面波法在蘭溪古城墻工程勘察中的應(yīng)用

張瑜鵬，榮 鑫，葛龍進(jìn)，李俊杰

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州310002）

1 引言

蘭溪市西門古城墻始建時(shí)間無考，為浙江省第七批省級(jí)文物保護(hù)單位，公布時(shí)代為“宋至清”，時(shí)代研究信息為“明”。由于西門古城墻西臨蘭江，自古兼具防洪功能，根據(jù)史料記載，城墻屢壞于水，歷有修整。該段城墻經(jīng)歷了幾百年的風(fēng)雨洪澇洗禮，曾多次破壞與修復(fù)，墻身存在多處滲漏通道，滲流安全存在重大隱患，墻面條石風(fēng)化較為嚴(yán)重，墻體穩(wěn)定亦存在安全隱患，亟需保護(hù)，因此城市防洪標(biāo)準(zhǔn)的要求，需對(duì)其啟動(dòng)城墻保護(hù)加固工程。對(duì)西門古城墻進(jìn)行保護(hù)加固，就必須對(duì)城墻進(jìn)行必要的工程勘察工作，查明其內(nèi)部地層特性及墻內(nèi)土體密實(shí)情況等，為加固方案的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。由于古城墻的特殊性、重要性和周圍場(chǎng)地環(huán)境條件的制約性，傳統(tǒng)的勘察方法如鉆探、坑探等都為有損探測(cè)，不適宜大范圍的使用，會(huì)導(dǎo)致其未護(hù)先損、隱患點(diǎn)多等局面［4-5］。因此整個(gè)工程勘察過程中應(yīng)盡可能以采用無損的勘察方法為主，結(jié)合傳統(tǒng)勘察方法，盡量減少對(duì)古城墻的影響。

面波勘探法利用面波的頻散特性和傳波速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性進(jìn)行探測(cè)，具有精度高、易激發(fā)、速度快、受場(chǎng)地限制小等特點(diǎn)，對(duì)探測(cè)目標(biāo)不會(huì)造成損傷，在古城墻這類建筑物的工程勘察中具有非常好的探測(cè)優(yōu)勢(shì)。

本文主要結(jié)合該工程實(shí)例，介紹面波勘探法在古城墻工程勘察中測(cè)線布置、數(shù)據(jù)采集等方面的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合傳統(tǒng)鉆探法成果，以提高整體勘察成果準(zhǔn)確性，有效判辨城墻地層工程特性及土體密實(shí)情況，說明面波法技術(shù)在古城墻工程勘察中的適用性和有效性。

2 面波工作原理

面波技術(shù)是基于瑞雷波運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征，利用其頻散特性和傳波速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性進(jìn)行土層劃分、研究巖土工程性質(zhì)的一種物理勘探方法，可以解決諸多的巖土工程問題［1-3］。面波測(cè)試原理見圖1，面波在地基表面?zhèn)鞑ゾ哂幸粋€(gè)重要特征就是它的頻散特性，面波傳播速度主要與介質(zhì)的密度或者介質(zhì)的松散度、緊密度相關(guān)，面波傳播會(huì)發(fā)生頻散，即在非均勻介質(zhì)中，不同頻率的瑞雷波其傳播速度是不同的。在多層介質(zhì)中，因巖土層密實(shí)度差異較大，面波具有明顯的頻散特性，利用這一特性可以研究介質(zhì)的物性變化，對(duì)沉積地層進(jìn)行物性分層，具有較好的分辨率。

圖1 瑞雷面波測(cè)試原理及解釋示意圖

3 測(cè)線布置及結(jié)果分析

3.1 測(cè)線布置

在本次蘭溪市西門古城墻的勘察過程中，面波勘探法操作嚴(yán)格遵循《水利水電工程物探規(guī)程》（SL 326-2005）和《城市工程地球物理探測(cè)規(guī)范》（GJJ 7-2007）內(nèi)的技術(shù)要求實(shí)施，沿城墻頂縱軸線方向布置4條面波測(cè)線，共計(jì)66個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線距離垛墻內(nèi)側(cè)約1.0 m～2.0 m?？紤]到面波法勘探作為一種間接性的勘探手段，不能直觀揭露場(chǎng)地地層，存在解譯誤差的情況，面波測(cè)線的布置與鉆探軸線基本一致，以確保有鉆探成果與面波測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，按照波速與土（巖）層的對(duì)比結(jié)果，以測(cè)線為單位，解譯剖面上的地層狀況。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

面波測(cè)試工作數(shù)據(jù)采集儀器為湖南岳陽奧成科技有限公司研制的PSW-I型智能面波儀，現(xiàn)場(chǎng)采用天然源+錘擊震源單邊激發(fā)，2.8 Hz檢波器，24道采集，采樣率1.28 ms，全頻接收，道間距2.0 m，每41.9 s存一個(gè)文件記錄，監(jiān)測(cè)時(shí)長不限，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收斂情況確定，一般時(shí)長20 min～40 min。

根據(jù)對(duì)天然源面波原始記錄進(jìn)行組合、建立觀測(cè)系統(tǒng)，通過空間互相關(guān)運(yùn)算，生成頻率-相速度域的頻率譜圖像；在F-V域?qū)︻l譜數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，再沿頻譜峰值（面波三能量極大值）搜索面波頻率相速度，得到相應(yīng)點(diǎn)的頻散曲線（見圖2）。通過對(duì)整條測(cè)線的頻散曲線進(jìn)行擬合，并且基于非線性最小二乘法進(jìn)行反演后繪制分層面波速度曲線（見圖3）。上述數(shù)據(jù)處理以SW2-SW2’測(cè)線14號(hào)測(cè)點(diǎn)為例。

