綜合面波法在巖土工程中的應(yīng)用

殷 成，柴緒令

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130000）

面波勘探歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，其技術(shù)方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，處理方法也日趨完善。其中，主動源面波勘探早在20世紀(jì)60年代由美國人提出，從開始的穩(wěn)態(tài)面波到瞬態(tài)面波，再到多道瞬態(tài)面波勘探，多年來不斷地提高勘探精度和效率，應(yīng)用廣泛[1]；天然源面波勘探起步相對較晚，最早由Aki提出[2]，但近些年發(fā)展迅速，方法也不斷成熟，如頻率波數(shù)法（F-K法）、空間自相關(guān)法（SPAC）、擴展的空間自相關(guān)法（ESPAC）、HV譜比法等[3]，從而提高了復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性和探測精度的準(zhǔn)確性[4]。人工源與天然源面波相結(jié)合的綜合面波法，對解決電磁干擾嚴(yán)重、勘探深度大、勘探精度高等復(fù)雜地區(qū)的勘探任務(wù)有明顯的優(yōu)勢和應(yīng)用前景[5]。

1 原理

1.1 主動源面波勘探

彈性波在傳播過程中，在介質(zhì)分界面處會發(fā)生反射、透射和折射現(xiàn)象，伴隨產(chǎn)生界面波。這類界面波在界面附近傳播，振幅隨深度衰減，稱之為瑞利波[6]。瑞利波的頻散特性和傳播速度特性是面波勘探的兩大關(guān)鍵，反映了不同深度介質(zhì)的地質(zhì)條件。

主動源面波勘探是通過錘擊、落重等震源激發(fā)，產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的瑞利波，沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?。沿波的傳播方向以一定的道間距鋪設(shè)N+1個檢波器，記錄一定范圍內(nèi)的傳播信號。

道間距△x內(nèi)瑞利波的傳播速度為

式中：f是瑞利波的頻率；△φ是相鄰檢波器所記錄的信號相位差。

測線N△x內(nèi)瑞利波的傳播速度為

在地層不均勻且地下介質(zhì)變化時，瑞利波會發(fā)生頻散現(xiàn)象，得到速度與頻率（或波長）的變化曲線，通過反演處理，計算出不同深度對應(yīng)的面波速度，為解譯、推斷下覆地層結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1.2 天然源面波勘探

天然面波實質(zhì)上是指地球表面一種連續(xù)的微弱振動，又稱微動。微動伴隨產(chǎn)生P波、S波和面波，其中面波能量占比總能量70%以上[6]。微動信號的大小和形態(tài)因時間和空間的改變而發(fā)生變化，同時也具有一定時空范圍的平穩(wěn)隨機規(guī)律[7，8]。在微動信號中，經(jīng)過空間自相關(guān)法數(shù)據(jù)處理得到面波的頻散曲線[9]，選取合適的反演計算，獲取地下介質(zhì)的橫波速度[10]。結(jié)合已知地質(zhì)資料，對橫波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和解譯。

2 工作方法

為了查清覆蓋層厚度及結(jié)構(gòu)分層，兼顧勘探深度和精度，分別布設(shè)人工源、天然源面波測線。

人工源面波勘探：以測點位置為中心，沿測線鋪設(shè)12道檢波器，其中相鄰道間距2 m，偏移距分別為4，6，8，10 m進(jìn)行重錘激發(fā)，采集數(shù)據(jù)。如圖1所示。

圖1 人工源面波勘探采集方式

天然源面波勘探：單點采集以測點位置為中心，采用嵌套式鋪設(shè)方式，在同心圓周邊測點位置均勻放置儀器。如圖2所示。

圖2 天然源面波勘探單點采集方式

剖面采集方式：將單點采集方式沿著測線移動，相鄰單點采集有公共儀器點位置。如圖3所示。圓心處儀器到圓周上儀器的距離稱為觀測半徑R。一般有效探測深度為（3～5）R。

圖3 天然源面波勘探剖面采集方式

3 數(shù)據(jù)處理

野外數(shù)據(jù)采集時，盡可能保證周邊安靜，保證采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

人工源面波數(shù)據(jù)的能量譜如圖4（A）所示，在高頻部分能量高，能量也很集中；在低頻部分能量比較低，也比較散。天然源面波數(shù)據(jù)的能量譜如圖4（B）所示，在低頻部分能量高，能量集中；在高頻部分能量低，能量分散。

將人工源和天然源面波數(shù)據(jù)，進(jìn)行整合處理，高頻部分采用人工源，低頻部分采用天然源的數(shù)據(jù)，可以找到1條能量高且集中的最優(yōu)曲線，如圖4（C）所示。

