交河故城臺(tái)地土體結(jié)構(gòu)面的面波探測(cè)方法初步研究

內(nèi)容摘要：交河故城臺(tái)地邊緣向內(nèi)20m的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)面大量發(fā)育，嚴(yán)重切割臺(tái)地土體，已成為危害交河故城臺(tái)地穩(wěn)定性的首要隱患。因此，掌握結(jié)構(gòu)面在空間上的發(fā)育特征，成為研究臺(tái)地土體破壞機(jī)理和科學(xué)保護(hù)加固的關(guān)鍵；由于臺(tái)地土體屬于文物的范疇，結(jié)構(gòu)面在空間的發(fā)育特征無(wú)法采取常規(guī)有損的探測(cè)手段，本文利用面波探測(cè)方法對(duì)結(jié)構(gòu)面在空間上的發(fā)育特征進(jìn)行了初步研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，多瞬道面波技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地判別出裂隙的長(zhǎng)度、張開(kāi)度和空間延展形態(tài)，從而為交河故城搶險(xiǎn)加固工程提供了科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：交河故城；結(jié)構(gòu)面；面波探測(cè)；研究

中圖分類(lèi)號(hào)：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106(2007)05-0074-04

前言

交河故城為全國(guó)第一批重點(diǎn)文物保護(hù)單位，坐落在吐魯番西面大約10km處的雅爾乃孜溝旁，是古代西域“城郭諸國(guó)”之一的車(chē)師前國(guó)的都城。歷經(jīng)2000多年戰(zhàn)火和自然作用的洗禮，故城已遭受了嚴(yán)重破壞，尤其是故城臺(tái)地土體在地質(zhì)內(nèi)外營(yíng)力的共同作用下，已經(jīng)處于極度危險(xiǎn)的狀態(tài)。臺(tái)地邊緣結(jié)構(gòu)面密布，卸荷裂隙和節(jié)理最為發(fā)育，大部分卸荷裂隙和節(jié)理共生發(fā)育，相互連通，切割臺(tái)地，形成巨大的不穩(wěn)定體，目前已成為危害交河故城臺(tái)地穩(wěn)定性的首要隱患。因此，如何正確評(píng)價(jià)臺(tái)地裂隙的空間分布特征，關(guān)系到臺(tái)地?fù)尵燃庸坦こ痰目茖W(xué)性和經(jīng)濟(jì)性，但是由于臺(tái)地土體是文物這一特殊性，大型的破壞性鉆探和坑探工程不能運(yùn)用，面波探測(cè)方法以其無(wú)損傷、高精度的特點(diǎn)成為研究的首選。

一 臺(tái)地土體結(jié)構(gòu)面的平面發(fā)育特征

1.1 結(jié)構(gòu)面平面分布特征

臺(tái)地上較為發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要分布在臺(tái)地邊緣向內(nèi)20m范圍內(nèi)，平面分布不均勻。東北邊較西北邊發(fā)育、密集，對(duì)臺(tái)地土體的切割破壞嚴(yán)重。裂隙與臺(tái)地邊緣平行延伸并側(cè)切臺(tái)地，縱橫交錯(cuò)將崖體切割為一面臨空，或后緣裂隙與側(cè)切裂隙貫通將崖體切割為板狀、柱狀、楔狀體等，構(gòu)成有利的破壞邊界。后緣裂隙延伸長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)50m，其中節(jié)理呈“之”字形延伸。卸荷裂隙的發(fā)育與臺(tái)地微地形地貌關(guān)系密切，臺(tái)地轉(zhuǎn)彎處裂隙明顯密集。

1.2 結(jié)構(gòu)面類(lèi)型及特征

臺(tái)地發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要有節(jié)理、卸荷裂隙兩種類(lèi)型，節(jié)理發(fā)育大致歸類(lèi)為三組。卸荷裂隙一組發(fā)育(表1)。節(jié)理以走向25°和走向325°兩組最為發(fā)育；卸荷裂隙，北西走向，均值328°；兩種類(lèi)型結(jié)構(gòu)面的傾角均較為大，近于直立。

