瞬態(tài)面波勘探的研究論文

　　1前言

　　面波勘探，也稱(chēng)彈性波頻率測深，是國內外近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動(dòng)波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。

　　人們根據激振震源的不同，又把面波勘探分為①穩態(tài)法、②瞬態(tài)法、③無(wú)源法。它們的測試原理是相同的，只是產(chǎn)生面波的震源不同罷了。

　　1938年德國土力學(xué)協(xié)會(huì )首次嘗試用穩態(tài)振動(dòng)來(lái)檢測巖土的各種彈性力學(xué)參數。1960年美國密西西比陸軍工程隊水陸試驗所開(kāi)始開(kāi)發(fā)類(lèi)似的技術(shù)方法，但由于當時(shí)技術(shù)條件的限制，均未獲得成功。70年代初美國F·K·Chang等人利用瞬態(tài)激振產(chǎn)生的瑞利波來(lái)研究淺部地質(zhì)問(wèn)題，并于1973年在第42屆國際地球物理勘探年會(huì )上發(fā)表了“RayleighWaveDispersionTechniqueforRapidSubsurfaceExploration”（瞬態(tài)面波在淺層勘探中的應用）論文，報道了有關(guān)的研究成果。在穩態(tài)方面，直到80年代初，日本的VIC株式會(huì )社經(jīng)過(guò)多年的研究試制，推出了GR－810佐藤式全自動(dòng)地下勘探機，才使該項物探技術(shù)在淺層工程勘察工作中得以應用。通過(guò)幾年的實(shí)踐和初步研究，R波在巖土工程勘察中的應用大致分為以下幾個(gè)方面：

　�、挪槊鞴こ虆^地下介質(zhì)速度結構并進(jìn)行地層劃分；

　�、茖�巖土體的物理力學(xué)參數進(jìn)行原位測試；

　�、枪�業(yè)與民用建筑的地基基礎勘察；

　�、鹊叵鹿艿兰奥癫匚锏奶綔y；

　�、傻叵驴斩�、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測；

　�、受浲恋鼗�加固處理效果評價(jià)及飽和砂土層的液化判別；

　�、斯�路、機場(chǎng)跑道質(zhì)量的無(wú)損檢測；

　�、探�河、水庫大壩（堤）中軟弱夾層的探測和加固效果評價(jià)等；

　�、蛨�(chǎng)地土類(lèi)別劃分及滑坡調查等；

　�、螖鄬蛹捌渌鼧嬙鞄У臏y定與追蹤等。

　　2勘探原理

　　面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波（P波）和橫波（S波）不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH波與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波∝r-1）的衰減要慢得多。在傳播過(guò)程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)軌跡呈現一橢圓極化，長(cháng)軸垂直于地面，旋轉方向為逆時(shí)針?lè )较�，傳播時(shí)以波前面約為一個(gè)高度為λR（R波長(cháng)）的圓柱體向外擴散。

　　在各向均勻半無(wú)限空間彈性介質(zhì)表面上，當一個(gè)圓形基礎上下運動(dòng)時(shí)，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計算出來(lái)，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說(shuō)，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會(huì )大大提高。

　　綜合分析表明R波具有如下特點(diǎn)：

　�、旁诘卣鸩ㄐ斡涗浿姓穹�和波組周期最大，頻率最小，能量最強；

　�、圃诓痪鶆蚪橘|(zhì)中R波相速度（VR）具有頻散特性，此點(diǎn)是面波勘探的理論基礎；

　�、怯蒔波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)式為：

　　VR=VS·（0.87+1.12μ）/（1+μ）；式中：μ為泊松比；

　　此關(guān)系奠定了R波在測定巖土體物理力學(xué)參數中的應用；

　�、萊波在多道接受中具有很好的直線(xiàn)性，即一致的波震同相軸；

　�、少|(zhì)點(diǎn)運動(dòng)軌跡為逆轉橢圓，且在垂直平面內運動(dòng)；

　�、蔙波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個(gè)波長(cháng)（λR）尺度范圍內。

