基于天然源面波地形校正的堰塞體探測(cè)

摘要：為提高堰塞體的天然源面波探測(cè)成果中面波速度值的準(zhǔn)確性及計(jì)算面波速度記錄點(diǎn)空間位置，改變以往處理模式中假定各檢波器在同一高程的前提，在面波數(shù)據(jù)處理中加入臺(tái)陣中各檢波器的高程值，并采用最小二乘法計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的面波速度記錄點(diǎn)空間位置，進(jìn)行地形校正處理，從而提高面波速度值和面波速度記錄點(diǎn)空間位置的準(zhǔn)確性。將此天然源面波地形校正處理技術(shù)應(yīng)用于唐家山、疊溪、松坪溝等堰塞體探測(cè)中，結(jié)果表明：經(jīng)地形校正處理后，探測(cè)平均誤差由8.8%降低至4.3%，并使現(xiàn)場(chǎng)檢波器臺(tái)陣布置靈活性提高，提升了探測(cè)效率。在目前沒有自帶地形處理功能的面波處理軟件情況下，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)面波數(shù)據(jù)處理結(jié)果的地形校正，提高了面波勘探精度。

關(guān)鍵詞：

堰塞體； 天然源面波； 地形校正； 瑞雷波； 串行相關(guān)

中圖法分類號(hào)：P631.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.007

文章編號(hào)：1006-0081（2024）07-0041-05

0 引 言

中國(guó)西部曾發(fā)生了幾次因岸坡失穩(wěn)形成堰塞湖的地質(zhì)災(zāi)害，如四川新磨村［1］、唐家山［2］、白格［3］，甘肅周家壩［4］等滑坡。堰塞體的物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征是開展堰塞體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)［5］，其物質(zhì)組成、顆粒大小等因素影響堰塞體潰口沖刷過程、潰流計(jì)算［6］，同時(shí)也決定了導(dǎo)流槽位置。如何快速、準(zhǔn)確、安全地對(duì)堰塞體結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，是堰塞湖應(yīng)急處置工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

采用地球物理方法可以有效、快速地對(duì)堰塞體進(jìn)行勘探，常用的有高密度電法、地震波法等［7-8］。人工源面波法采集數(shù)據(jù)快，但除炸藥外，適合堰塞體上應(yīng)用的錘擊、落重等人工震源的能量小，堰塞體結(jié)構(gòu)松散，勘測(cè)深度小。天然源面波與人工源面波相比，數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)，效率低，但是天然源面波在堰塞體探測(cè)中不需要人工震源，堰塞湖水體流動(dòng)、自然界的風(fēng)吹、人員行動(dòng)都成為面波源，且探測(cè)深度大。但是，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，采用天然源面波方法勘探堰塞體時(shí)，布置在堰塞體表面的面波臺(tái)陣檢波器高差較大，而目前面波數(shù)據(jù)處理都基于各檢波器高程一致的前提，這影響了勘探成果的準(zhǔn)確性［9-10］。針對(duì)這種情況，本文對(duì)面波數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果進(jìn)行地形校正，并在疊溪、松坪溝等堰塞體探測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法對(duì)提高探測(cè)成果精度的有效性。

1 天然源面波數(shù)據(jù)處理方法原理

天然源面波探測(cè)利用瑞雷波，在分層介質(zhì)中，瑞雷波有頻散性，即不同頻率的面波相速度不同、波長(zhǎng)不同，穿透的介質(zhì)深度不同。天然源面波處理通常采用空間自相關(guān)法（SPAC）［11］、格林函數(shù)法［12］，利用背景噪聲從臺(tái)陣信號(hào)中提取瑞雷波頻散信息。將采集到的天然源面波數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去均值、去趨勢(shì)、歸一化等預(yù)處理后，使用串行相關(guān)算法提取各道背景噪音中的天然源瑞雷波信號(hào)：

R（k）=∑mi=j（Xi·Xi+1-k） k=1，2，…，m （1）

式中：R（k）為瑞雷波信號(hào)在第k個(gè)點(diǎn)的值；Xi為檢波器信號(hào)在第i個(gè)點(diǎn)的值；m為檢波器道數(shù)。

對(duì)提取出的各道瑞雷波信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換（式（2）），得到各道瑞雷波信號(hào)中各頻率波形的相位、振幅：