1.3 結(jié)構(gòu)面規(guī)模

結(jié)構(gòu)面規(guī)模主要指其長(zhǎng)度或延續(xù)性、切穿性及裂隙深度。通過(guò)平面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，卸荷裂隙長(zhǎng)度呈正態(tài)分布，數(shù)量多，以1-3m和3-5m居多，各占總裂隙的30％以上，最長(zhǎng)可達(dá)50m；其次為5m-10m，占總裂隙的22％；長(zhǎng)度大于10m的占裂隙數(shù)的10％以上；小于1m者僅占1％。多數(shù)延伸長(zhǎng)度大者為與崖體邊緣平行的卸荷裂隙，追蹤節(jié)理發(fā)育，兩組節(jié)理長(zhǎng)度多在1-5m，側(cè)切崖體。

二 結(jié)構(gòu)面立面特征調(diào)查中存在的問(wèn)題

由于臺(tái)地發(fā)育的卸荷裂隙均以較大傾角向下發(fā)育且傾角出現(xiàn)小幅變化，張開(kāi)度也隨著裂隙切割深度呈現(xiàn)一定梯度的遞減變化且臺(tái)地土體四面臨空，構(gòu)成20-30m不等的高大陡直邊坡。因此，裂隙在臺(tái)地面的觀測(cè)深度非常有限，無(wú)法得出裂隙的具體立面延伸長(zhǎng)度，進(jìn)而裂隙在立面的張開(kāi)度變化和充填狀況無(wú)法精確的測(cè)繪或計(jì)算得出。常規(guī)的探測(cè)手段如坑探、鉆探等雖能較為直觀的反映裂隙在空間的發(fā)育特征，但是對(duì)于臺(tái)地的破壞性是巨大而不可逆的，與文物保護(hù)的宗旨和精神背道而馳，因此，一種無(wú)損傷的高分辨率、高精度的探測(cè)和合理的探測(cè)方法成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

三 面波探測(cè)的基本原理

面波探測(cè)也稱(chēng)彈性波頻率測(cè)深。瞬態(tài)面波技術(shù)是利用彈性面波中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低、易識(shí)別測(cè)量的瑞利波進(jìn)行工作，具有儀器設(shè)備輕便，對(duì)探測(cè)場(chǎng)地條件要求低，探測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

面波是一種特殊的地震波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，其能量主要集中在介質(zhì)表面附近，能量的衰減與傳播距離與r成正比，要比體波(P波和s波)衰減慢得多。傳播過(guò)程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為長(zhǎng)軸垂直于地面、逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的極化橢圓，并以高度約一個(gè)波長(zhǎng)(λ_R)的圓柱體為波前向外擴(kuò)散傳播。在瞬態(tài)激震下，地面產(chǎn)生的瑞雷波沿地面?zhèn)鞑?，其穿透深度約為一個(gè)波長(zhǎng)，同一波長(zhǎng)的瑞雷波傳播特征反映了介質(zhì)性質(zhì)在水平方向的變化情況，而不同的波長(zhǎng)則反映了不同深度的地下情況。由于面波的能量主要集中在半波長(zhǎng)以?xún)?nèi)，因此，地面測(cè)得的瑞雷波速度Vr反映的主要是半波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)介質(zhì)的性質(zhì)。

當(dāng)用重錘激振地面時(shí)，利用不同頻率f的瑞雷面波，得到不同深度范圍波速Vr。繪出面波勘探點(diǎn)的Vr-H曲線(即頻散曲線)。由勘察原理可知，頻散曲線上Vr反映的是一定水平范圍及從零到半波長(zhǎng)地層內(nèi)的平均速度。然后通過(guò)Vr-H頻散曲線，反演解釋出不同巖土層的面波波速Vr。利用多個(gè)面波點(diǎn)排列，即可繪制面波波速等值線斷面圖，還可直接利用反演解釋結(jié)果繪制地層推斷解釋圖。

四 面波探測(cè)臺(tái)地土體結(jié)構(gòu)面立面形態(tài)的初步試驗(yàn)

