各个点位振动传播所需要的时间，并以此作为纵轴；（3）同时以据波源的距离为横轴，这样既可得到时距曲线。然后对时距曲线进行分析。

分析时距曲线主要有2步：（1）时距曲线具体所符合的情况是哪一种，是要通过对现场的地质状况的核实得出结果；（2）依据曲线的切点倾斜程度计算斜率可以确定各层的速度，并开展必要的核算，同一时间也应该核实实测值，以此对理论值进行校正，得到符合实际情况的地质构造分析图。

3.3 稳定性分析在水利工程中的应用

3.3.1 承载力计算与抗滑稳定性分析

坝基（大坝基础）作为岩体结构的时候，应把坝基的抗滑稳定性列入考量范围。依据弹性波法能够推断出岩体结构类型，并在坝基中加入岩体荷载和边界条件等条件因素。更进一步解析坝基岩体滑移的地质模型。同时，对岩体试验结果、滑动面材料组成和结构特征等，结合滑移面进行分析，确定坝基岩体的抗剪强度。

坝基为土体时还应该考虑其承载力，根据工程实践经验和理论数据统计可得表2。

表2 坝基承载力与瑞利表面波的经验关系

3.3.2 地下工程围岩和岩质边坡稳定性分析

水利工程地下为掩体稳定性分析主要包括：（1）如果想要初步推断出岩体的稳定性，可以运用弹性波法对水利工程地下工程中的围岩岩体进行工程地质划分；（2）进一步查明围岩岩体的基础构造，即由断层面、节理裂隙、劈理、软弱夹层和空域附近的边界面相互结合的构造体，并通过各种分析方法和工程实例进一步推断围岩岩体的稳定性；（3）对围岩岩体进行现场原位变形检测或模型原位试验，并根据工程经验确定出围岩的稳定性。

4 结语

水利工程地质调查是一项确保主体工程稳定性与安全性不可或缺且十分重要的一项基础工作，结合先进仪器与技术，探明地质构造对后期稳定性分析提供了基础条件。弹性波法作为物理地下探查法的一种，在探明地下地层岩性和地质构造等方面的工程实践中因其全面性而有着广泛的应用。

弹性波法可以精确探测到地下一定深度的地层和岩性特征。同时，如上所述，它也可以当作地层岩性的物理力学性质的一个表征尺度。

目前，该方法也还存在诸多不完备的方面，例如：（1）当岩体多层重叠时，弹性波测验通常不能准确判断下地层的存在，因为弹性波的速度和地质地层分布的差异关系一般也不一样；（2）如果存在比较薄的地质夹层，则不能确定下地层的存在，容易忽略，并将下地层错认为浅层；（3）倾向斜岩层的深度测定困难；（4）弹性波法也难以辨别对称性的向斜构造和水平构造。

解决上述问题，在于加强弹性波的基本理论探索，结合现有先进技术，改进现有仪器设备，对其探测精度进行提升。