　　依據上述特性，通過(guò)測定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質(zhì)構造的有關(guān)性質(zhì)并計算相應地層的動(dòng)力學(xué)特征參數，達到巖土工程勘察之目的。

　　3野外工作方法

　　應用瞬態(tài)法進(jìn)行現場(chǎng)測試時(shí)一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對比和分析。當錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時(shí)，就可以產(chǎn)生一個(gè)寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號的形式向外傳播。當多道低頻檢波器接收到脈沖形振動(dòng)信號后，經(jīng)數據采集，頻譜分析后，把各個(gè)頻率的R波分離出來(lái)，并求得相應的VR值，進(jìn)而繪制面波頻散曲線(xiàn)。

　　當選取兩道檢波數據進(jìn)行反演處理時(shí)，應使兩檢波器接收到的信號具有足夠的相位差，其間距△x應滿(mǎn)足（λR/3）～λR，即在一個(gè)波長(cháng)內采樣點(diǎn)數要小于在間距△x內的采樣點(diǎn)數的3倍，而大于在間距△x內的采樣點(diǎn)數的1倍，該采集濾波原則對于不同的勘探深度及儀器分辨率和場(chǎng)地地層特性可作適當調整。

　　當采用多道檢波數據進(jìn)行反演處理時(shí)，雖然不受道間距公式的約束，但野外數據采集時(shí)也應考慮勘探深度和場(chǎng)地條件的影響。一般來(lái)說(shuō)，當探測較淺部的地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用小的△x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強的高頻信號，即可獲得較好的結果；當探測較深部的.地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用較大的△x值，并用重錘沖擊地面，以產(chǎn)生較低頻率的信號，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達到巖土工程勘察之目的。

　　震源點(diǎn)的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對稱(chēng)激發(fā)，有利于R波的對比、分辨和識別，但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來(lái)說(shuō)，偏移距應根據試驗結果選取。就目前的儀器設備條件和反演技術(shù)水平，選用偏移距20～40m即可獲得較好的測試結果。

　　由多道檢波數據反演處理后可得一條頻散曲線(xiàn)，一般把它作為接收段中點(diǎn)的解釋結果。實(shí)際上該曲線(xiàn)所反映的地層特性為接收段內地層性質(zhì)的平均結果，故當探測場(chǎng)地地下介質(zhì)水平方向變化較大時(shí)，只要能滿(mǎn)足勘探深度的要求，盡量使反演所用的接收段減小，以使解釋結果更具客觀(guān)實(shí)際。

　　4工程應用

　　西部大開(kāi)發(fā)十大項目之一的黃河沙坡頭水利樞紐位于黃河上游干流上，上距待建的大柳樹(shù)壩址12.1km，下距青銅峽水電站122km，行政隸屬寧夏回族自治區中衛縣。主要建筑物由主壩和副壩兩部分組成，其中主壩擬選壩型為混凝土閘壩，最大壩高39.93m，壩長(cháng)358.5m；副壩布置在黃河左岸Ⅰ級階地，擬建壩型為土石壩，壩高5m左右，壩長(cháng)約1.5km。

　　測區地層巖性由上至下依次為：①覆蓋層由全新統風(fēng)積砂壤土、粉細紗和全新統沖洪積砂卵礫石組成；②下伏基巖由棕紅色、紫紅色砂質(zhì)粘土巖組成，局部夾有礫巖。

　　為探測覆蓋層厚度并進(jìn)行地層劃分，采用瞬態(tài)面波進(jìn)行勘探。實(shí)測使用美國R24工程地震儀和4Hz低頻檢波器。室內數據處理使用SFKSWS軟件，其流程為：輸入面波記錄文件→顯示和檢查實(shí)測曲線(xiàn)數據→圈定面波數據窗口→在F—K域搜索確定基階面波頻譜峰脊并拾取頻散數據→按搜索確定的基階面波頻譜峰脊圈定出基階面波頻譜范圍→生成面波頻散曲線(xiàn)→地質(zhì)分層（人工或自動(dòng)）→繪制反演擬合曲線(xiàn)→打印輸出結果。

