瑞利面波法在城市排水管道探測中的應用

鄒時貴

(西南交通大學，四川成都 610031)

舊城改造工程會遇到許多問題，特別是道路施工和地鐵建設時遇到地下的問題。主要是這些施工都要對路基和城市地下進行開挖，這就會涉及到以前的管線，如果不提前探清情況就會造成損失甚至威脅到廣大市民[1]。例如2013年11月22日發(fā)生的青島黃島輸油管爆炸事件，就是管路設計不合理和沒有探清情況貿然施工引起的事故。

城市地下管路系統(tǒng)當中最重要的就是排水、供氣、輸油管路，排水管路系統(tǒng)四通八達并且十分復雜交錯，因此需要用物探方法對其進行探測。本文將瑞利面波法應用在城市排水管道探測。

1 瑞利面波法

1.1 瑞利面波基礎理論

瑞利面波是1887年英國數學物理學家瑞利(Rayleigh)發(fā)現的，瑞利面波是一種沿自由表面?zhèn)鞑サ牟?，它是由體波(縱波和橫波)在地表衍生成的一種次生波，瑞利面波具有能量強、衰減慢、頻散等特性。利用這些瑞利面波的特性興起了近地表層巖石物理性的瑞利面波勘探[2-3]。

瑞利面波的速度略小于S波，約為0.919倍S波波速。此外，瑞利面波的傳播具有以下三個重要特點(圖1)[4]。

(1)瑞利面波在傳播中具有橢圓極化特性。

(2)瑞利面波在遠離界面方向指數衰減，而在自由表面衰減較慢。

(3)瑞利面波在非均勻介質中的速度頻散特性。

圖1 瑞利面波的傳播

1.2 瑞利面波的速度頻散

面波是具有不同相速度(V)的各種子波疊加而成的波，疊加成的能量團具有一個群速度(U)。

式中:dV/dλ≠0時，即U不等于V，也就是面波的群速度與相速度不相等。不同單頻波不能以相同速度向前傳播，也就是我們所說的頻散[3]。

波速對頻率的依賴關系是瑞利面波的頻散特征，不同頻率的波動在非均勻介質中傳播時表現出不同的速度[5]。這一特性我們就可以利用瑞利面波進行近地表的勘探，這是瑞利面波勘探的方法之一。

1.3 主動源瑞利面波法

主動源瑞利面波法是人為激發(fā)的震源，在激發(fā)前已知主動震源的參數信息及激發(fā)方位，常用的主動源有大錘敲擊及炸藥爆炸。1999年，Park,C.B和Xia,J等人提出多道面波分析方法(MASW)[6]以估算地層的橫波速度，MASW方法被廣泛應用于主動源瑞利面波法中，能有效判斷淺層異常體，繪制淺部地層速度結構。主動源瑞利面波法的簡要步驟是：安裝采集系統(tǒng)，激發(fā)震源，接收信號并前處理，處理分析主動震源信號，提取頻散曲線，繪制速度剖面(圖2)[4]。

圖2 主動源瑞利面波采集系統(tǒng)

1.4 勘探實例

護城河的堤壩一般都有排水管道，將以主動源瑞利面波勘探的的方法去探測管道的埋深，然后通過實際驗證的方式驗證探測結果。測線布置如圖3所示，以第一個炮點的第一個檢波器作為坐標原點，道間距為1 m，則第一炮的炮點分別為-2和-1。拾取地震信號時偏移距分別取2和1各做一次之后，測線整體往前移動1 m，直到得到我們想要的剖面為止，每次需記錄好數據，方便以后查看以及驗證。

圖3 測線布置

拾取地震信號之后需要對其進行處理，包括前期的地震道排列進行編輯，將所在的坐標信息輸入，如果需要還需要進行濾波處理，主要應用的是F-K域濾波提高信噪比。以上的步驟完成之后就是頻散曲線的拾取，然后集成之后成彩色剖面圖(圖4～圖9)。

圖4 偏移距為1時的頻散曲線集合

圖5 偏移距為1時的頻散曲線分布

圖6 偏移距為1時的地層剖面

圖7 偏移距為2時的頻散曲線集合

2 結論

(1)從探測的結果來看地層的瑞利面波速度集中在200 m/s左右，排水管道的橫坐標在12～13 m，深度在3～3.4 m，實際驗證的結果來看排水管道的位置和探測的結果比較符合。所以瑞利面波法在淺層的探測當中還是相當可靠的，可以利用在城市管道探測中來。

圖8 偏移距為2時的頻散曲線分布

圖9 偏移距為2時的地層剖面

(2)從偏移距為1和2的地層剖面圖可以看到不同的偏移距會影響探測結果，這個影響主要是在橫向分辨率上，這是不同的偏移距所決定的探測中心決定的。因此在城市管道探測中由于管道都不是很大，建議用比較小的偏移距效果會比較好。