瞬態面波勘探的研究論文

1前言

面波勘探，也稱彈性波頻率測深，是國內外近幾年發展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波分爲瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易於測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。

人們根據激振震源的不同，又把面波勘探分爲①穩態法、②瞬態法、③無源法。它們的測試原理是相同的，只是產生面波的震源不同罷了。

1938年德國土力學協會首次嘗試用穩態振動來檢測岩土的各種彈性力學參數。1960年美國密西西比陸軍工程隊水陸試驗所開始開發類似的技術方法，但由於當時技術條件的限制，均未獲得成功。70年代初美國F·K·Chang等人利用瞬態激振產生的瑞利波來研究淺部地質問題，並於1973年在第42屆國際地球物理勘探年會上發表了“RayleighWaveDispersionTechniqueforRapidSubsurfaceExploration”（瞬態面波在淺層勘探中的應用）論文，報道了有關的研究成果。在穩態方面，直到80年代初，日本的VIC株式會社經過多年的研究試製，推出了GR－810佐藤式全自動地下勘探機，才使該項物探技術在淺層工程勘察工作中得以應用。透過幾年的實踐和初步研究，R波在岩土工程勘察中的應用大致分爲以下幾個方面：

⑴查明工程區地下介質速度結構並進行地層劃分；

⑵對岩土體的物理力學參數進行原位測試；

⑶工業與民用建築的地基基礎勘察；

⑷地下管道及埋藏物的探測；

⑸地下空洞、岩溶、古墓及廢棄礦井的埋深、範圍等探測；

⑹軟土地基加固處理效果評價及飽和砂土層的液化判別；

⑺公路、機場跑道質量的無損檢測；

⑻江河、水庫大壩（堤）中軟弱夾層的探測和加固效果評價等；

⑼場地土類別劃分及滑坡調查等；

⑽斷層及其它構造帶的測定與追蹤等。

2勘探原理

面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波（P波）和橫波（S波）不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質中，拉夫波是由SH波與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波∝r-1）的衰減要慢得多。在傳播過程中，介質的質點運動軌跡呈現一橢圓極化，長軸垂直於地面，旋轉方向爲逆時針方向，傳播時以波前面約爲一個高度爲λR（R波長）的圓柱體向外擴散。

在各向均勻半無限空間彈性介質表面上，當一個圓形基礎上下運動時，由它產生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計算出來，即P波佔7%、S波佔26%、R波佔67%，亦就是說，R波的能量佔全部激振能量的2/3，因此利用R波作爲勘探方法，其信噪比會大大提高。

綜合分析表明R波具有如下特點：

⑴在地震波形記錄中振幅和波組週期最大，頻率最小，能量最強；

⑵在不均勻介質中R波相速度（VR）具有頻散特性，此點是面波勘探的理論基礎；

⑶由P波初至到R波初至之間的1/3處爲S波組初至，且VR與VS具有很好的相關性，其相關式爲：

VR=VS·（0.87+1.12μ）/（1+μ）；式中：μ爲泊松比；

此關係奠定了R波在測定岩土體物理力學參數中的應用；

⑷R波在多道接受中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸；

⑸質點運動軌跡爲逆轉橢圓，且在垂直平面內運動；

⑹R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個波長（λR）尺度範圍內。

依據上述特性，透過測定不同頻率的面波速度VR，即可瞭解地下地質構造的有關性質並計算相應地層的動力學特徵參數，達到岩土工程勘察之目的。

3野外工作方法

應用瞬態法進行現場測試時一般採用多道檢波器接收，以利於面波的對比和分析。當錘子或落重在地表產生一瞬態激振力時，就可以產生一個寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈衝信號的形式向外傳播。當多道低頻檢波器接收到脈衝形振動信號後，經數據採集，頻譜分析後，把各個頻率的R波分離出來，並求得相應的VR值，進而繪製面波頻散曲線。

當選取兩道檢波數據進行反演處理時，應使兩檢波器接收到的信號具有足夠的相位差，其間距△x應滿足（λR/3）～λR，即在一個波長內採樣點數要小於在間距△x內的採樣點數的3倍，而大於在間距△x內的採樣點數的1倍，該採集濾波原則對於不同的勘探深度及儀器分辨率和場地地層特性可作適當調整。

當採用多道檢波數據進行反演處理時，雖然不受道間距公式的約束，但野外數據採集時也應考慮勘探深度和場地條件的影響。一般來說，當探測較淺部的地層介質特性時，易採用小的△x值並用小錘作震源以產生較強的高頻信號，即可獲得較好的結果；當探測較深部的地層介質特性時，易採用較大的△x值，並用重錘衝擊地面，以產生較低頻率的信號，使其能反映地下更深處的介質資訊，達到岩土工程勘察之目的。

震源點的偏移距從理論上講越大越好，且易採用兩端對稱激發，有利於R波的對比、分辨和識別，但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來說，偏移距應根據試驗結果選取。就目前的儀器設備條件和反演技術水平，選用偏移距20～40m即可獲得較好的測試結果。

