地震面波映像法在上海海塘結(jié)構(gòu)隱患調(diào)查中的應(yīng)用

王治華

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

地震面波映像法在上海海塘結(jié)構(gòu)隱患調(diào)查中的應(yīng)用

王治華

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

上海海塘由外部堅(jiān)固結(jié)構(gòu)殼包裹吹填砂或黏土筑成，堆填高度7～8m。海塘隱患主要為堤芯的局部疏松和結(jié)構(gòu)殼下部形成的空洞。由于海塘介質(zhì)的電阻率極低，探測(cè)海塘隱患不宜選擇電法、電磁法，而需依靠地震波法。本文對(duì)縱波在海塘中傳播的幾何特征進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，壩體底面產(chǎn)生的反射波和隱患產(chǎn)生的繞射波與直達(dá)波之間時(shí)差太小，不能分辨，表明反射波法不適用于海塘隱患探測(cè)。據(jù)有關(guān)面波數(shù)值模擬結(jié)果，介質(zhì)的橫向變化導(dǎo)致面波的反射、散射，反射面波、散射面波與正向傳播的面波干涉，形成很強(qiáng)的異常波組，利用面波的這一規(guī)律，可以有效探測(cè)海塘隱患。本文介紹的地震面波映像法在調(diào)查海塘隱患時(shí)，采用多道采集，抽取共偏移距面波信號(hào)，利用面波的散射原理分析不同偏移距地震映像剖面，能有效圈定隱患范圍，并獲取隱患的埋深。

地球物理探測(cè)；海塘安全檢測(cè)；地震映像；面波；結(jié)構(gòu)隱患

最初，地震勘探為了采集方便和降低成本，用單個(gè)檢波器來(lái)采集共偏移距反射信號(hào)或折射信號(hào)[1]，以此來(lái)達(dá)到與常規(guī)反射法、折射法勘探同樣的勘探目的，這種方法被引入中國(guó)稱(chēng)為地震映像法。后來(lái)，地震映像法在我國(guó)被廣泛應(yīng)用于探測(cè)淺部不均勻體（如洞穴、管道、巖溶、土壩中白蟻巢、地裂縫與疏松帶等）。

我國(guó)大量采用的地震映像法，其實(shí)是采集縱波單點(diǎn)反射，形成共偏移距道集，根據(jù)異常體的反射特征來(lái)分析異常的空間屬性。然而，在近震源區(qū)，瑞雷面波信號(hào)的能量占比大于70%，特別是在軟土區(qū)，反射波、繞（散）射波均被面波信號(hào)干涉，不易分辨，而面波信號(hào)很強(qiáng)，波場(chǎng)特征明晰可辨。在這種情況下，不宜選擇反射波法，而利用面波對(duì)異常體成像應(yīng)是可行的選擇。

上海海塘高度僅7～8m，一部分為未固結(jié)的吹填砂和沖泥管帶構(gòu)成的新式海塘，一部分為固結(jié)黏土構(gòu)成的老式海塘，隱患主要為堤身中存在的疏松、空洞。對(duì)壩體采用常規(guī)錘擊震源激發(fā)，按照地震反射波原理，在壩基面產(chǎn)生的反射與直達(dá)波疊加干涉，堤身內(nèi)部隱患產(chǎn)生的弱反射信號(hào)不易分辨。而按照面波理論，面波散射信號(hào)發(fā)源于散射點(diǎn)（即隱患點(diǎn)），與正向傳播的面波信號(hào)干涉形成“V”字形，波形清晰，易于分辨。地震面波映像法采用多道（至少12道）、高密度、滾動(dòng)采集，抽取共偏移距道集形成不同偏移距地震映像剖面，利用面波的散射和波散特性分析數(shù)據(jù)，能分別用于獲取海塘隱患的范圍及深度。

1 反射模型

反射模型按照海塘介質(zhì)波速分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震波場(chǎng)幾何建模，如圖1所示。模型第一層厚度8m，縱波波速800m/s，密度1.4g/cm3，代表海塘壩體；第二層厚度10m，縱波波速1200m/s，密度1.6g/cm3，代表壩體下臥層；第三層基底縱波波速1550m/s，密度1.9g/cm3，代表更深地層；在第一層中設(shè)置了一個(gè)直徑2m的圓形體，縱波波速300m/ s，密度0.5g/cm3，模擬疏松隱患；震源點(diǎn)位于橫軸8m位置。地震波模擬主要模擬反射波、折射波、繞射波和首波等，模擬采用的子波頻率為100Hz，模擬方法為射線追蹤法（如圖1a）和有限差分法（如圖1c），并計(jì)算了時(shí)距曲線（如圖1b）。

