面波勘探在工程勘察中的应用

朱 鑫

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430000）

在对地球进行勘探研究的过程之中，常规的钻探研究方法受到地质，地貌以及自然环境等多个方面的限制而无法采用，大部分地球勘探技术无法满足地层分层、岩溶以及裂缝等多个方面的技术要求，因此当前阶段需要全新的技术满足地球探测的实际需求。在进行地质勘探的过程之中面波勘探体现出了一系列的优点。人工源面波探测技术对深度较小的地层进行勘探时分辨率较高，但是能够进行准确勘探的深度存在一定的限制[1]。人工源面波探测技术在20世纪60年代时得到了实际的应用，其又分为稳态面波勘探和瞬态面波勘探，现阶段工程技术人员在讨论人工面波勘探技术时一般指瞬态面波勘探。经过几十年的发展，现阶段人工源面波勘探技术和天然源面波勘探技术已经逐步的整合为一个整体并在工程实践之中得到了非常广泛的应用。

1 面波勘探方法原理概述

在物理学之中弹性波在传播的过程之中遭遇到存弹性的分界面时会发生一定的反射和折射现象，与此同时还会产生一定的界面波[2]。从三维观察的角度来讲弹性波遭遇到弹性界面时产生的折射波和反射波是同时存在的且随着时间不断的在三维空间内传播，在学术界将这一类型的波也称之为体波。与体波相对应的是界面波只出现在弹性界面的附近，因此被称之为面波，其主要分为两种：一是勒夫波；二是瑞雷波。瑞雷波是由英国的学者瑞雷在理论分析的过程之中确定的，其特点是振动的幅度随着深度迅速衰减。采用面波进行地球物理勘探的基本原理是面波在沿着地表进行传播的过程之中一个波长内的传播特性体现了地层在水平方向上存在的变化，不同的波长变化特性则反应了不同深度的地质情况。

（1）天然源面波勘探技术。天然源面波勘探技术主要涉及三个方面的知识：一是微动装置，这一装置实质上是接受来自任意方向的面波信号。在进行面波信号收集的过程之中要将微动装置排列为特定的形状。在工程实践之中常见的形状有直线型、圆台型以及L型。二是天然源面波的原理。微动实质上是指一种没有震源的微弱振动，其由P波、S波以及面波组成，其中70%以上的能量信号包含在面波之中。面波之中包含的信息同表层之中的介质具有密切的联系。在对微动过程之中产生的面波信息进行收集之后可以采用数学方法对面波进行描述，并依据相关的地球物理理论和数学理论对面波进行分析进而获取地下的相关介质信息。三是频散分析。实质上频散分析是依据面波信息采集的过程之中微动装置的排列形状选择适宜的处理方法对面波进行分析进而得到一定的地球物理知识。

（2）人工源瞬态面波。在地球物理勘探的过程之中采用瞬态面波探测实质上是借助瑞雷波的特性进行地球物理探测。探测的过程之中选用锤击的方式产生震源，锤击的冲击力将会在一定的范围内形成瑞雷波[3]。相关的研究人员在研究的过程之中发现瑞雷波存在以下几个方面的特征：一是在锤敲击产生震源之后瑞雷波的振幅最大，其所具备的能量最强，具备良好的数据采集条件；二是瑞雷波在不均匀的介质中进行传播时其存在频散特性；三是瑞雷波在传播的过程之中其传播的速度大小同介质的密度存在一定的联系；四是瑞雷波在沿着地表进行传播的过程之中，能量主要聚集在一个波长的范围之内。

2 面波勘探工程实例

（1）天然源面波法。在城市之中进行高架桥建设时，经常由于环境之中存在其他的建筑而无法进行勘察钻孔的布置，但是高架桥在建设时必须明确桥桩基础下方的地质结构以及地质特点。其进行勘探时主要分为以下几个步骤：一是根据现场的实际情况选择合适微动检测装置布置形式，在此基础上选择适宜的探测系统对检测装置检测到的数据进行采集。二是根据采集到的数据对面波传递异常的剖面进行分析，并在分析的过程之中结合相关的资料明确各个地层的基本构成和基本的地质条件。三是布置验证孔，对面波检测的分析结果进行验证，确保分析结果的正确性。

（2）人工源瞬态面波法。在进行高层建筑施工建设之前首先需要进行全面的地质勘探，查明建筑范围内的岩溶发育情况。人工瞬态面波法是常用的勘查区域之内的岩溶发育情况的技术手段，其勘查基本步骤如下：一是安装人工震源激发面波，安装地震仪进行数据的采集。二是对收集到的信息进行处理并形成相关的电阻率切片图等，借助图片对建筑物地下的岩性进行全面准确的分析；三是对收集到的数据信息进行不同高程的平面等值分析，进而明确建筑物地下的岩溶发育情况。

（3）人工源面波与天然源面波联合勘探。人工源面部在勘探的过程之中对于深度较小的区域勘探时具有较高的分辨率，但是由于震源的能量有限，无法对较大的深度实现有效的探测。天然源面波与人工源面波的联合勘探实质上是在同一区域分别进行天然源面波的勘探与人工源面波的勘探，在勘探完成之后借助相关的数据处理软件将两者得到的相关数据整合为一个整体从而全面准确的反应某一区域的地质条件。

现阶段天然源面波与人工源面波联合勘探技术已经在以下几个方面得到了非常广泛的应用：一是矿业开采之中的覆盖层划分；二是地质研究之中的活断层调查；三是在地基建设之中的土壤压实度评估；四是煤矿开采之中的煤柱陷落研究；四是水力建设之中的堤坝病害研究；五是城市地质环境调查研究。同其他的地质勘探技术相比较，天然源面波和人工源面波联合勘探技术操作经济方便，在进行勘探的过程之中不存在重大的风险，且能够有效的抵抗环境之中存在的诸多干扰因素，有效的提升了自身的勘探精度。对各种地球物理勘探技术的特点进行深入全面的分析可以明确的一点是天然源面波与人工源面波联合勘探技术具有巨大的技术优势，在未来必将得到更为广泛的应用。

3 结语

本文简要的论述了面波勘探的基本原理，重点阐述了现阶段在工程实践之中得到大范围应用的天然源面波和人工面波勘探技术。在论述的过程之中明确了面波勘探技术存在的诸多优点和在解决某些特殊问题的过程之中表现出的独一无二的优势。尽管面波勘探技术在工程实践之中体现出了诸多的优势，但是由于其是一种全新的技术，因此尚未得到大范围的应用，希望本文的研究能够推动这一技术在工程实践之中的应用。