由多道檢波數據反演處理後可得一條頻散曲線，一般把它作爲接收段中點的.解釋結果。實際上該曲線所反映的地層特性爲接收段內地層性質的平均結果，故當探測場地地下介質水平方向變化較大時，只要能滿足勘探深度的要求，儘量使反演所用的接收段減小，以使解釋結果更具客觀實際。

4工程應用

西部大開發十大項目之一的黃河沙坡頭水利樞紐位於黃河上游幹流上，上距待建的大柳樹壩址12.1km，下距青銅峽水電站122km，行政隸屬寧夏回族自治區中衛縣。主要建築物由主壩和副壩兩部分組成，其中主壩擬選壩型爲混凝土閘壩，最大壩高39.93m，壩長358.5m；副壩佈置在黃河左岸Ⅰ級階地，擬建壩型爲土石壩，壩高5m左右，壩長約1.5km。

測區地層巖性由上至下依次爲：①覆蓋層由全新統風積砂壤土、粉細紗和全新統衝洪積砂卵礫石組成；②下伏基岩由棕紅色、紫紅色砂質粘土巖組成，局部夾有礫岩。

爲探測覆蓋層厚度並進行地層劃分，採用瞬態面波進行勘探。實測使用美國R24工程地震儀和4Hz低頻檢波器。室內數據處理使用SFKSWS軟件，其流程爲：輸入面波記錄檔案→顯示和檢查實測曲線數據→圈定面波數據視窗→在F—K域搜尋確定基階面波頻譜峯脊並拾取頻散數據→按搜尋確定的基階面波頻譜峯脊圈定出基階面波頻譜範圍→生成面波頻散曲線→地質分層（人工或自動）→繪製反演擬合曲線→打印輸出結果。

R波在非均勻介質中傳播具有頻散特性，所以不同頻率（波長）的R波具有不同的傳播速度。模型試驗和實測結果表明，當探測的岩土層介質較爲均一時，R波的相速度隨深度的加大而按線性增加，只有出現不同介質的分介面時，頻散曲線會出現一個所謂“Z”字型變化，該變化特徵是由於地表接收到的波從上一層漏能型波轉入下一層漏能型面波，且此轉折點與兩介質間的介面埋深有密切的關係，由此可依據實測頻散曲線的“Z”字型變化點來劃分地下巖性變化的分介面。

圖1面波頻散曲線解釋成果與鑽探結果對比圖

圖2面波頻散曲線解釋成果與鑽探結果對比圖

圖1、圖2爲實測面波反演解釋結果，其中各圖的右側爲隨深度變化的面波頻散曲線，左側爲鑽探揭露的地層柱狀圖，其層位的劃分具有良好的一致性，即表層風積粉細砂—中部砂卵礫石層—下部基岩。同時由圖還可以得出：表層風積砂的瑞利波速度爲150～250m/s，衝洪積砂卵礫石的瑞利波速度爲300～400m/s，而下伏基岩（棕紅色、紫紅色砂質粘土巖、礫岩等）的瑞利波速度則爲440～760m/s，說明瑞利波（剪切波）速度隨深度的增加而升高。

5存在問題

雖然面波探測技術在工程中的應用已很廣泛，但實際工作中還存在以下問題：

⑴關於實測面波頻散曲線的“Z”字型現象，從理論模型的解析中還不能精確地解釋此現象。因爲理論的頻散曲線，在介質分介面處只出現折點，對此還需深入研究和數值模擬計算；

⑵對於面波勘探深度的確定，目前國內外大多采用半波長作爲R波的勘探深度，此關係是一經驗公式，但在實際工作中，應根據場地地質條件、探測對象以及孔旁測試對比結果等作適當調整；

⑶測試深度相對較淺，一般情況下可靠的測量深度爲20～30m，最深不過50～60m。當測試深度加大時，震源信號就必須具有足夠的低頻信號，目前尚難滿足此要求。由於低頻時的R波值很少，使得下部頻散曲線的點相對稀少，所以對解釋精度影響較大。就該問題筆者建議由原來的算術座標系改爲波長爲對數的單對數座標系，可使低頻段頻散點稀少問題得以改觀。

⑷根據不同的勘測目的和要求，對產生R波的震源需作必要的改進和研究，以適應勘察的需要。如用錘子作震源時其低頻值爲10～20Hz左右，而用砂袋作震源時低頻值爲3～10Hz左右。

面波勘探作爲一種新的淺層地球物理勘探方法，具有簡便、快速、經濟、分辨率高、適用場地小、應用範圍廣等優點，但對面波勘探理論的研究以及實際應用等有待進一步的深入和開拓，使之在生產實踐中不斷總結、完善和提高。

參考文獻

⑴楊成林等《瑞雷波勘探》北京：地質出版社1993年

⑵胡鈞等《岩土工程瑞利波勘探新進展》《上海地質》1996年No.2

⑶劉康和《面波探測技術綜述》《電力勘測》1997年No.2

⑷,etal.《ApplicationofSASWMethodUnderwater》《JOURNALOFGEOTECHNICALandGEOENVIRONMENTALENGINEERING》1998No.6。

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