模型正演所用參數(shù)參照了8m厚度的海塘結(jié)構(gòu)及波速、密度參數(shù)，對(duì)于含水層和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)異常波場(chǎng)過(guò)于復(fù)雜，沒(méi)在模型中體現(xiàn)。圖1(a)、圖1(b)顯示：地震反射法能有效分辨的窗口為偏移距小于20m內(nèi)，該窗口其實(shí)是面波為主導(dǎo)的窗口；圖1(c)顯示第一層底面和第二層底面的反射在40ms以?xún)?nèi)，與首波部分干涉，較難分辨，模擬信號(hào)頻率為100Hz，實(shí)際地震波主頻更低，更難以分辨反射波。可見(jiàn)，在海塘實(shí)施地震映像法不易進(jìn)行反射波法。如采用折射波法，則由于海塘結(jié)構(gòu)體內(nèi)部呈降速特性，折射波不能體現(xiàn)海塘體內(nèi)部的情況，而體現(xiàn)海塘體下臥層的不均勻情況，折射波法同樣不宜用于探測(cè)海塘隱患。

圖1 海塘反射波場(chǎng)建模結(jié)果Fig.1 The refection wave modeling results of seawall

2 面波模型

在1996年，Gucunski等人提出了面波散射，并且指出發(fā)生散射的源點(diǎn)對(duì)應(yīng)地下異常體存在的位置[2]。面波的這種幾何特性一直沒(méi)被很好利用，而更多地被用于獲取地層速度。1999年，Peter M.Manning和Gary F.Margrave采用有限元建模模擬了瑞雷波的反射特性[3]。瑞雷波在均勻介質(zhì)中面波按固定速度傳播；當(dāng)遇到介質(zhì)橫向變化，如從波密介質(zhì)進(jìn)入波疏介質(zhì)則產(chǎn)生面波的反射，進(jìn)入波疏介質(zhì)后波組視速度明顯降低，反之亦然；當(dāng)遇到一定厚度的差異變化，面波產(chǎn)生反射和波散。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，異常厚度越大反射越強(qiáng)，進(jìn)入低速層后波速變化也越大波散越強(qiáng)。

2009年，Zeng Chong等模擬了面波遇到異常體產(chǎn)生的散射現(xiàn)象[4]。當(dāng)?shù)叵麓嬗胁痪鶆蝮w則會(huì)導(dǎo)致面波的散射，異常體中心深度不變，口徑越大，散射波越強(qiáng)，散射波中心對(duì)應(yīng)異常體中心。

通過(guò)以上兩組建模，可以發(fā)現(xiàn)瑞雷面波對(duì)介質(zhì)的橫向不均勻性非常敏感，對(duì)介質(zhì)橫向速度異常和其內(nèi)部存在的異常體，都能以視速度的變化、形成散射波及散射波強(qiáng)度變化來(lái)體現(xiàn)。如通過(guò)對(duì)面波波形、相位及振幅等信息的提取，可獲取地下異常體分布情況。

3 地震面波映像法

3.1 數(shù)據(jù)采集方法

地震面波映像法需區(qū)分采集不同頻段面波信號(hào),因此借鑒多道瞬態(tài)面波法的采集方法，采用多道（至少12道）采集[5]，采集方法的設(shè)定原則如下：

（1）因面波在傳播1個(gè)波長(zhǎng)以后才發(fā)育完全，且單一頻率的面波能量集中在半個(gè)波長(zhǎng)的深度內(nèi)，故排列的最小偏移距、最大偏移距分別為探測(cè)的最小深度、最大深度的2倍左右。

（2）宜采用不同頻率檢波器組成觀測(cè)排列，近震源采用高頻檢波器，隨偏移距增加逐步變換低頻檢波器。

（3）道間距應(yīng)不大于異常體在剖面線上投影長(zhǎng)度的1/2，確保異常體上方至少有1個(gè)檢波點(diǎn)；炮間距不大于最小偏移距的1/2，確保至少有2次激發(fā)讓異常體處于炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)之間。

