瞬態(tài)瑞雷波法在瀑河水庫(kù)工程中的應(yīng)用

劉國(guó)華

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

瀑河水庫(kù)地跨河北省易縣、徐水縣，位于南水北調(diào)工程總干渠右側(cè)，是南水北調(diào)中線工程向北京、天津供水的調(diào)蓄水庫(kù)較為理想的庫(kù)址，為此確定對(duì)瀑河水庫(kù)進(jìn)行加固處理并擴(kuò)建水庫(kù)規(guī)模。地質(zhì)勘察的主要內(nèi)容之一是了解天然鋪蓋的厚度及有無(wú)透水層（砂、卵石層）。以物探為主要勘察手段，采用瑞雷波勘探方法取得了令人滿意的成果。

1 基本原理及野外工作方法

1.1 基本原理

眾所周知，彈性波在到達(dá)彈性、速度或密度不同的介質(zhì)界面時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生反射波和折射波，而且還會(huì)產(chǎn)生瑞雷波，其具有如下特點(diǎn)：

（1）波動(dòng)質(zhì)點(diǎn)在垂直于波的傳播方向的平面內(nèi)振動(dòng)；

（2）質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡為逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的橢圓，且振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)衰減；傳播速度略小于橫波速度，且具有相關(guān)性；

（3）在分層介質(zhì)中，具有頻散特性。該類(lèi)型波是英國(guó)學(xué)者瑞雷在理論上首先確定的，所以稱(chēng)其為瑞雷波。

瑞雷波沿地面表層由震源向外傳播，其波陣面為圓柱面，同一頻率的瑞雷波速度Vr在水平方向的變化反映出地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同頻率的Vr的變化則反映出不同深度的地質(zhì)情況。在地面上沿波的傳播方向以某一道間距Δx設(shè)置N+1個(gè)檢波器，就可以檢測(cè)到瑞雷波在NΔx長(zhǎng)度范圍內(nèi)的波場(chǎng)，設(shè)瑞雷波的頻率為fi，相鄰檢波器記錄的瑞雷波的時(shí)間差為Δt，則相鄰道Δx長(zhǎng)度內(nèi)瑞雷波的傳播速度為：

在滿足空間采樣定理的條件下，測(cè)量范圍NΔx內(nèi)平均瑞雷波速為：

在同一測(cè)點(diǎn)測(cè)量出一系列頻率fi的Vri值，可以得到 Vr～f曲線，即頻散曲線。Vr～f頻散曲線的變化規(guī)律與地下介質(zhì)條件存在著內(nèi)在的聯(lián)系，通過(guò)對(duì)頻散曲線的反演解釋?zhuān)傻玫降叵履骋簧疃雀浇牡刭|(zhì)構(gòu)造情況和不同深度的瑞雷波傳播速度值。

理論研究表明，瑞雷波的穿透深度約為一個(gè)波長(zhǎng)，即穿透深度與波長(zhǎng)成正比，對(duì)于某一介質(zhì)來(lái)說(shuō)，穿透深度與頻率成反比，即高頻信號(hào)為淺層的反映，低頻信號(hào)則反映較深部的地層情況。因此，瑞雷波勘探的實(shí)質(zhì)為頻率測(cè)深。

1.2 野外工作方法

本次測(cè)試野外采集使用的儀器為美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的SmartSeisTM12工程地震儀，由于使用多道檢波器接收，首先進(jìn)行了檢波器道的一致性檢查，在道的一致性檢查合格后，開(kāi)始進(jìn)行以下附屬設(shè)備和參數(shù)的選擇。

1.2.1 震源方式的選擇

與淺震相同，需要勘探的深度越大，震源激發(fā)的能量就要越強(qiáng)，激振的頻率越低。本次經(jīng)試驗(yàn)使用16磅鐵錘錘擊，保證激發(fā)的能量滿足勘探深度的要求。