　　R波在非均勻介質(zhì)中傳播具有頻散特性，所以不同頻率（波長(cháng)）的R波具有不同的傳播速度。模型試驗和實(shí)測結果表明，當探測的巖土層介質(zhì)較為均一時(shí)，R波的相速度隨深度的加大而按線(xiàn)性增加，只有出現不同介質(zhì)的分界面時(shí)，頻散曲線(xiàn)會(huì )出現一個(gè)所謂“Z”字型變化，該變化特征是由于地表接收到的波從上一層漏能型波轉入下一層漏能型面波，且此轉折點(diǎn)與兩介質(zhì)間的界面埋深有密切的關(guān)系，由此可依據實(shí)測頻散曲線(xiàn)的“Z”字型變化點(diǎn)來(lái)劃分地下巖性變化的分界面。

　　圖1面波頻散曲線(xiàn)解釋成果與鉆探結果對比圖

　　圖2面波頻散曲線(xiàn)解釋成果與鉆探結果對比圖

　　圖1、圖2為實(shí)測面波反演解釋結果，其中各圖的右側為隨深度變化的面波頻散曲線(xiàn)，左側為鉆探揭露的地層柱狀圖，其層位的劃分具有良好的一致性，即表層風(fēng)積粉細砂—中部砂卵礫石層—下部基巖。同時(shí)由圖還可以得出：表層風(fēng)積砂的瑞利波速度為150～250m/s，沖洪積砂卵礫石的瑞利波速度為300～400m/s，而下伏基巖（棕紅色、紫紅色砂質(zhì)粘土巖、礫巖等）的瑞利波速度則為440～760m/s，說(shuō)明瑞利波（剪切波）速度隨深度的增加而升高。

　　5存在問(wèn)題

　　雖然面波探測技術(shù)在工程中的應用已很廣泛，但實(shí)際工作中還存在以下問(wèn)題：

　�、抨P(guān)于實(shí)測面波頻散曲線(xiàn)的“Z”字型現象，從理論模型的解析中還不能精確地解釋此現象。因為理論的頻散曲線(xiàn)，在介質(zhì)分界面處只出現折點(diǎn)，對此還需深入研究和數值模擬計算；

　�、茖τ诿娌�勘探深度的確定，目前國內外大多采用半波長(cháng)作為R波的勘探深度，此關(guān)系是一經(jīng)驗公式，但在實(shí)際工作中，應根據場(chǎng)地地質(zhì)條件、探測對象以及孔旁測試對比結果等作適當調整；

　�、菧y試深度相對較淺，一般情況下可靠的測量深度為20～30m，最深不過(guò)50～60m。當測試深度加大時(shí)，震源信號就必須具有足夠的低頻信號，目前尚難滿(mǎn)足此要求。由于低頻時(shí)的R波值很少，使得下部頻散曲線(xiàn)的點(diǎn)相對稀少，所以對解釋精度影響較大。就該問(wèn)題筆者建議由原來(lái)的算術(shù)坐標系改為波長(cháng)為對數的單對數坐標系，可使低頻段頻散點(diǎn)稀少問(wèn)題得以改觀(guān)。

　�、雀鶕�不同的勘測目的和要求，對產(chǎn)生R波的震源需作必要的改進(jìn)和研究，以適應勘察的需要。如用錘子作震源時(shí)其低頻值為10～20Hz左右，而用砂袋作震源時(shí)低頻值為3～10Hz左右。

　　面波勘探作為一種新的淺層地球物理勘探方法，具有簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟、分辨率高、適用場(chǎng)地小、應用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但對面波勘探理論的研究以及實(shí)際應用等有待進(jìn)一步的深入和開(kāi)拓，使之在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結、完善和提高。

　　參考文獻

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