多道瞬態(tài)面波技術(shù)在水利及巖土工程勘察中的應(yīng)用

■馬祥配

（山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院　山東　日照　276826）

多道瞬態(tài)面波技術(shù)在水利及巖土工程勘察中的應(yīng)用

■馬祥配

（山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院山東日照276826）

本文介紹了面波的主要特性和勘探原理,以及資料整理解釋方法,最后列舉南水北調(diào)工程和幾個(gè)地基勘察工程實(shí)例進(jìn)行了分析。

面波勘探彈性波頻散曲線

多道瞬態(tài)面波法(以下簡(jiǎn)稱面波法)是中國(guó)首創(chuàng)的新興的巖土勘擦測(cè)試技術(shù),利用頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性可以解決諸多工程地質(zhì)問題。在自然地震中,面波是一種對(duì)建筑物危害極大的地震波,在人工地震勘探中,面波在地震記錄中呈掃帚狀分布,是一種很強(qiáng)的干擾波,所以早期對(duì)面波的研究。近幾年,隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和對(duì)面波研究的不斷深入,利用面波進(jìn)行勘探得到廣泛的應(yīng)用。

1　面波的主要特性和勘探原理

其具有以下幾種主要特性:

（1）面波在自由表面附近傳播時(shí),質(zhì)點(diǎn)在波傳播方向的垂直平面內(nèi)振動(dòng),振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減,質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡與波傳播的方向或反方向的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。（2）面波的水平和垂直振幅從彈性介質(zhì)的表面向內(nèi)部呈指數(shù)減小,大部分能量損失在二分之一波長(zhǎng)的深度范圍內(nèi),這說明面波某一波長(zhǎng)的波速主要與深度小于二分之一波長(zhǎng)的地層物性有關(guān)。（3）在多層介質(zhì)中,面波具有明顯的頻散特性。面波沿地面表層傳播,影響表層的深度約為一個(gè)波長(zhǎng),因此同一波長(zhǎng)的面波的傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況,不同波長(zhǎng)的面波的傳播特性反映著不同深度的地質(zhì)情況。

2　瞬態(tài)多道面波的采集方法

在時(shí)域內(nèi),面波采集的質(zhì)量好壞,直接影響到計(jì)算出的頻散曲線。與反射法地震勘探方法相同,瞬態(tài)多道面波勘探也存在一個(gè)最佳窗口問題。由于彈性波在時(shí)間空間域內(nèi)傳播時(shí),其各種波型(直達(dá)波、折射波、反射波、聲波和面波)均遵循各自的傳播規(guī)律,瞬態(tài)多道面波方法強(qiáng)調(diào):（1）各道采樣必須設(shè)計(jì)排列在面波域內(nèi),且采集到足夠長(zhǎng)的記錄。（2）盡量使用采集到的波型單一,即:不使直達(dá)波的后續(xù)波或反射、拆射波干擾面波,同時(shí)避免周圍的干擾振動(dòng)。（3）采集的波形不能失真。

3　儀器及資料整理與解釋方法

SW S型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測(cè)儀主要技術(shù)參數(shù)為:24道,512、1024、2048、4096、8192樣點(diǎn)選擇,采樣率30μs～8ms數(shù)檔,瞬時(shí)浮點(diǎn)放大,A/D轉(zhuǎn)換20bit,信號(hào)增強(qiáng)32bit,高、低通濾波、全通,帶寬0.5～4000Hz,工控級(jí)CPU板80486,RAM8mb或16mb,硬盤容量HD2.1Gb,LCD640×480UGA模式與TFT彩色液晶顯示,具并行口和軟驅(qū)接口,DC12V電源,使用環(huán)境-5°～45°。面波勘探采集到的原始資料是面波沿地表傳播的振動(dòng)波形,通過對(duì)波形的室內(nèi)整理、計(jì)算和解釋,歸納面波特點(diǎn)為:

（1）傳播速度低,且只在表層某一深度內(nèi)傳播。（2）只要有波速差異(大于或等于10%)也可以精確進(jìn)行分辯。（3）在均勻介質(zhì)中,面波的波速與頻率無關(guān),即沒有頻散特性。（4）面波的波長(zhǎng)不同,穿透深度也不同。（5）面波波速近似等于橫波波速,并具有相關(guān)性,即面波波速與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。

