瞬態(tài)瑞 波勘探技術(shù)在南水北調(diào) 套工程中的應(yīng)用

晉鳳明 欒明龍

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100048）

1 前言

瞬態(tài)面波勘探技術(shù)是在20世紀(jì)90年代，在我國才發(fā)展起來的一種工程勘察方法。但通過這幾年的發(fā)展，在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用等方面都取得了可喜的研究成果。

與其他地震勘探方法相比，瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)具有儀器設(shè)備輕便、所需勘探場(chǎng)地較小、所需震源能量較小、較高的地質(zhì)薄層分辨率、較大的勘探深度等優(yōu)點(diǎn)。上述瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)使得其廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘查中，解決淺層地質(zhì)問題，包括覆蓋層分層、覆蓋層厚度探測(cè)、地下空洞及掩埋物探測(cè)，地下不良地質(zhì)體分布范圍確定，地基加固處理效果評(píng)價(jià)等方面。

南水北調(diào)配套工程是為了利用南水北調(diào)引水入京的有利形勢(shì)，做好全市水資源配置的戰(zhàn)略性調(diào)整和全市供水系統(tǒng)空間布局戰(zhàn)略性調(diào)整而建設(shè)的南水北調(diào)工程總干渠至各自來水廠的聯(lián)絡(luò)工程。南水北調(diào)配套工程多以地下鋪設(shè)管道來實(shí)現(xiàn)全市水資源的調(diào)整，在工程施工過程中，多處需要進(jìn)行工程地質(zhì)勘查，以及地下不良體分布的勘查確定。

瞬態(tài)瑞雷波勘探法應(yīng)用于南水北調(diào)配套工程中，可解決如下兩個(gè)方面的淺層地質(zhì)問題：

（1）工程地質(zhì)勘查：利用實(shí)測(cè)的面波頻散曲線，通過定量解釋，可得到各地質(zhì)層的厚度及彈性波的傳播速度，傳播速度的大小直接反映了地層的“軟”“硬”程度。因此，可以對(duì)第四系地層進(jìn)行劃分，確定地基的持力層，還可以對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行評(píng)價(jià)。地層中存在低速度帶反映了地下賦存有軟弱夾層，這類地層對(duì)建筑物易造成危害。面波勘探可方便劃分軟弱夾層的埋深及范圍，為施工過程中方法的選擇及安全設(shè)施的配套提供有利的依據(jù)。

（2）地下空洞及掩埋物探測(cè)：地下空洞以及各種掩埋體，有時(shí)需要準(zhǔn)確地探測(cè)其在地下的賦存位置。用瞬態(tài)面波勘查時(shí)，當(dāng)面波的勘查深度與這些物體的深度相當(dāng)時(shí)，頻散曲線就會(huì)出現(xiàn)異常跳躍。據(jù)此可以確定其埋深及范圍。地下掩埋物（南水北調(diào)配套工程中主要為垃圾體分布）對(duì)工程的施工有很大的影響，對(duì)其的有效勘察可方便施工過程中的安全支護(hù)。

2 瞬態(tài)瑞 波勘探的基本理論21

2.1 基本原理16

地表震源不僅激發(fā)縱波和橫波，同時(shí)由于縱波和橫波的相互干涉疊加，會(huì)出現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換，使地下介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)按一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，形成一種新的能量很強(qiáng)且主要集中在地表附近的波動(dòng)，稱為瑞雷面波。瑞雷波的傳播具有如下特性：

（1）在分層介質(zhì)中，瑞雷波具有頻散特性，即瑞雷波的傳播速度VR是頻率的函數(shù)；而在均勻介質(zhì)中，瑞雷波的傳播速度與振動(dòng)頻率無關(guān)，即無頻散現(xiàn)象。在均勻介質(zhì)中無頻散性和不均勻介質(zhì)引起頻散性這一特性是瑞雷波勘探的物理基礎(chǔ)。

（2）瑞雷波的波長不同，穿透深度也不同。瑞雷波沿地層表層傳播，穿透深度約為一個(gè)波長，當(dāng)深度z為波長λR的一半時(shí)，面波的能量較強(qiáng)，當(dāng)z與λR相當(dāng)時(shí)，面波能量迅速衰減。因此，某一波長的面波速度主要與深度小于λR的地層物性有關(guān)，該特性為利用面波進(jìn)行淺層勘探定量解釋提供了依據(jù)。通常認(rèn)為面波的勘探深度約為半個(gè)波長。

（3）瑞雷波的傳播速度與體波的傳播速度具有相關(guān)性，瑞雷波的傳播速度比體波慢，其速度關(guān)系為：

其中，

vR——瑞雷波速度；

vP——縱波速度；

vS——橫波速度；

μ——泊松比。

（4）在彈性半空間表面上，通過圓形基礎(chǔ)加一個(gè)垂向振動(dòng)力，能量從震源向下輻射，約有 2/3的能量轉(zhuǎn)化為瑞雷面波，只有1/3的能量是由體波攜帶的。這是利用面波進(jìn)行勘探的有利條件。