S（k）=∑ni=0（Rie-2πj（i-1）k/n） k=1，2，…，n （2）

Q（k）=Aksin（2πfk+φk） k=1，2，…，n/2 （3）

fk=（k-1）Δt·n k=1，2，…，n/2（4）

式中：S（k）為瑞雷波R（k）傅立葉變換后信號(hào)；i=0，1，2，…，n; j為復(fù)數(shù)單位，j2=1；Q（k）代表傅立葉變換信號(hào)后第k個(gè)頻率的信號(hào)函數(shù)；Ak為第k個(gè)頻率信號(hào)函數(shù)的幅值，即瑞雷波信號(hào)幅值；fk為第k個(gè)頻率信號(hào)函數(shù)的頻率；φk為信號(hào)的第k個(gè)頻率信號(hào)函數(shù)相位；Δt為瑞雷波信號(hào)的采樣間隔；n為瑞雷波信號(hào)采樣數(shù)量。

根據(jù)臺(tái)陣中各檢波器位置及瑞雷波各頻率分量的相位計(jì)算瑞雷波中各頻率瑞雷波的速度，提取瑞雷波頻散曲線：

Lij=（xi-xj）2+（yi-yj）2+（zi-zj）2（5）

Vfk，ij=Lijφki-φkj2πfk+nfk（6）

Vfk=minVfk，ij（7）

式中：Lij為臺(tái)陣中第i道檢波器與第j道檢波器的空間距離；（xi，yi，zi）為第i道檢波器的坐標(biāo)；Vfk，ij為第i，j道檢波器間頻率為fk的瑞雷波速度；φki為第i道檢波器頻率為fk的瑞雷波相位；Vfk為頻率為fk的瑞雷波速度。

根據(jù)瑞雷波速度所反映介質(zhì)深度為瑞雷波長(zhǎng)0.5倍的原理，計(jì)算瑞雷波速度記錄點(diǎn)深度：

Hfk=12λ=Vfk2fk（8）

式中：Hfk為頻率fk的瑞雷波速度記錄點(diǎn)深度；λ為瑞雷波波長(zhǎng)。

2 地形校正方法與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)?shù)匦纹教?，檢波器位于同一高程時(shí)，頻散曲線中各速度的記錄點(diǎn)位于臺(tái)陣的幾何中心正下方各相應(yīng)深度，見圖1（a）。當(dāng)?shù)匦纹鸱笤斐膳_(tái)陣檢波器高程相差大時(shí)，則應(yīng)對(duì)各速度的記錄點(diǎn)位置（坐標(biāo)）進(jìn)行計(jì)算，見圖1（b）。利用最小二乘法，根據(jù)各檢波器位置，計(jì)算記錄點(diǎn)位置，校正面波頻散曲線：

minF（x，y，z）=∑ni=1［（x-xi）2+（y-yi）2+（z-zi）2］（9）

式中：（x，y，z）為記錄點(diǎn)空間坐標(biāo)值，即記錄點(diǎn)位置；（xi，yi，zi）為第i個(gè)檢波器的空間坐標(biāo)；n為檢波器數(shù)量。

根據(jù)檢波器的分布半徑和最大面波勘探深度記

錄點(diǎn)計(jì)算地形深度校正系數(shù)。將頻散曲線上每個(gè)深度記錄點(diǎn)位置按對(duì)應(yīng)地面半徑內(nèi)檢波器坐標(biāo)校正。

3 地形校正在面波勘察堰塞體中的應(yīng)用

天然源面波不用人工震源，探測(cè)深度大，且目前主流儀器都采用無線傳輸，便于在交通不便的山谷、高低起伏的堰塞體上進(jìn)行勘探。無線傳輸可以使人在堰塞體外進(jìn)行控制數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，保障人員安全，適于堰塞湖快速搶險(xiǎn)救災(zāi)需要。

使用地形校正處理后，頻散曲線記錄點(diǎn)位置更準(zhǔn)確，速度-深度等值線剖面圖中等值線形態(tài)更符合實(shí)際情況。唐家山、松坪溝、疊溪、徐家坪等堰塞體的天然源面波勘探成果顯示，地形校正處理使勘探平均誤差由8.8%降低到4.3%，見表1。

3.1 松坪溝堰塞體

松坪溝堰塞體位于四川省阿壩藏族羌族自治州（以下簡(jiǎn)稱“阿壩州”）茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村松坪溝景區(qū)內(nèi)，在2017年6月24日清晨發(fā)生山體垮塌，形成堰塞體。