根據(jù)面波勘探的上述特點(diǎn),同時(shí)也考慮到面波勘探場(chǎng)地地層縱橫向變化因素較多,為了減少斜坡反射干擾,使面波資料能真實(shí)反映地面上某一點(diǎn)下面地層垂直變化情況,我們?cè)谝巴獠杉^程中,利用已知地質(zhì)資料,優(yōu)選測(cè)試參數(shù),直到與已知地質(zhì)資料相吻合。由于面波勘探每一測(cè)點(diǎn)需要數(shù)道的記錄(一般不低于4道),原始資料的整理和解釋是一項(xiàng)細(xì)致又繁雜的工作,內(nèi)容包括:①對(duì)原始資料進(jìn)行整理,檢查核對(duì),編錄；②計(jì)算各頻率條件下面波的傳播速度；③確定面波時(shí)間-空間窗口；④在頻率-波數(shù)域內(nèi)提取面波；⑤進(jìn)行頻散分析并形成頻散曲線圖；⑥根據(jù)頻散曲線的變化,對(duì)層數(shù)和各層速度的變化范圍做出定性解釋；⑦進(jìn)行定量解釋,確定各層的厚度,計(jì)算各層的橫波傳播速度 (程序中已把面波波速轉(zhuǎn)化為橫波波速)，并對(duì)獲得結(jié)果進(jìn)行反演擬合解釋,直到擬合相關(guān)系數(shù)滿足要求為止；⑧繪制成圖片,輸入CAD繪圖軟件,繪制成果表,對(duì)資料做出地質(zhì)解釋,對(duì)各層的巖土工程性質(zhì)做出評(píng)價(jià),最后繪制物探地質(zhì)剖面圖。

4　面波技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用

SWS型儀器在諸多工程中進(jìn)行面波勘探,其勘探結(jié)果均與鉆孔資料或施工開槽資料相比較,定量解釋準(zhǔn)確、可靠,效果良好。以下列舉幾個(gè)典型實(shí)例加以說明:

在南水北調(diào)中線工程北京段中的應(yīng)用。南水北調(diào)中線工程是一項(xiàng)跨省市、跨流域的大型工程,在初設(shè)階段,因其規(guī)模大,線路長(zhǎng),渠線段按一公里布置一個(gè)鉆孔,鉆孔之間有時(shí)能跨越幾個(gè)不同地質(zhì)單元,這給地質(zhì)分層、連接地質(zhì)剖面帶來很大麻煩,為了解決此難題,我們?cè)诒本┏菂^(qū)段中布置400多個(gè)面波勘探點(diǎn),利用面波資料和鉆探資料進(jìn)行地質(zhì)分層,連接地質(zhì)剖面,效果良好,滿足地質(zhì)勘察要求,同時(shí)也解決了在砂卵礫石層進(jìn)行鉆探艱難,地層不好劃分或不能劃分的難題。該點(diǎn)揭露的資料比鉆孔揭露的資料更豐富,在卵石層上面,鉆孔資料與面波資料相吻合,而在砂卵石地層檢測(cè)中發(fā)現(xiàn),深度9.5m以下頻散曲線明顯地分為3層,即為9.5～14.0m,14.0～21.5m,大于21.5m三層。

山西沁新煤焦有限公司60萬噸，焦碳2×1.2Mv發(fā)電清潔型工程焦?fàn)t是沁源縣的重點(diǎn)工程,對(duì)發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì),提高人民生活水平具有重要的意義。為了查明擬建廠區(qū)焦?fàn)t中心線的地質(zhì)情況及存在的不良地質(zhì)災(zāi)害隱患,確保工程質(zhì)量安全,于2003年11月對(duì)焦?fàn)t中心線進(jìn)行了面波勘探工作。目的是:①查明擬建廠區(qū)焦?fàn)t中心線部位地層分布情況及基巖的埋藏深度。②提供擬建場(chǎng)地20m以上平均等效剪切波速和場(chǎng)地地脈動(dòng)周期。③根據(jù)剪切波速劃分?jǐn)M建場(chǎng)地類別。根據(jù)本次面波勘探任務(wù)和技術(shù)要求,在擬建焦?fàn)t中心線共布置了兩條面波勘探剖面,各長(zhǎng)32m,測(cè)量點(diǎn)距20m,完成面波物理點(diǎn)34個(gè)。