在交河故城臺(tái)地結(jié)構(gòu)面立面測(cè)試條件尚不具備的情況下，選取交河臺(tái)地附近同一時(shí)期2#臺(tái)地一處結(jié)構(gòu)面發(fā)育處(圖1)，該結(jié)構(gòu)面與交河故城臺(tái)地大多數(shù)卸荷裂隙發(fā)育機(jī)制相一致，具有典型的代表意義，按照實(shí)驗(yàn)方案開(kāi)展了面波裂隙測(cè)深的試驗(yàn)工作，以蘇州一光OTS534全站儀與北京水利水電研究所的SWS-1型多功能綜合物探儀組成的聯(lián)合觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作(圖2)。

4.1 面波現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

為取得合適的道間距、偏移距、激震能量、采樣時(shí)間與間隔等采集參數(shù)，在實(shí)測(cè)工作之前，首先進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)多種方案對(duì)比分析，確定了合理的采集參數(shù)，實(shí)測(cè)采用12道檢波器接收，并將檢波器對(duì)稱(chēng)埋置在勘探點(diǎn)一側(cè)，震源點(diǎn)和檢波器沿垂直滑動(dòng)方向在平坦的平臺(tái)排列，測(cè)線沿垂直方向布置，在排列單側(cè)激振。由于本次探測(cè)要求精度高，需要反映淺部詳細(xì)信息，選用28Hz、38Hz、100Hz的檢波器接收，采樣點(diǎn)數(shù)為2048個(gè)，以8磅和0.5重磅激振。為避免丟失面波某一頻段的信息，采用全通檔濾波方式，為增強(qiáng)激發(fā)信號(hào)，提高信噪比，采用5-10次疊加。

4.2 探測(cè)成果的整理、分析與解釋

探測(cè)點(diǎn)布置工作依據(jù)探測(cè)目的及有關(guān)規(guī)程規(guī)范，沿結(jié)構(gòu)面立面延展方向布置面波測(cè)點(diǎn)2個(gè)、測(cè)點(diǎn)間距1m，經(jīng)室內(nèi)整理，匯總分析得到100Hz檢波器接收、0.5m道間距、1m偏移距2048采樣點(diǎn)為探測(cè)該裂隙的最佳方案。據(jù)此解譯采集波形，得到最優(yōu)頻散曲線2組(圖3、4)，并經(jīng)波速反演與正演，得到波速印象彩色圖(圖版17)和面波地質(zhì)剖面各1個(gè)(圖5)。波速印象彩圖和面波解譯地質(zhì)圖較為準(zhǔn)確、直觀地反應(yīng)了該處裂隙L1、L2的立面形態(tài)特征、張開(kāi)度以及與表層土體之間的距離。

4.3 探測(cè)成果的校核

為了驗(yàn)證面波探測(cè)裂隙形態(tài)的可行性與準(zhǔn)確性，探測(cè)后對(duì)探測(cè)裂隙進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖比較，對(duì)比結(jié)果(表2)顯示，面波對(duì)裂隙立面形態(tài)探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，與實(shí)際裂隙發(fā)育情況偏差極小，具有可信度與準(zhǔn)確性。

五 結(jié)論

5.1 交河故城臺(tái)地土體結(jié)構(gòu)面大量發(fā)育，對(duì)臺(tái)地土體的切割破壞嚴(yán)重，構(gòu)成有利于臺(tái)地土體破壞的組合方式，已成為危害交河故城臺(tái)地穩(wěn)定的首要隱患。

5.2 初步面波探測(cè)結(jié)果顯示，面波作為一種無(wú)損傷高精度探測(cè)手段完全滿(mǎn)足卸荷裂隙立面延展形態(tài)精確探測(cè)的研究目的，是臺(tái)地土體結(jié)構(gòu)面空間發(fā)育特征研究的有效手段。

5.3 探測(cè)結(jié)果的正確性關(guān)鍵是研究者對(duì)于研究對(duì)象的理解程度以及合理的探測(cè)方案。

致謝：

本次研究工作得到了敦煌研究院張魯高級(jí)工程師的關(guān)心和支持，在這里對(duì)他表示由衷的謝意。

責(zé)任編輯：齊雙吉