面波勘探在工程勘察中的應(yīng)用

朱 鑫

（中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430000）

在對地球進行勘探研究的過程之中，常規(guī)的鉆探研究方法受到地質(zhì)，地貌以及自然環(huán)境等多個方面的限制而無法采用，大部分地球勘探技術(shù)無法滿足地層分層、巖溶以及裂縫等多個方面的技術(shù)要求，因此當(dāng)前階段需要全新的技術(shù)滿足地球探測的實際需求。在進行地質(zhì)勘探的過程之中面波勘探體現(xiàn)出了一系列的優(yōu)點。人工源面波探測技術(shù)對深度較小的地層進行勘探時分辨率較高，但是能夠進行準(zhǔn)確勘探的深度存在一定的限制[1]。人工源面波探測技術(shù)在20世紀(jì)60年代時得到了實際的應(yīng)用，其又分為穩(wěn)態(tài)面波勘探和瞬態(tài)面波勘探，現(xiàn)階段工程技術(shù)人員在討論人工面波勘探技術(shù)時一般指瞬態(tài)面波勘探。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)階段人工源面波勘探技術(shù)和天然源面波勘探技術(shù)已經(jīng)逐步的整合為一個整體并在工程實踐之中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

1 面波勘探方法原理概述

在物理學(xué)之中彈性波在傳播的過程之中遭遇到存彈性的分界面時會發(fā)生一定的反射和折射現(xiàn)象，與此同時還會產(chǎn)生一定的界面波[2]。從三維觀察的角度來講彈性波遭遇到彈性界面時產(chǎn)生的折射波和反射波是同時存在的且隨著時間不斷的在三維空間內(nèi)傳播，在學(xué)術(shù)界將這一類型的波也稱之為體波。與體波相對應(yīng)的是界面波只出現(xiàn)在彈性界面的附近，因此被稱之為面波，其主要分為兩種：一是勒夫波；二是瑞雷波。瑞雷波是由英國的學(xué)者瑞雷在理論分析的過程之中確定的，其特點是振動的幅度隨著深度迅速衰減。采用面波進行地球物理勘探的基本原理是面波在沿著地表進行傳播的過程之中一個波長內(nèi)的傳播特性體現(xiàn)了地層在水平方向上存在的變化，不同的波長變化特性則反應(yīng)了不同深度的地質(zhì)情況。

（1）天然源面波勘探技術(shù)。天然源面波勘探技術(shù)主要涉及三個方面的知識：一是微動裝置，這一裝置實質(zhì)上是接受來自任意方向的面波信號。在進行面波信號收集的過程之中要將微動裝置排列為特定的形狀。在工程實踐之中常見的形狀有直線型、圓臺型以及L型。二是天然源面波的原理。微動實質(zhì)上是指一種沒有震源的微弱振動，其由P波、S波以及面波組成，其中70%以上的能量信號包含在面波之中。面波之中包含的信息同表層之中的介質(zhì)具有密切的聯(lián)系。在對微動過程之中產(chǎn)生的面波信息進行收集之后可以采用數(shù)學(xué)方法對面波進行描述，并依據(jù)相關(guān)的地球物理理論和數(shù)學(xué)理論對面波進行分析進而獲取地下的相關(guān)介質(zhì)信息。三是頻散分析。實質(zhì)上頻散分析是依據(jù)面波信息采集的過程之中微動裝置的排列形狀選擇適宜的處理方法對面波進行分析進而得到一定的地球物理知識。

（2）人工源瞬態(tài)面波。在地球物理勘探的過程之中采用瞬態(tài)面波探測實質(zhì)上是借助瑞雷波的特性進行地球物理探測。探測的過程之中選用錘擊的方式產(chǎn)生震源，錘擊的沖擊力將會在一定的范圍內(nèi)形成瑞雷波[3]。相關(guān)的研究人員在研究的過程之中發(fā)現(xiàn)瑞雷波存在以下幾個方面的特征：一是在錘敲擊產(chǎn)生震源之后瑞雷波的振幅最大，其所具備的能量最強，具備良好的數(shù)據(jù)采集條件；二是瑞雷波在不均勻的介質(zhì)中進行傳播時其存在頻散特性；三是瑞雷波在傳播的過程之中其傳播的速度大小同介質(zhì)的密度存在一定的聯(lián)系；四是瑞雷波在沿著地表進行傳播的過程之中，能量主要聚集在一個波長的范圍之內(nèi)。