1.2.2 檢波器的選擇

為了保證勘探深度，本次使用6道4.8Hz低頻檢波器接收，其能更好地對(duì)較低的頻率信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，在一定程度上起到壓制高頻信號(hào)的作用。

1.2.3 道間距的確定

道間距Δx一般結(jié)合勘探深度確定，勘探深度大，道間距也應(yīng)放大，但不是越大越好，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般道間距應(yīng)小于2倍的勘探垂向分辨率。根據(jù)任務(wù)要求，通過(guò)試驗(yàn)，本次選擇Δx為4m。

1.2.4 偏移距的確定

采集數(shù)據(jù)的道間距和道數(shù)確定后，選擇偏移距實(shí)際就是選擇面波最佳接收地段，根據(jù)試驗(yàn)剖面，最好選取反射波和面波已經(jīng)分離的地段進(jìn)行接收，在高、基階波可能分離的情況下，選取基階面波明顯的接收地段。通過(guò)試驗(yàn)分析，本次選擇的偏移距為4m。

1.2.5 采樣間隔、記錄長(zhǎng)度的確定

采樣間隔與勘探深度有關(guān)，在滿足抽樣定理的前提下，一般勘探深度愈小，采樣間隔也愈小，這樣可以增加低頻段的頻道數(shù)，本次勘探采樣間隔為250μs。采樣長(zhǎng)度以在時(shí)間剖面最后一道開(kāi)始顯示在記錄長(zhǎng)度的1/3～1/2處為宜。

在野外采集時(shí)，嚴(yán)格把住質(zhì)量關(guān)，首先檢波器與地面垂直插入且與地面緊密耦合，其次錘擊時(shí)盡量保持用力均勻、垂直激發(fā)，然后進(jìn)行2次甚至多次疊加以消除聲波、反射波等的干擾，最后獲得信噪比較高的具有 “掃帚”形狀的能量極強(qiáng)的瑞雷波原始記錄，并將其存盤(pán)。

2 資料整理及解釋方法

瞬態(tài)瑞雷波的反演使用的是北京核工業(yè)物化探研究中心開(kāi)發(fā)的SWS3.1A瑞雷波處理軟件。將存入地震儀的瑞雷波數(shù)據(jù)文件拷貝到裝有該軟件的微機(jī)中進(jìn)行處理，其過(guò)程為：裝載文件→監(jiān)視顯示→距離—速度/頻率→波速搜索→深度—速度反演→SWS數(shù)據(jù)文件存盤(pán)。即首先裝入野外采集到的瑞雷波數(shù)據(jù)文件，然后顯示和檢查該數(shù)據(jù)文件，接著設(shè)置距離—速度窗口，在時(shí)間—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，然后在頻率—波速搜索基階瑞雷波組分的波數(shù)頻散數(shù)據(jù)，通過(guò)濾波處理后，對(duì)頻散曲線作地層深度—橫波波速的反演。該反演為人機(jī)互動(dòng)式，一般采用拐點(diǎn)法進(jìn)行速度分層，得到較滿意的結(jié)果后打印并存盤(pán)，否則將反復(fù)進(jìn)行距離—速度窗口的設(shè)定及深度—速度反演，直到滿意為止。

本次反演工作是在對(duì)若干鉆孔處的瑞雷波資料進(jìn)行反演的基礎(chǔ)上展開(kāi)的，通過(guò)對(duì) SBZ2、SBZ4、SBZ6、SBZ8、SBZ10等鉆孔處的瑞雷波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得出橫波速度Vs（利用瑞雷波與橫波的相關(guān)性：Vr=［0.87+1.12σ/（1+σ）］Vs，σ為介質(zhì)的泊松比，反演過(guò)程中已將Vr轉(zhuǎn)化為 Vs，以便對(duì)地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià)）與地層巖性的物性參數(shù)如表1。