表1　已知鉆孔旁面波勘探推斷解釋成果表

（1）場(chǎng)地地質(zhì)概況。擬建場(chǎng)地地形起伏較大,最大高差13.46m，地貌單元屬于狼尾河河漫灘及Ⅰ級(jí)階地,土層屬洪沖積與坡積成因。地層自上而下分為耕土(Q4ml)、粉質(zhì)粘土(Q4al)、卵石與含礫粉質(zhì)粘土互層(Q4pl)、砂巖(P)四個(gè)大層。（2）地球物理特征。區(qū)內(nèi)主要分布有第四系黃土和卵石及二疊系砂巖。黃土剪切波速為150m/s～220m/s,坡積物為290m/s～320m/s；不均勻的或分選性差(夾有薄層黃土、砂)的卵石層波速為290m/s～340m/s,卵石層一般為430m/s～465m/s；砂巖在760m/s～810m/s之間。由此可知,地層中不同的巖性在剪切波速上具有明顯的差別,在本區(qū)采用面波勘探方法具有良好的地球物理前提。（3）成果解釋。由面波勘探結(jié)果可見,Ⅰ、Ⅱ號(hào)剖面勘探成果基本一致,現(xiàn)將已知鉆孔旁和Ⅰ號(hào)剖面成果解釋如下。已知鉆孔旁面波成果解釋在通風(fēng)冷卻塔已知鉆孔旁布置了面波測(cè)量點(diǎn),并進(jìn)行了不同道距和偏移距的試驗(yàn)工作,確定道間距2.0m,偏移距10.0m～20.0m組合。推斷解釋結(jié)果見表1。

鉆孔所揭露的地層巖性結(jié)果見下表。

由面波勘探推斷成果與鉆探結(jié)果對(duì)照表明,面波勘探成果劃分的剪切波速層位多,而鉆孔揭露的地層層位相對(duì)少,說明了同類巖性的彈性力學(xué)性質(zhì)有差異,主要與卵石中夾有黃土和巖石的風(fēng)化程度有關(guān)。地表黃土與淺部卵石夾土層力學(xué)性質(zhì)相近,波速層位劃分與揭露的地層有一定的差別。結(jié)合鉆孔資料對(duì)面波層位進(jìn)行校正后,彈性力學(xué)層與地層基本一致,可以滿足工程地質(zhì)勘察任務(wù)的要求。

（4）Ⅰ號(hào)剖面成果解釋。由Ⅰ號(hào)剖面面波勘探成果可知,黃土(包括淺部卵石夾黃土)厚度一般在2.0m左右,局部厚度大,且有一定的起伏,剖面西部坡地位置有殘破積物與粘土互層。在中深部以卵石為主,厚度較大,約5m～9m不等,近于水平分布。下部為中分化的砂巖,深部巖石基本完整?？傮w來看,本區(qū)地層剪切波速較大,層位基本穩(wěn)定,巖石風(fēng)化程度中等。20m以上場(chǎng)地平均等效剪切波速424m/s,屬中硬場(chǎng)地,場(chǎng)地地脈動(dòng)周期0.3235s。擬建場(chǎng)地焦?fàn)t中心線未發(fā)現(xiàn)空洞、塌陷等不良隱患地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

面波勘探技術(shù),一方面能準(zhǔn)確反映和區(qū)分地下不同巖層的界面,指出其精確厚度和各層的波速,探測(cè)深度能夠滿足水利水電工程、工民建工程、市政工程等的需要,另一方面,所測(cè)波速能夠直接反映巖土的物理力學(xué)性質(zhì),即通過測(cè)試的波速計(jì)算場(chǎng)地的類型類別、卓越周期以及各層的標(biāo)準(zhǔn)貫入、承載力等。因此,該方法不僅大大節(jié)省投資,而且明顯地簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)工作程序,縮短勘察周期,提高了工作質(zhì)量和效率,必將在諸多工程勘察領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

[1]常士驃,張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè) [M].4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[2]單娜琳,程志平,等.工程地震勘探 [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

[3]劉云幀,梅汝吾,等.JGJ/T143-2004多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程 [S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

F416.9[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-181-2