瑞雷波的上述特性正是其應(yīng)用于地質(zhì)勘查的理論依據(jù)。

2.2 瞬態(tài)瑞 波勘探法

瞬態(tài)面波法勘探利用瞬態(tài)沖擊力作震源激發(fā)面波，地表在脈沖荷載作用下，產(chǎn)生波動(dòng)。在離震源稍遠(yuǎn)處，用傳感器記錄面波的垂直分量。對(duì)記錄的面波信號(hào)作頻譜分析和處理，計(jì)算并繪制頻散曲線，根據(jù)頻散曲線特征分析解決地質(zhì)問題。

面波勘探的核心問題是準(zhǔn)確地獲得不同頻率面波的相速度vC，同一頻率的vC在水平方向上的變化反映出地質(zhì)條件的橫向不均勻性，不同頻率的面波速度 vC的變化則反映出介質(zhì)在深度方向上的不均勻性。

面波相對(duì)于體波而言，其能量較強(qiáng)，速度較低，頻率較低，容易分辨，因此在揭示地下地層結(jié)構(gòu)的物探方法中具有一定的優(yōu)越性。

（1）工作方法：

瞬態(tài)瑞雷面波勘探法是在地面上施加一瞬間沖擊力，在地層表層產(chǎn)生一定頻率范圍的、由多個(gè)簡(jiǎn)諧波組成的瑞雷波，每一個(gè)簡(jiǎn)諧波都以一定的相關(guān)速度vR傳播，vR是頻率f的函數(shù)。在地面上布置多道檢波器進(jìn)行觀測(cè)，記錄面波的垂直分量。為了獲得對(duì)應(yīng)于不同深度的波速，要求震源能產(chǎn)生各種頻率成分的波。測(cè)試淺層時(shí)應(yīng)激發(fā)高頻波，測(cè)試深度大時(shí)則相反。

（2）應(yīng)用條件：

為了獲得較好的瑞雷波資料，在進(jìn)行面波勘探時(shí)，對(duì)工作場(chǎng)地有一定的要求：

①探測(cè)場(chǎng)地地表不宜起伏太大，并避開溝、坎等復(fù)雜地形的影響，相鄰檢波器之間的高差應(yīng)控制在1/2道距長度范圍之內(nèi)，且被探測(cè)地層應(yīng)是層狀或似層狀介質(zhì)。

②被探測(cè)地層與其相鄰層之間應(yīng)存在大于10%的面波波速差異。

③被探測(cè)異常體（透鏡體、洞穴、巖溶、垃圾坑等）在水平方向的分布范圍應(yīng)不小于整個(gè)面波排列長度的1/4。

④單點(diǎn)面波勘探，地層界面應(yīng)較平坦，否則將增大探測(cè)誤差。

（3）資料處理：

瞬態(tài)瑞雷波勘探法的資料處理步驟分為：時(shí)間域-空間域提取面波；對(duì)面波信號(hào)進(jìn)行二維傅里葉變換；建立頻率-波數(shù)域振幅譜等值線；提取面波頻散數(shù)據(jù)；計(jì)算1/2波長并繪制頻散曲線。

3 工程實(shí)例

3.1 場(chǎng)地評(píng)價(jià)

在建造建筑物時(shí)，地下土層巖性的分布類型是很重要的參數(shù)，由于軟土層具有一系列不利的工程性質(zhì)，故在其上建造建筑物時(shí)易發(fā)生或大或小的工程事故。所以在建筑物選址時(shí)，必須充分考慮該場(chǎng)地的土層巖性參數(shù)，以免發(fā)生工程事故。利用面波對(duì)軟土層的探測(cè)，主要是利用面波的兩種特性，即利用面波在分層介質(zhì)中傳播時(shí)的頻散特性和面波傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的密切相關(guān)性。在實(shí)際工作中利用實(shí)測(cè)的面波頻散曲線，可得到各地質(zhì)層的厚度及彈性波的傳播速度，傳播速度的大小直接反映了地層的“軟”“硬”程度。若地層中存在低速度帶，則它反映了地下賦存有軟弱夾層，這類軟弱夾層對(duì)建筑物易造成破壞，影響施工安全。

南水北調(diào)配套工程多處需建設(shè)泵站，為勘查泵站位置的土層類型，我們采用了瞬態(tài)面波勘探法。圖1是某泵站采用瞬態(tài)面波勘探法得到的面波頻散曲線圖，勘探采用24道采集，道距2m，時(shí)窗為1024×0.5ms，震源采用24磅鐵錘激發(fā)，檢波器固有頻率為4Hz，采集用全通濾波檔。參考場(chǎng)地附近的鉆孔資料得到解釋成果圖。

圖1 波點(diǎn) 散曲線資料解使圖

從解釋圖上可以算出該場(chǎng)地土層等效剪切波速為226m/s，依據(jù)《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》，判定該場(chǎng)地類型為中軟場(chǎng)地土，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

3.2 劃分地質(zhì)薄層

常規(guī)物探方法在工程地質(zhì)勘察中對(duì)薄層或軟弱夾層反映極不靈敏，而面波對(duì)地層軟硬變化較敏感，面波的頻散曲線的某些拐點(diǎn)與地層具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可利用這些拐點(diǎn)對(duì)地層進(jìn)行劃分。