（4）所選震源及激震點(diǎn)應(yīng)有利于激發(fā)頻帶寬、能量強(qiáng)的面波信號(hào)。

3.2 數(shù)據(jù)分析方法

（1）異常平面位置分析方法

圖2為海塘上垂直于一注漿加固點(diǎn)，采用滾動(dòng)排列獲取的四個(gè)記錄。從圖中可見(jiàn)，散射中心（C1～C4）隨著排列的滾動(dòng)，在地震記錄上對(duì)應(yīng)的位置也呈由遠(yuǎn)及近的變化，四個(gè)記錄共同指向同一個(gè)異常。通常，散射面波（或反射面波）與正向傳播的面波形成V字形，其頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)異常位置。該位置屬于異常的邊界還是頂點(diǎn)，視異常體的形狀、埋深而定，一般而言，方形為邊界，圓形為頂點(diǎn)。

由于面波沿地表方向傳播，抽道形成的地震面波映像剖面，在確定異常的地面投影位置時(shí)，應(yīng)直接根據(jù)出現(xiàn)異常的檢波點(diǎn)位置而定，而無(wú)需考慮偏移距的影響。另外，如采用端點(diǎn)放炮，獲取的是面波對(duì)異常的單向成像；如采用中間放炮或?qū)y(cè)線做正反向觀測(cè)，可形成面波對(duì)異常的雙向成像，對(duì)提高定位精度有作用。

圖2 面波法記錄對(duì)比圖Fig.2 Comparison records of surface wave method

（2）異常埋深的估算方法

映像記錄是將滾動(dòng)連續(xù)采集記錄，按順序抽取的共偏移距道集。圖3為抽取的不同偏移距面波映像記錄的時(shí)間剖面圖，剖面沿海塘走向，跨越一根管道和注漿加固區(qū)。

管道和注漿固結(jié)體在不同偏移距剖面上呈現(xiàn)如下差異特征：（1）小偏移距剖面呈現(xiàn)的異常寬度較小，大偏移距剖面呈現(xiàn)的異常寬度大，即異常寬度?d6m＜?d13m＜?d21m；（2）注漿加固區(qū)產(chǎn)生的異常波組（A1、A2、A3）在小偏移距剖面呈現(xiàn)波組錯(cuò)位最大，大偏移距剖面呈現(xiàn)的波組錯(cuò)位逐步減弱至消失，即?ω6m＞?ω13m＞?ω21m；（3）管道產(chǎn)生的散射波組在偏移距13m的剖面圖上顯示最清晰，即B2最強(qiáng)，B1最弱。

綜上分析，可得出推論：地震面波映像法獲取不同深度的信息需要采用不同的偏移距來(lái)實(shí)施，獲取淺部信息用小偏移距，獲取深部信息用較大偏移距，合適的偏移距需根據(jù)異常體的埋深來(lái)選擇；反之，通過(guò)找準(zhǔn)合適的偏移距可推測(cè)異常體的深度。這是地震面波映像法進(jìn)行異常深度解釋的一種方法。

該方法具體運(yùn)用的簡(jiǎn)單推算：如埋深7m的排水管道在不同偏移距剖面顯示最強(qiáng)的為偏移13m，偏移距與深度的轉(zhuǎn)換系數(shù)估算為：δp→h=7/13=0.54；圖3(c)顯示注漿異常已趨于消失，故可估算注漿深度為21×0.54=11.34（m）。該推算結(jié)果與實(shí)際情況接近。

盡管這種方法目前還缺乏準(zhǔn)確的理論計(jì)算關(guān)系，但合適的偏移距與面波波長(zhǎng)相關(guān),該方法經(jīng)過(guò)實(shí)踐總結(jié)，對(duì)計(jì)算關(guān)系進(jìn)行修正，可作為地震面波映像法估算深度的方法。

圖3 地震映像時(shí)間剖面圖Fig.3 Seismic imaging time profles

常深度估算方法是根據(jù)面波成份的頻率，進(jìn)行異常的深度解釋。圖4是在單炮采集（圖2）的基礎(chǔ)上沿海塘走向?qū)⑵?m的地震道集成的剖面。圖4(a)剖面進(jìn)行了30Hz低通濾波，從圖中可見(jiàn)，低頻部分波組未出現(xiàn)劇烈變化，相位有小于1/4周期變化，波組強(qiáng)度出現(xiàn)小范圍強(qiáng)弱變化，說(shuō)明注漿區(qū)對(duì)低頻成份仍有影響，但程度降低較大。該區(qū)域面波速度為160～170m/s，按面波傳播影響的深度為1個(gè)波長(zhǎng)計(jì)，該頻段的面波反映5.6m以深地層的特征，說(shuō)明該區(qū)域深度大于5.6m注漿加固程度減弱。比較而言，圖4(b)顯示，經(jīng)過(guò)50Hz高通濾波，剖面中部出現(xiàn)波組“錯(cuò)位、上拉”特征，證明其波速高于周?chē)橘|(zhì)波速，為注漿區(qū)形成的硬化地層，根據(jù)該頻段波長(zhǎng)，故估算注漿區(qū)在3.4m以淺地層受到完全加固處理。