按照上面提到的解釋過(guò)程，得出各測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)瑞雷波的頻散曲線，參考物性參數(shù)表進(jìn)行地層劃分。SBZ2孔的鉆探各層厚度與瑞雷波反演解釋的厚度比較如表2。

表1 巖性波速反演成果

表2 SBZ2孔的鉆探與瑞雷波反演比較

從表2可以看到，兩者的分層厚度的相對(duì)誤差均小于6%，瑞雷波分層與鉆孔分層很接近，具有較高的精度。

3 資料成果分析

本次瑞雷波勘探的測(cè)線共布4條，剖面方向?yàn)镾W239°，線距150m，點(diǎn)距50m，每條測(cè)線長(zhǎng)度約2km，剖面編號(hào)從北向南依次為縱Ⅰ到縱Ⅳ，每條測(cè)線的點(diǎn)號(hào)從東以1號(hào)點(diǎn)開(kāi)始編號(hào)，如縱Ⅰ剖面的第5個(gè)測(cè)點(diǎn)為Ⅰ-5，利用瑞雷波處理軟件處理得各測(cè)點(diǎn)的頻散曲線，結(jié)合物性參數(shù)對(duì)照表得勘探成果表，根據(jù)該成果表繪制瑞雷波勘探剖面圖。

從整個(gè)測(cè)區(qū)看：其大的地層結(jié)構(gòu)分為三層即土—砂—卵石，局部有一些碎石土的透鏡體，土層即測(cè)區(qū)的天然鋪蓋在整個(gè)測(cè)區(qū)的北東方向即東莊、曲城村附近較厚，最厚可達(dá)13.5m，為Ⅰ-13號(hào)點(diǎn)；測(cè)區(qū)的南西方向土層較薄，最薄的不到2m，為Ⅰ-27號(hào)點(diǎn)、Ⅲ-34號(hào)點(diǎn)；中間部分的厚度大部分在6～10m，在天然鋪蓋下面分布著一層厚薄不等的砂層，最厚的砂層達(dá)10m左右，Ⅰ-22號(hào)點(diǎn)、Ⅱ-17號(hào)點(diǎn)；最薄的3m左右，Ⅲ-24號(hào)點(diǎn)等；在砂層下均為卵石層。

4 結(jié)論與建議

（1）本次瑞雷波勘探達(dá)到了預(yù)期的目的，為地質(zhì)、設(shè)計(jì)提供了可靠的第一手資料。

（2）庫(kù)區(qū)內(nèi)天然鋪蓋的厚度相對(duì)較薄，最厚的達(dá)13.5m，最薄的2m。

（3）庫(kù)區(qū)內(nèi)天然鋪蓋下均有一層具較強(qiáng)滲透性的砂層，而且在砂層下有一層更具滲透性的卵石層，這是在進(jìn)行水平防滲處理時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵所在。

（4）本次勘察中，對(duì)于10m以內(nèi)的不同巖性的地層分辨率較高，由于當(dāng)各層速度隨深度增大，中間層厚度小于其頂面埋深時(shí)，在頻散曲線上難以發(fā)現(xiàn)該層的存在，這樣就會(huì)有一定埋深的某些薄層互層當(dāng)成一層處理的現(xiàn)象發(fā)生；另外在埋深大于10m的勘探目的層中的低速夾層在頻散曲線上也是很難發(fā)現(xiàn)的。

（5）建議瑞雷波勘探的測(cè)區(qū)內(nèi)再布設(shè)若干鉆孔對(duì)該成果進(jìn)行進(jìn)一步校驗(yàn)。

［1］楊成林.瑞雷波勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，1993.

［2］王振東.淺層地震勘探應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［3］宋先海.瑞雷波勘探理論及其應(yīng)用［M］.北京：水利水電出版社，2010.

［4］祁生文，孫進(jìn)忠，何華.瑞雷波勘探的研究現(xiàn)狀及展望［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2002，17（4）：630-635.

［5］巖土工程手冊(cè)編委會(huì).巖土工程手冊(cè)［K］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.