面波法在兰溪古城墙工程勘察中的应用

2021-06-21张瑜鹏葛龙进李俊杰

陕西水利 2021年5期

张瑜鹏，荣鑫，葛龙进，李俊杰

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002）

1 引言

兰溪市西门古城墙始建时间无考，为浙江省第七批省级文物保护单位，公布时代为“宋至清”，时代研究信息为“明”。由于西门古城墙西临兰江，自古兼具防洪功能，根据史料记载，城墙屡坏于水，历有修整。该段城墙经历了几百年的风雨洪涝洗礼，曾多次破坏与修复，墙身存在多处渗漏通道，渗流安全存在重大隐患，墙面条石风化较为严重，墙体稳定亦存在安全隐患，亟需保护，因此城市防洪标准的要求，需对其启动城墙保护加固工程。对西门古城墙进行保护加固，就必须对城墙进行必要的工程勘察工作，查明其内部地层特性及墙内土体密实情况等，为加固方案的设计提供可靠的依据。由于古城墙的特殊性、重要性和周围场地环境条件的制约性，传统的勘察方法如钻探、坑探等都为有损探测，不适宜大范围的使用，会导致其未护先损、隐患点多等局面［4-5］。因此整个工程勘察过程中应尽可能以采用无损的勘察方法为主，结合传统勘察方法，尽量减少对古城墙的影响。

面波勘探法利用面波的频散特性和传波速度与岩土物理力学性质的相关性进行探测，具有精度高、易激发、速度快、受场地限制小等特点，对探测目标不会造成损伤，在古城墙这类建筑物的工程勘察中具有非常好的探测优势。

本文主要结合该工程实例，介绍面波勘探法在古城墙工程勘察中测线布置、数据采集等方面的经验，结合传统钻探法成果，以提高整体勘察成果准确性，有效判辨城墙地层工程特性及土体密实情况，说明面波法技术在古城墙工程勘察中的适用性和有效性。

2 面波工作原理

面波技术是基于瑞雷波运动学与动力学特征，利用其频散特性和传波速度与岩土物理力学性质的相关性进行土层划分、研究岩土工程性质的一种物理勘探方法，可以解决诸多的岩土工程问题［1-3］。面波测试原理见图1，面波在地基表面传播具有一个重要特征就是它的频散特性，面波传播速度主要与介质的密度或者介质的松散度、紧密度相关，面波传播会发生频散，即在非均匀介质中，不同频率的瑞雷波其传播速度是不同的。在多层介质中，因岩土层密实度差异较大，面波具有明显的频散特性，利用这一特性可以研究介质的物性变化，对沉积地层进行物性分层，具有较好的分辨率。

图1 瑞雷面波测试原理及解释示意图

3 测线布置及结果分析

3.1 测线布置

在本次兰溪市西门古城墙的勘察过程中，面波勘探法操作严格遵循《水利水电工程物探规程》（SL 326-2005）和《城市工程地球物理探测规范》（GJJ 7-2007）内的技术要求实施，沿城墙顶纵轴线方向布置4条面波测线，共计66个测点，测线距离垛墙内侧约1.0 m～2.0 m。考虑到面波法勘探作为一种间接性的勘探手段，不能直观揭露场地地层，存在解译误差的情况，面波测线的布置与钻探轴线基本一致，以确保有钻探成果与面波测试数据进行对比，按照波速与土（岩）层的对比结果，以测线为单位，解译剖面上的地层状况。

3.2 数据采集与处理

面波测试工作数据采集仪器为湖南岳阳奥成科技有限公司研制的PSW-I型智能面波仪，现场采用天然源+锤击震源单边激发，2.8 Hz检波器，24道采集，采样率1.28 ms，全频接收，道间距2.0 m，每41.9 s存一个文件记录，监测时长不限，根据现场收敛情况确定，一般时长20 min～40 min。

根据对天然源面波原始记录进行组合、建立观测系统，通过空间互相关运算，生成频率-相速度域的频率谱图像；在F-V域对频谱数据进行谱分析，再沿频谱峰值（面波三能量极大值）搜索面波频率相速度，得到相应点的频散曲线（见图2）。通过对整条测线的频散曲线进行拟合，并且基于非线性最小二乘法进行反演后绘制分层面波速度曲线（见图3）。上述数据处理以SW2-SW2’测线14号测点为例。

图2 频散曲线

将面波反演分层与附近钻孔分层对比，具体分层见表1，可以看出，两者结果基本一致，且面波反演分层比钻孔分层更加精细，说明了天然源面波法联合传统钻探法的有效性。

表1 面波反演分层与钻孔分层对比表

3.3 面波测试结果解释

由于兰溪市西门古城墙建成以来历史悠久，部分城墙段存在出险后墙体改造的情况，有新老城墙之分。本次工作所布置的4条面波测线中，SW2-SW2’测线同时跨越了抢险改造段与老城墙，现以该测线剖面为例，对其面波测试结果进行解析，绘制面波影像彩色剖面图（见图4）。

图4 SW2-SW2’面波测试剖面图（图中平距0 m～48 m为抢险改造段，平距48 m～196 m为老城墙段）

全段剖面不同地层深度范围内的土（岩）层剪切波速统计值见表2。

表2 SW2-SW2’剖面不同深度范围内剪切波速统计表

相关的岩土剪切波速工程经验参数见表3。

表3 不同土层剪切波速范围

根据面波影像彩色剖面图及土层剪切波速统计成果，该段城墙平距0 m～48 m段浅部地层总体波速较高，可能为混凝土挡墙或地基处理反映，剪切波速值为225 m/s～715 m/s，平均波速值为437 m/s～510 m/s，其结果符合瑞雷波波速与土体密实度具有较好相关性的结论，即波速越高，介质层的密实度越高，说明经过工程处理后，土体的剪切波速明显增大，密实度有了明显提高，处理效果明显，其与该段于数年前经历过工程抢险改造的事实情况相符；其余段为老城墙，城墙部位填土剪切波速值为200 m/s～350 m/s，稍密为主，局部中密；下部地基土层剪切波速值230 m/s～480 m/s，中密，由上往下密实度越来越好。

结合土（岩）层波速分布关系，在完成钻孔揭露地层状况的基础上，绘制出该段工程地质剖面图（见图5）。

图5 SW2-SW2’钻探结合面波测试绘制的工程地质剖面图

3.4 重型动力触探成果对比

根据现场场地环境条件和面波测试初步判读结果，另考虑到古城墙文物的保护特性，对城墙墙体及墙基土层布置一定量的重型动力触探试验，以结合面波测试结果进行更精确、更全面的分析。每个勘探孔在素填土层根据土层厚度布置了两次重型动力触探试验，砂砾卵石层每次动力触探试验深度间隔约2.5 m～3.5 m。根据国家标准《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）中重型动力触探试验经验，确定土层密实度按重型动力触探试验锤击数分类，由此根据各土层的重型动力触探锤击数判定其密实度，具体见表4。