圖2 散曲線解譯成果

在南水北調(diào)配套工程某泵站工程中，鉆孔揭露場(chǎng)地表層為填土及砂質(zhì)粉土，其下為卵礫石，而在深度12m左右存在一粘質(zhì)粉土薄層，厚度約半米左右，為評(píng)估其對(duì)工程的影響，需圈定該層的平面分布范圍及大致厚度，我們采用面波法對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行了勘探。勘探采用24道采集，道距2m，時(shí)窗為1024×0.5ms，震源采用24磅鐵錘激發(fā)，檢波器固有頻率為4Hz，采集用全通濾波檔。圖2是典型的頻散曲線解釋成果圖，在深度12.5m上下均有曲線拐點(diǎn)；圖3是測(cè)線剖面成果圖，從圖上可見，在深度12.5m左右有一明顯的低速帶。從圖3可初步了解整個(gè)場(chǎng)地粘質(zhì)粉土薄層的分布情況，然后再利用圖2頻散曲線的拐點(diǎn)，并結(jié)合鉆孔資料對(duì)該薄層的埋深及厚度進(jìn)行了劃分。

圖3 波層 度剖

3.3 第四系覆蓋層厚度勘查

在南水北調(diào)配套工程大寧調(diào)蓄水庫工程中，為了防止水的滲漏，多處需要做防滲墻，這就需要勘查清楚基巖面的情況，也就是第四系地層的覆蓋厚度。為了掌握大寧水庫兩岸的基巖面覆蓋情況，我們分別在兩岸開展多道瞬態(tài)面波勘探技術(shù)。

圖4 大寧右岸某段 波解使成果圖

圖5 大寧左岸某段 波解使成果圖

勘探采用 24道采集，道距 2m，時(shí)窗為 1024×0.5ms，震源采用24磅鐵錘激發(fā)，檢波器固有頻率為4Hz，采集用全通濾波檔。圖4是大寧右岸摘取的一條面波剖面解釋成果圖，圖5是大寧左岸摘取的一條面波剖面解釋成果圖。

分析圖 4，根據(jù)多道瞬態(tài)面波視層速度的分布情況，并參考鉆孔資料綜合分析對(duì)圖4所示面波剖面作出如下分層：①素填土，表層為砂土，其下為回填砂卵礫石，視層速度為180~280m/s，巖層厚度為 3.6~4.2m；②砂土，為砂卵礫石層中的透鏡體，主要成分為中細(xì)砂或粉土，視層速度為160~250m/s，巖層厚度為 0.5~1.6m；③砂卵礫石，視層速度為280~750m/s，巖層厚度為5.0~7.5m；④基巖，主要成分為礫巖或泥巖，巖體較破碎或裂隙發(fā)育，視層速度為750~900m/s，巖層厚度2.5~6.0m；⑤基巖，主要成分為礫巖或泥巖，視層速度大于900m/s，在本剖面中，基巖面較為平坦，巖面高程為40.5~43.0m，第四系地層覆蓋厚度為10m左右。

對(duì)圖 5，根據(jù)多道瞬態(tài)面波視層速度的分布情況并參考鉆孔資料綜合分析，對(duì)該面波剖面作分層：①素填土，主要成分為回填砂土，視層速度為120~250m/s，巖層厚度為 9.0~10.0m；②砂土，主要成分為中細(xì)砂或粉土，視層速度為 160~250m/s，巖層厚度為0.5~1.0m。本剖面中該巖層分布不連續(xù)，局部段該巖層較易判斷；③砂卵礫石，視層速度為250~900m/s，巖層厚度為14.0~26.0m；④基巖，主要成分為礫巖或泥巖，視層速度大于900m/s。在本剖面中，基巖面起伏不大，巖面高程為28.0~33.0m，第四系地層覆蓋厚度為30m左右。為了給出更精確的第四系地層覆蓋情況，可以結(jié)合高密度電法勘探的地層視電阻率分布、高密度地震影像資料及鉆孔資料，得到整個(gè)庫區(qū)第四系地層覆蓋厚度剖面圖。

4 結(jié)語

瞬態(tài)面波勘探技術(shù)不僅能夠準(zhǔn)確反映和區(qū)分地下不同巖層的界面，能夠提供精確厚度和地層的剪切波速，而且所測(cè)剪切波速直接反映巖土的物理力學(xué)性質(zhì)。該方法的應(yīng)用不僅節(jié)省投資，還提高了工作效率。其應(yīng)用于南水北調(diào)配套工程中，解決了場(chǎng)地評(píng)價(jià)，地質(zhì)薄層勘查，第四系覆蓋層厚度勘查等諸多地質(zhì)問題，取得了良好的應(yīng)用效果，而且還簡(jiǎn)化了工作程序，縮短了勘察周期。

但是，面波勘察仍是一種間接勘探方法，在開展面波工作的同時(shí)，還必須結(jié)合常規(guī)工程地質(zhì)勘查手段，才能提高地質(zhì)勘查的目的性、針對(duì)性和有效性，獲得滿意的勘查效果。