多道瞬态面波法在电厂岩土勘察中的应用

吴学银，刘益平，余 涛，王俊超

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

随着社会用电需求越来越大，原有发电厂的改扩建工程也越来越多。受先期电厂建设及周边城市基础设施建设过程中渣土、建筑材料堆填影响，改扩建厂址区表层一般分布人工填土。填土具有成分混杂、性质不均匀等特性，一般不宜作为电厂建筑物的基础持力层，施工时需挖除换填。岩土勘测期间需查明填土厚度，为填土换填量计算提供依据。岩土勘测布置的勘探孔间距约20～30 m，一般难以查清填土分布情况，若全厂区布置填土鉴别孔，则成本高昂且勘测周期长。

瞬态面波法具有技术成熟、施工速度快、分层精度高等特点，通过在南通某拟建电厂厂址区应用瞬态面波法进行填土勘测，辅助填土分层，能提高勘测效率，降低成本，可将该方法作为岩土勘测的重要补充手段。

1 瞬态面波测试简介

1.1 基本原理

在地表激发的地震波主要有横波和纵波，在传播过程中，横波和纵波会叠加形成一种新的能量很强、主要集中在地表附近、沿介质层面滚动传播的波，称为面波，主要有瑞雷波与拉夫波。拉夫波只在水平方向振动，其速度与横波速度相差不大，很难从地震记录上看出，目前的面波勘察采用的是质点在垂直方向振动、速度略小于横波的瑞雷波。

瑞雷波沿地表传播时，其穿透深度相当于它的波长，当深度为波长的一半时，瑞雷波的能量最强，深度与波长相当时，其能量迅速衰减。在各向同性的介质中，各频率下的瑞雷波传播速度相同，在各向异性介质中，不同频率的瑞雷波传播速度不同（即频散效应）。

多道瞬态面波法是通过在地面使用不同振动频率的震源（如炸药、锤击震源），在地表附近激发出不同波长的瑞雷面波，可以得到不同穿透深度的瑞雷波速度值。根据波速值来进行地质分层，从而达到探测的目的［1］。

1.2 野外数据采集及数据处理流程

瞬态面波法野外数据采集时一般采用 12 道或24 道检波器接收信号，排列长度大于目标探测深度，一般来说，用小锤作为激发震源，能产生相对高频面波，采用小的道间距时，可探测较浅部的地层特性；采用重锤震源，能在地表产生相对低频的面波，采用较大的道间距值时，能探测较深部的地层介质特性［2］。检波器一般采用 4 Hz 低频竖向检波器。野外数据采集示意图如图 1 所示。

图1 野外数据采集示意图

瞬态面波数据中除了有效的面波信号外，还有直达波、折射波等干扰信号，数据处理时首先在时间-空间域提取有效面波，通过傅里叶变换将时间-空间域的面波数据转换为频率-波数域中不同模态的波动能量，从而能提取出基阶模态的频散数据合成频散曲线，最后根据频散曲线的拐点进行人工分层、反演拟合，从而获得岩土层厚度及波速值［3，4］。面波数据处理流程如图 2 所示。

图2 多道瞬态面波数据处理流程图

2 工程实例

2.1 工程概况

南通某拟建电厂厂址区原为砖窑厂，后经拆除，原场地内分布有沟、塘，在电厂前期工程建设时已基本被填平，现为荒地，表层堆载有大量建筑垃圾。厂址区表层分布杂填土，填土厚度分布不均匀，混有混凝土碎块、粉煤灰等建筑垃圾，成分混杂，回填时间不等，填土层下部主要为砂土层，状态为一般～较好。

为查明厂区内的填土分布，利用北京水电物探研究所开发的 SWS-6 型 24 道工程地震仪，进行多道瞬态面波勘察。SWS-6 型仪器具有采集叠加功能，数据采集过程对单点数据进行多次采集叠加，压制随机干扰，能大幅度提高地震波记录的信噪比。该仪器主要技术指标如表 1 所示。

表1 SWS-6A 型工程地震仪主要技术指标

图 3 为本工程数据采集采用的 SWS-6A 型工程地震仪，图 4 为 20 kg 重锤和锤击垫块。

图3 SWS-6 A 型工程地震仪

图4 锤击设备及锤击垫块

2.2 测线布置及采集参数设置

本厂区环境条件对面波勘察存在如下不利条件：①表层填土不利于检波器的埋置，检波器与地表土耦合不好，影响接收效果；②测区距离临近已建电厂主厂房较近，测区内正进行钻探作业，厂区道路车辆行人多，震动干扰大。

分析研究以上对数据采集不利的地质与地球物理条件，通过现场数据采集试验，确定解决方案如下：①表层填土松散的地段，利用重锤简单夯实或挖坑埋置检波器，保证检波器与土层耦合；②为了降低周围环境干扰的影响，通过试验确定合适的排列方式，尽量在无车辆通过时进行数据采集，数据质量差时，进行多次叠加采集，提高采集信号的信噪比。