松坪溝堰塞體現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)線一條，長(zhǎng)度400 m，點(diǎn)距20 m，測(cè)點(diǎn)21個(gè)，測(cè)線方向136°。

測(cè)線布置（圖2）在當(dāng)時(shí)的搶險(xiǎn)道路上，探測(cè)結(jié)果顯示：深度0～11 m面波速度呈層狀，面波波速為200～300 m/s，為搶險(xiǎn)簡(jiǎn)易路基礎(chǔ)的碎石及土；在深度10～100 m，面波波速為350～800 m/s，為塊石及土；基巖區(qū)面波波速大于550 m/s，大致呈水平層狀增加。

堰塞體由塊石及土構(gòu)成，塊石比例約70%。在樁號(hào)0～117 m段，堰塞體厚度由78 m增加到103 m；在樁號(hào)117～150 m段，堰塞體厚度由103 m減小到88 m；在樁號(hào)150～213 m段，堰塞體厚度約86～89 m；在樁號(hào)213～245 m段，堰塞體厚度由88 m增加到105 m；在樁號(hào)245～400 m段，堰塞體厚度由105 m減小到69 m。

大塊石區(qū)面波波速500～900 m/s，大塊石集中區(qū)有3處，分別位于：樁號(hào)0～14 m，埋深38～78 m；樁號(hào)56～105 m，埋深37～70 m；樁號(hào)245～308 m，埋深21～56 m。

基巖為三疊系雜谷腦組（T2z）變質(zhì)砂巖和板巖［13］，面波波速大于550 m/s。圖3（a），（b）分別為未進(jìn)行地形校正的常規(guī)處理成果和經(jīng)過地形校正處理的成果。

3.2 疊溪堰塞體

疊溪堰塞體位于四川省阿壩州茂縣疊溪鎮(zhèn)景區(qū)內(nèi)，在1933年8月25日下午發(fā)生7.5級(jí)地震，誘發(fā)一系列不同規(guī)模的山體垮塌、滑坡、碎屑流形成堰塞體，岷江及其支流多處被堵塞，造成巨大災(zāi)害。

疊溪堰塞體現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)線一條，長(zhǎng)度250 m，點(diǎn)距10 m，測(cè)點(diǎn)27個(gè)，測(cè)線方向262°，測(cè)線布置見圖4。

探測(cè)結(jié)果顯示：深度0～20 m面波速度呈層狀，面波波速為100～250 m/s，為土及碎石；在深度20～70 m，面波波速為350～550 m/s，為塊石、碎石及土；基巖區(qū)面波波速大于400 m/s。

堰塞體由塊石及土構(gòu)成，塊石比例約56%。在樁號(hào)0～82 m段，堰塞體厚度約52～58 m，與搜集到的資料相符［14］；在樁號(hào)82～174 m段，堰塞體厚度由58 m增加到71 m；在樁號(hào)174～250 m段，堰塞體厚度約62～71 m。

大塊石區(qū)波速400～550 m/s，大塊石集中區(qū)有4處，分別位于：樁號(hào)0～42 m，埋深24～54 m；樁號(hào)87～112 m，埋深18～58 m；樁號(hào)124～176 m，埋深19～64 m；樁號(hào)206～250 m，埋深20～49 m。

基巖為板巖、片巖，面波波速大于400 m/s。未進(jìn)行地形校正的常規(guī)處理成果及經(jīng)過地形校正的處理成果分別見圖5（a），（b）。

4 結(jié) 論

松坪溝、疊溪等堰塞體天然源面波探測(cè)實(shí)例證明：當(dāng)?shù)匦胃卟畲髸r(shí)，各探測(cè)臺(tái)陣檢波器間距因高差原因變?yōu)榉堑乳g距，已不適宜按規(guī)則等間距計(jì)算面波速度值，且面波速度記錄點(diǎn)位置也需按地形進(jìn)行校正。

在目前沒有自帶地形處理功能的面波處理軟件情況下，面波地形校正技術(shù)計(jì)算瑞雷波速度時(shí)增加了檢波器高程分量，提高了瑞雷波速度值計(jì)算精度；對(duì)不規(guī)則布置檢波器的面波速度記錄點(diǎn)進(jìn)行位置計(jì)算，通過對(duì)速度記錄點(diǎn)進(jìn)行地形校正，使瑞雷波速度記錄點(diǎn)位置更準(zhǔn)確，提高了天然源面波法勘探成果精度；在不方便規(guī)則布置臺(tái)陣各檢波器時(shí)，可以調(diào)整檢波器位置，便于在地形起伏較大及工作區(qū)域受限的情況下開展工作，提高探測(cè)效率。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 何思明，白秀強(qiáng)，歐陽朝軍，等.四川省茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村特大滑坡應(yīng)急科學(xué)調(diào)查［J］.山地學(xué)報(bào)，2017，35（4）：598-603.