圖4 測點的能量譜曲線

同樣，人工源面波數(shù)據(jù)經(jīng)頻率域-波數(shù)法（FK法）得到頻散曲線，反演后轉(zhuǎn)化成深度-速度曲線。天然源面波數(shù)據(jù)經(jīng)過擴展的空間自相關(guān)法（ESPAC法）得到頻散曲線，反演后轉(zhuǎn)化成深度-速度曲線。將人工源和天然源面波數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理后的綜合面波法，兼顧二者優(yōu)點，滿足勘探要求。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

吉林省某橋梁工程地處松嫩平原南部，地勢平坦、開闊，覆蓋層深度較厚，成分復(fù)雜，包括砂壤土、細(xì)砂、砂礫石等，勘察要求查清巖面位置、劃分地層結(jié)構(gòu)等。根據(jù)已知地質(zhì)條件，工程所在位置覆蓋層可分為中砂、粘土、粗砂，基巖為白堊系的泥巖。

4.2 案例分析

工作開展沿著大橋軸線分別布設(shè)面波法測線和高密度電法測線，其中選取樁號0+000～0+751 m段進(jìn)行研究和分析。在面波測線中的測點中，人工源面波法道間距為2 m，12個檢波器，偏移距取8 m。天然源面波法，最大觀測半徑R=50 m，滿足100 m范圍勘探深度的要求。高密度電法，最小電極距為5 m，采集層數(shù)為24層，滾動采集。

根據(jù)深度-速度曲線的拐點、疏密程度等特征，大致劃分地層結(jié)構(gòu)。根據(jù)H/V譜比法，先得到振幅最大峰值對應(yīng)頻率值，峰值頻率為1，5 Hz，根據(jù)反演結(jié)果計算出的頻散曲線，找到特定頻率對應(yīng)的橫波速度值[11]。利用半波長法計算出界面深度位置[12]，最終結(jié)合各個測點，完成剖面分析和解譯。

根據(jù)已知地質(zhì)資料和面波反演計算出波速Vr，經(jīng)分析可知，第1層為細(xì)砂，Vr=100～230 m/s；第2層為粘土，Vr=200～380 m/s；第3層為粗砂，Vr=350～480 m/s；第4層為泥巖，Vr＞450 m/s。

同樣的樁號位置對應(yīng)的高密度電法剖面如圖5所示，可以清晰地劃分地層位置，其中，細(xì)砂呈現(xiàn)高電阻率，粘土呈現(xiàn)低電阻率，粗砂呈現(xiàn)高電阻率，泥巖成巖差，呈現(xiàn)低電阻率。劃分不同地層的結(jié)構(gòu)，同綜合面波法劃分結(jié)果大致相同，從而驗證了面波方法的準(zhǔn)確性。

圖5 高密度電法物探剖面圖

根據(jù)表1所列鉆孔信息，覆蓋層淺層中砂深度為13.0～19.0 m，粘性土深度為13.0～35.0 m，粗砂深度為30.0～77.0 m，同綜合面波法和高密度電法聯(lián)合反演的結(jié)構(gòu)分析相一致，驗證了兩種方法結(jié)果的準(zhǔn)確性、有效性。

表1 鉆孔信息表m

同時，根據(jù)鉆孔信息可以更準(zhǔn)確地找到分層位置、層面對應(yīng)的波速范圍及電阻率范圍，從而完善物探成果，使得結(jié)果更準(zhǔn)確、更接近真實結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

該測區(qū)處于松嫩沖積平原，覆蓋層厚70.0～80.0 m，普通人工錘擊的震源產(chǎn)生能量有限，由于覆蓋層厚且松散，能量損失快，導(dǎo)致探測深度受限。微動勘察，淺部信息少，存在盲區(qū)，無法精準(zhǔn)勘察。利用人工源和天然源結(jié)合的綜合面波法，結(jié)合各自的優(yōu)點，既保證了探測深度，又提高了淺部數(shù)據(jù)的分辨率，通過對面波的頻散曲線及速度范圍的分析，可以大致對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。

利用天然源面波的H/V頻譜分析，根據(jù)H/V譜比峰值確定場地的卓越頻率，采用半波長法計算沉積層厚度，實現(xiàn)成果再校正。通過同直流電法成果相結(jié)合對比，地層劃分一致性較好，吻合度較高，驗證了綜合面波法成果的可靠性。通過已知鉆孔驗證，在不同介質(zhì)界面處，綜合面波法的成果均有明顯物性差異，再次驗證了成果的準(zhǔn)確性。綜合面波法，彌補了人工源和天然源面波法的缺點，利用各自的優(yōu)勢，在工程勘察中具有高效性、準(zhǔn)確性的特點，對后期施工具有一定的指導(dǎo)意義。