厂区内分布建筑垃圾堆、废弃设备堆场，受此影响，无法进行全厂区面波勘察，根据现场踏勘选线，共布置 6 条测线，如图 5 所示。

图5 面波测线布置图

为了满足勘察技术要求，在正式开展物探工作前，根据场地的实际情况和数据采集试验结果，制定了 2 种观测系统（见表 2）。检波器的固有频率为 4Hz，面波采集采用全通滤波档（即采集时不进行滤波），测点间距统一设置为 5.0 m。

表2 SWS-6A 型工程地震仪主要技术指标

2.3 数据处理、解释及验证

根据图 2 的数据处理流程，使用 SWS 地震面波测深数据处理软件进行面波数据的处理、拟合、解释。

在各测点的处理过程中，在频率-波数域拾取基阶面波能量团后合成的频散曲线普遍存在“之”字形的转折，部分测点的频散曲线不止一个“之”字形转折。根据相关文献中对于“之”字形频散曲线的研究成果，当地层中间存在相对软弱夹层时，面波数据合成的频散曲线一般会出现明显的“之”字形转折，在频散曲线出现“之”字形异常深度处大致对应软弱夹层的位置［5］。

举例来说，本工程 M4 测线的 M422 测点的面波数据经过数据处理后，该测点的频散曲线有 3 个明显的“之”字形转折（见图 6），“之”字形转折分别位于2.40 m、4.30 m、5.40 m 附近，该测点位于钻孔 1C11 处，，根据 1C11 的钻孔成果，2.40 m 处的拐点对应地下水位，4.30 m 与 5.40 m 处的拐点对应层③粉质黏土及层④粉砂的顶界面（见图 7）。层③粉质黏土相对层①杂填土及层④粉砂为相对软弱夹层，根据岩土工程勘察报告，层③层位较为稳定，据此，可根据面波测点频散曲线上的“之”字形拐点来判断层③的层位，以此来确定层①杂填土的埋深。

图6 M4 测线的 M422 测点典型的“之”字形频散曲线

图7 M422 测点处的 1 C11 钻孔分层图

根据各频散曲线的“之”字形拐点特征，一般可认为频散曲线从下往上第一个“之”字形拐点附近为层④顶界面，即层③的底界面，第二个“之”字形拐点附近为层③顶界面，即层①杂填土的底界面。

根据理论研究及模拟计算，“之”字形的出现除了与速度较低的软弱夹层有关外，还与各层介质的厚度、埋深等参数有关，一般情况下，随着软弱夹层厚度的增加和埋深变浅，频散曲线的“之”字形就会由一个变多个，并非一个“之”字形就对应一个软弱夹层，某些情况下，存在软弱夹层，不一定就会出现“之”字形［5］。如图 8 所示，M1 测线的 M103 测点，该测点在 2.60 m 附近有一个“之”字形拐点，该深度对应附近的 1C2 静探孔上2.60m左右的一个软弱夹层（见图 9），但是频散曲线上在层③、层④界面附近未出现“之”字形。如图 10 所示，M1 测线 M106 测点的频散曲线，在 4.30 m 附近有一个明显的“之”字形，该“之”字形对应的应该是层③、层④界面，层①填土与层③界面未出现“之”字形。

图8 M1 测线的 M103 测点频散曲线

图9 M103 测点处的 1C2 静探孔分层图

图10 M1 测线 M106 测点频散曲线

对于测点频散曲线“之”字形不明显、缺失、增多等现象，进行分层时应统筹考虑前后测点分层、附近钻孔分层、分层波速、拟合系数等因素。

将各测点采集结果处理成深度-速度剖面，如图 11 所示的 M4 测线剖面，填土厚度在 3.50 m 左右，与附近的地质剖面 4-4’揭露的填土厚度相似，其他测线数据处理形成的深度-速度剖面揭露的填土也与附近地勘地质剖面吻合。

图11 M 4 测线面波等速度剖面图

3 结语

多道瞬态面波法在电厂岩土勘察中的实际应用取得了良好效果，积累了工程经验，由此得到以下结论和认识。

1）多道瞬态面波法实际采集数据前，建议在已有钻孔附近进行对比试验，确定合适的采集参数。

2）在实际的处理解释工作中，应收集测区钻孔等勘察资料，以辅助拟合分层，减少人为因素影响，特别是频散曲线“之”字形不明显、缺失、增多的测点，应以附近钻孔分层为依据进行分层。

3）数据采集过程中，应采取措施减小噪声干扰，获得高信噪比的数据。

4）多道瞬态面波法具有快速、高效，抗干扰强等优点，在岩土工程勘察中是一种很好的补充手段，起到降本增效的作用。Q