［2］ 劉寧，楊啟貴.唐家山堰塞湖應(yīng)急除險(xiǎn)技術(shù)實(shí)踐［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2009，11（6）：76-83.

［3］ 李勤軍，熊新宇.白格堰塞湖應(yīng)急處置工程措施方案設(shè)計(jì)［J］.水利水電快報(bào)，2019，40（3）：8-10，38.

［4］ 余侃柱.甘肅省康縣周家壩鎮(zhèn)“8·18”堰塞湖處置研究［J］.人民長(zhǎng)江，2021，52（8）：137-141.

［5］ 蔡耀軍，楊興國(guó)，張利民，等.堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估快速檢測(cè)與應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)和裝備研發(fā)研究構(gòu)想與成果展望［J］.工程科學(xué)與技術(shù)，2020，52（2）：10-18.

［6］ 蔡耀軍，欒約生，楊啟貴，等.金沙江白格堰塞體結(jié)構(gòu)形態(tài)與潰決特征研究［J］.人民長(zhǎng)江，2019，50（3）：15-22.

［7］ 吳學(xué)明，高才坤，王俊，等.綜合物探方法在紅石巖堰塞體探測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.物探化探計(jì)算技術(shù)，2018，40（3）：364-371.

［8］ 熊友亮，高建華，彭軍.天然源面波法在堰塞體上的研究及應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2022，19（2）：149-154.

［9］ 周紅，陳曉非.凹陷地形對(duì)Rayleigh面波傳播影響的研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2007，50（4）：1182-1189.

［10］ 李宏，楊心超，朱海波，等.起伏地形條件下瑞雷面波傳播特性研究［J］.石油物探，2017，56（6）：782-791.

［11］ AKI K.Space and time spectra of stationary stochastic wave，with special reference to microtremors ［J］.Bulletin of the Earthquake Research Institute，1957，35：415-456.

［12］ SHAPIRO N M，CAMPILLO M.Emergence of broadband Rayleigh waves from correlations of the ambient seismic noise ［J］.Geophysical Research Letters，2004，31（7）：L07614.

［13］ 王永學(xué)，朱凌，裴向軍，等.典型震裂山體發(fā)育特征及形成機(jī)制分析［J］.人民長(zhǎng)江，2022，53（4）：118-124.

［14］ 鐘育瑾，范宣梅，戴嵐欣，等.岷江疊溪巨型古滑坡研究［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2021，36（4）：1784-1796.

（編輯：高小雲(yún)）

Detection of barrier body based on terrain correction of natural source surface waves

LIU Haitao，XU Fuxing，XIONG Youliang，LI Huan

（Changjiang Reconnaissance Technology Research Institute of Ministry of Water Resources，Wuhan 430011，China）

Abstract：

In order to improve the accuracy of the surface wave velocity values in the results and to calculate the spatial position of the surface wave velocity recording points，the premise of assuming that each geophone was at the same elevation in the previous processing mode was changed，and the surface wave data processing was added to each geophone in the array. The least square method was used to calculate the spatial position of the surface wave velocity recording point of each measuring point，and the terrain correction process was performed to improve the accuracy of the surface wave velocity value and the spatial position of the surface wave velocity recording point. The technology was used in the detection of barrier bodies of Tangjiashan，Diexi，Songpinggou，etc. The results showed that the average error of detection was reduced from 8.8% to 4.3% after terrain correction processing，the flexibi-lity of field geophone array layout and the detection efficiency were improved. In the absence of surface wave processing software with built-in terrain processing function，the natural source surface wave terrain correction processing technology had achieved terrain correction of surface wave data processing results，improving the accuracy of surface wave exploration.

Key words：

barrier body； natural source surface wave； terrain correction； Rayleigh wave； serial correlation