2 面波勘探工程實例

（1）天然源面波法。在城市之中進行高架橋建設(shè)時，經(jīng)常由于環(huán)境之中存在其他的建筑而無法進行勘察鉆孔的布置，但是高架橋在建設(shè)時必須明確橋樁基礎(chǔ)下方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及地質(zhì)特點。其進行勘探時主要分為以下幾個步驟：一是根據(jù)現(xiàn)場的實際情況選擇合適微動檢測裝置布置形式，在此基礎(chǔ)上選擇適宜的探測系統(tǒng)對檢測裝置檢測到的數(shù)據(jù)進行采集。二是根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對面波傳遞異常的剖面進行分析，并在分析的過程之中結(jié)合相關(guān)的資料明確各個地層的基本構(gòu)成和基本的地質(zhì)條件。三是布置驗證孔，對面波檢測的分析結(jié)果進行驗證，確保分析結(jié)果的正確性。

（2）人工源瞬態(tài)面波法。在進行高層建筑施工建設(shè)之前首先需要進行全面的地質(zhì)勘探，查明建筑范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況。人工瞬態(tài)面波法是常用的勘查區(qū)域之內(nèi)的巖溶發(fā)育情況的技術(shù)手段，其勘查基本步驟如下：一是安裝人工震源激發(fā)面波，安裝地震儀進行數(shù)據(jù)的采集。二是對收集到的信息進行處理并形成相關(guān)的電阻率切片圖等，借助圖片對建筑物地下的巖性進行全面準(zhǔn)確的分析；三是對收集到的數(shù)據(jù)信息進行不同高程的平面等值分析，進而明確建筑物地下的巖溶發(fā)育情況。

（3）人工源面波與天然源面波聯(lián)合勘探。人工源面部在勘探的過程之中對于深度較小的區(qū)域勘探時具有較高的分辨率，但是由于震源的能量有限，無法對較大的深度實現(xiàn)有效的探測。天然源面波與人工源面波的聯(lián)合勘探實質(zhì)上是在同一區(qū)域分別進行天然源面波的勘探與人工源面波的勘探，在勘探完成之后借助相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件將兩者得到的相關(guān)數(shù)據(jù)整合為一個整體從而全面準(zhǔn)確的反應(yīng)某一區(qū)域的地質(zhì)條件。

現(xiàn)階段天然源面波與人工源面波聯(lián)合勘探技術(shù)已經(jīng)在以下幾個方面得到了非常廣泛的應(yīng)用：一是礦業(yè)開采之中的覆蓋層劃分；二是地質(zhì)研究之中的活斷層調(diào)查；三是在地基建設(shè)之中的土壤壓實度評估；四是煤礦開采之中的煤柱陷落研究；四是水力建設(shè)之中的堤壩病害研究；五是城市地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究。同其他的地質(zhì)勘探技術(shù)相比較，天然源面波和人工源面波聯(lián)合勘探技術(shù)操作經(jīng)濟方便，在進行勘探的過程之中不存在重大的風(fēng)險，且能夠有效的抵抗環(huán)境之中存在的諸多干擾因素，有效的提升了自身的勘探精度。對各種地球物理勘探技術(shù)的特點進行深入全面的分析可以明確的一點是天然源面波與人工源面波聯(lián)合勘探技術(shù)具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，在未來必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)語

本文簡要的論述了面波勘探的基本原理，重點闡述了現(xiàn)階段在工程實踐之中得到大范圍應(yīng)用的天然源面波和人工面波勘探技術(shù)。在論述的過程之中明確了面波勘探技術(shù)存在的諸多優(yōu)點和在解決某些特殊問題的過程之中表現(xiàn)出的獨一無二的優(yōu)勢。盡管面波勘探技術(shù)在工程實踐之中體現(xiàn)出了諸多的優(yōu)勢，但是由于其是一種全新的技術(shù)，因此尚未得到大范圍的應(yīng)用，希望本文的研究能夠推動這一技術(shù)在工程實踐之中的應(yīng)用。