圖4 海塘調(diào)查試驗(yàn)（偏移6m）地震映像剖面圖Fig.4 Seawall survey test seismic refection profle (offset 6m)

如對(duì)原始剖面進(jìn)行逐頻帶分析，發(fā)現(xiàn)剖面上異常分布的范圍隨頻率的變化而變化：異常波組頻率低對(duì)應(yīng)的異常埋深大，異常波組頻率高對(duì)應(yīng)的異常埋深小。總之，基于面波頻散特性，從異常波組頻率分析可估算異常的埋藏深度。

4 結(jié)語(yǔ)

海塘結(jié)構(gòu)隱患探測(cè)因勘探深度極淺，堤身為單一松散介質(zhì)，采用地震面波映像法非常合適。地震面波映像法在判斷異常體深度時(shí)，依據(jù)面波的能量集中在一個(gè)波長(zhǎng)深度內(nèi)這一原理來(lái)分析數(shù)據(jù)，而與此關(guān)聯(lián)的已知參數(shù)包含：偏移距、頻率和波速。這幾項(xiàng)參數(shù)可作為判斷異常深度的依據(jù)，本文介紹了計(jì)算的思路，深入研究面波傳播的規(guī)律可獲得更精確的計(jì)算方法。地震映像法的優(yōu)勢(shì)是共偏移距快速成像，在面波信號(hào)完全壓制反射信號(hào)的情況下，小偏移距地震映像法不宜采用反射法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋?zhuān)鴳?yīng)采用面波法來(lái)分析數(shù)據(jù)。這是本文為了豐富地震映像法的應(yīng)用思路，而提出地震面波映像法的初衷。

References)

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[2] Gucunski N, Ganji V, Maher M H.Effects of obstacles on Rayleigh wave dispersion obtained from SASW test[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 1996,15:223-231.

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[4] Zeng C, Xia J H, Miller R D.Modeling results on detectability of shallow tunnels using Rayleigh-wave diffraction//SEG Technical Program Expanded Abstracts[C].2009: 1425-1429.

[5] 劉伍,司永峰,王治華,等.上海近岸淺海單道地震多次波特征及壓制方法研究[J].上海國(guó)土資源,2016,37(2):89-95.

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Application of seismic surface wave image method in the investigation of Shanghai seawall hidden structure danger

WANG Zhi-Hua
(Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

Shanghai seawalls, with external rigid shell flled with sand or clay, is only a few meters thick.The hazards of seawall are the loose parts of the core and the cavities formed below the shell.Because of the very low resistivity of seawall medium, resistivity method and electromagnetic method should not be chosen to detect the hazards of seawall, but the seismic method is available.Based on the geometric characteristics of wave propagation in the seawall, the simulation results show that not only the time difference between the refection wave generated by the bottom of seawall and direct wave, but also the time difference between the diffraction wave of the hazards and direct wave, is very small and can not be distinguished.The simulation show that the refection wave method is not applicable to the seawall hazard detection.According to the simulation results of surface wave numerical simulation, surface wave refection or scattering, generated by lateral in homogeneity of medium, interfere with forward propagating surface wave and form very strong abnormal wave group.Using this principle of surface wave, can effectively detect hidden hazards of seawall.This paper introduces the seismic surface wave imaging method in the investigation of seawall hazard, multi-channel acquisition, extraction of common offset surface wave, analysis of different offset seismic refection profle by using the principles of surface wave scattering, can be used to detect the range and depth of seawall hidden hazards.

geophysical exploration; seawall security detection; seismic image; surface wave; hidden structure danger

P631.4

A

2095-1329(2017)03-0094-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.021

2017-05-17

修回日期: 2017-08-09

王治華(1978-),男,高級(jí)工程師,主要從事工程物探研究.

電子郵箱: 53312477@qq.com

聯(lián)系電話: 021-56618043

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地調(diào)項(xiàng)目“長(zhǎng)江三角洲海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查與監(jiān)測(cè)”