圖2 頻散曲線

將面波反演分層與附近鉆孔分層對(duì)比，具體分層見表1，可以看出，兩者結(jié)果基本一致，且面波反演分層比鉆孔分層更加精細(xì)，說明了天然源面波法聯(lián)合傳統(tǒng)鉆探法的有效性。

表1 面波反演分層與鉆孔分層對(duì)比表

3.3 面波測(cè)試結(jié)果解釋

由于蘭溪市西門古城墻建成以來歷史悠久，部分城墻段存在出險(xiǎn)后墻體改造的情況，有新老城墻之分。本次工作所布置的4條面波測(cè)線中，SW2-SW2’測(cè)線同時(shí)跨越了搶險(xiǎn)改造段與老城墻，現(xiàn)以該測(cè)線剖面為例，對(duì)其面波測(cè)試結(jié)果進(jìn)行解析，繪制面波影像彩色剖面圖（見圖4）。

圖4 SW2-SW2’面波測(cè)試剖面圖（圖中平距0 m～48 m為搶險(xiǎn)改造段，平距48 m～196 m為老城墻段）

全段剖面不同地層深度范圍內(nèi)的土（巖）層剪切波速統(tǒng)計(jì)值見表2。

表2 SW2-SW2’剖面不同深度范圍內(nèi)剪切波速統(tǒng)計(jì)表

相關(guān)的巖土剪切波速工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 不同土層剪切波速范圍

根據(jù)面波影像彩色剖面圖及土層剪切波速統(tǒng)計(jì)成果，該段城墻平距0 m～48 m段淺部地層總體波速較高，可能為混凝土擋墻或地基處理反映，剪切波速值為225 m/s～715 m/s，平均波速值為437 m/s～510 m/s，其結(jié)果符合瑞雷波波速與土體密實(shí)度具有較好相關(guān)性的結(jié)論，即波速越高，介質(zhì)層的密實(shí)度越高，說明經(jīng)過工程處理后，土體的剪切波速明顯增大，密實(shí)度有了明顯提高，處理效果明顯，其與該段于數(shù)年前經(jīng)歷過工程搶險(xiǎn)改造的事實(shí)情況相符；其余段為老城墻，城墻部位填土剪切波速值為200 m/s～350 m/s，稍密為主，局部中密；下部地基土層剪切波速值230 m/s～480 m/s，中密，由上往下密實(shí)度越來越好。

結(jié)合土（巖）層波速分布關(guān)系，在完成鉆孔揭露地層狀況的基礎(chǔ)上，繪制出該段工程地質(zhì)剖面圖（見圖5）。

圖5 SW2-SW2’鉆探結(jié)合面波測(cè)試?yán)L制的工程地質(zhì)剖面圖

3.4 重型動(dòng)力觸探成果對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地環(huán)境條件和面波測(cè)試初步判讀結(jié)果，另考慮到古城墻文物的保護(hù)特性，對(duì)城墻墻體及墻基土層布置一定量的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，以結(jié)合面波測(cè)試結(jié)果進(jìn)行更精確、更全面的分析。每個(gè)勘探孔在素填土層根據(jù)土層厚度布置了兩次重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，砂礫卵石層每次動(dòng)力觸探試驗(yàn)深度間隔約2.5 m～3.5 m。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）中重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，確定土層密實(shí)度按重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)分類，由此根據(jù)各土層的重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)判定其密實(shí)度，具體見表4。

表4 各土層N63.5及密實(shí)度

各勘探孔附近對(duì)應(yīng)的面波測(cè)點(diǎn)波速分層成果圖分別見圖6～圖9。

圖6 測(cè)點(diǎn)SW2-5波速分層成果圖（鉆孔ZK112）

圖7 測(cè)點(diǎn)SW2-9波速分層成果圖（鉆孔ZK111）

圖8 測(cè)點(diǎn)SW2-14波速分層成果圖（鉆孔ZK110）

圖9 測(cè)點(diǎn)SW2-19波速分層成果圖（鉆孔ZK109）

通過對(duì)重型動(dòng)力觸探數(shù)據(jù)與天然源面波測(cè)試成果進(jìn)行對(duì)比分析，二者結(jié)果基本吻合，說明面波測(cè)試成果的有效性，其結(jié)果基本反映了全段城墻內(nèi)部土體的密實(shí)性現(xiàn)狀。

4 結(jié)論

結(jié)合天然源面波測(cè)試在蘭溪市西門古城墻的應(yīng)用實(shí)例分析，可以得出以下結(jié)論：

1）面波測(cè)試作為一種無損探測(cè)手段，具有操作工作面小、測(cè)試位置較靈活、試驗(yàn)過程簡便、試驗(yàn)速度快及結(jié)果直觀等特點(diǎn)，適用于古城墻地層的劃分與土體密實(shí)性的探測(cè)，有利于為文物加固方案提供更為可靠的參考。

2）在鉆探法直接揭露地層的佐證下，不同地層的波速差異為面波測(cè)試提供了探測(cè)依據(jù)。

3）結(jié)合重型動(dòng)力觸探資料驗(yàn)證，為面波測(cè)試數(shù)據(jù)解釋分析提供了支持，進(jìn)一步提高勘察成果的準(zhǔn)確性。