面波勘探在工程勘察中的應(yīng)用

劉艷秋，徐洪苗，王小勇，彭青陽，胡俊杰

（安徽工程勘察院， 安徽合肥 230011）

0 引言

工程勘察過程中，在特殊情況下，由于施工場地受限及地質(zhì)條件客觀影響，對于地層準(zhǔn)確分層、巖溶和裂隙的探查等方面，常規(guī)鉆探方法難以采用，多數(shù)地球物理勘探方法又難以達(dá)到精度要求，因此迫切需要新的勘探方法來彌補這方面空缺。

面波勘探具有快速、經(jīng)濟(jì)、易激發(fā)和受場地限制小等優(yōu)點[1～3]。面波法主要分為天然源面波法和人工源面波法，天然源面波法勘探歷史比較悠久，可追溯至20世紀(jì)50年代甚至更早，近年來眾多學(xué)者主要研究由微動提取面波并實用化。人工源面波勘探約始于20世紀(jì)六七十年代，先有穩(wěn)態(tài)面波勘探，后有瞬態(tài)面波勘探，現(xiàn)在所說的人工源面波法一般是指瞬態(tài)面波法[4～5]。天然源和人工源面波勘探雖然各自發(fā)展歷史悠久，但將二者有效結(jié)合的面波勘探在近年來才逐步得到應(yīng)用。

近年來面波方法已經(jīng)逐漸應(yīng)用到巖土工程勘察、第四系分層、堤壩隱患調(diào)查、煤礦采空、孤石檢測、公路軟基勘察、滑坡面調(diào)查[6～8]等多個工程物探領(lǐng)域。

1 面波勘探方法原理

1.1 天然源面波法（微動）

1.1.1 微動裝置

天然源面波可能來源任何方向，選擇有效的觀測排列來采集這些來源不明的面波信號是該方法的關(guān)鍵。常用的觀測方式有直線型、L型、多重圓觀測臺陣。多重圓觀測臺陣是微動單點探測最常用的布設(shè)方式，圖1為三種觀測系統(tǒng)。

1.1.2 天然源面波法（微動）原理

圖1 常用面波單點觀測臺陣示意圖Figure 1 Schematic views of common surface wave single-point observation arrays

微動是一種沒有特定震源的微弱振動，它是由體波（P波和S波）和面波（瑞雷波和勒夫波）組成的復(fù)雜振動，并且面波的能量占信號能量的70%以上，微動中的面波信息與地表介質(zhì)密切相關(guān)，主要提取微動信號的瑞雷波信息。由于面波的頻散特性，微動信號具有振幅、頻率隨時間、空間發(fā)生顯著變化的特點，但在一定時空范圍內(nèi)仍滿足統(tǒng)計穩(wěn)定性，可用平穩(wěn)隨機過程來描述。微動探測方法是以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)，從微動信號提取面波（瑞雷波）的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演獲取地下速度結(jié)構(gòu)信息的地球物理探測方法。

1.1.3 頻散分析

通常采用空間自相關(guān)法（The Spatial Auto-Correlation Method，簡稱SPAC法[9]）從微動信號的垂直分量中提取瑞雷波頻散曲線。首先布設(shè)一半徑為r0（大小視探測深度而定）的圓形臺陣、圓心處設(shè)置一臺檢波器，圓周上等間距的設(shè)置若干（至少三臺）檢波器。將各道微動觀測數(shù)據(jù)經(jīng)窄帶濾波處理，求出不同頻率（fi）的空間自相關(guān)函數(shù)ρ（r0,fi），并由ρ(r0,fi)=J0(xi)求出零階貝賽爾函數(shù)的變量xi，再由Xi=2πfir0/VR(fi) 求出瑞雷波的相關(guān)速度VR(fi)，不同的fi與不同的VR(fi)相對應(yīng)，于是可繪出VR-f頻散曲線，最后通過多次反演擬合，求出地層S波速度。

1.2 人工源瞬態(tài)面波

人工源瞬態(tài)面波勘探是利用瑞雷波的特征進(jìn)行勘探。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，瑞雷波是由SV波與P波干涉而形成，其能量主要集中在介質(zhì)表面附近，能量的衰減與R1/2成正比（R為傳播距離），比體波（P波和S波）衰減慢得多。傳播過程中，介質(zhì)的質(zhì)點運動軌跡為長軸垂直于地面、逆時針方向旋轉(zhuǎn)的極化橢圓，并以高度約一個波長（λR）的圓柱體為波前面向外擴(kuò)散傳播。

1.2.1 瞬態(tài)法裝置

瞬態(tài)法裝置如圖2所示，采用錘擊作震源，錘擊時激發(fā)一瞬時沖擊力，產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞雷波，不同頻率的瑞雷波疊加在一起，以脈沖的形式向前傳播，因而瞬態(tài)法記錄的信號要經(jīng)過頻譜分析、相位譜分析，把各個頻率的瑞雷波分離開來，從而得到一條VR-f曲線。

圖2 人工源瞬態(tài)面波法工作示意圖Figure 2 Operation schematic view of artificial source transient surface wave method

1.2.2 瑞雷波具有如下特征：

(1) 地震波形記錄中，瑞雷波振幅最大，能量最強，周期最長，頻率最小，可提供野外較好數(shù)據(jù)采集分析條件。

(2) 不均勻介質(zhì)中，瑞雷波相速度具有頻散特性，即：瑞雷波的傳播速度在不均勻介質(zhì)中是頻率的函數(shù)，且隨頻率的變化而變化。此特性是面波勘探的理論基礎(chǔ)。

(3) 瑞雷波速度（VR）與橫波速度（VS）具有相關(guān)性，相關(guān)式為：

式中μ為泊松比。從完整巖石至流塑狀土體的面波速度VR≈0.92VS～0.953 VS（VS為彈性波速橫波速度）。

即瑞雷波速度主要與介質(zhì)的密度或介質(zhì)的松散度、緊密度有關(guān)。因此對密實度差異較大的地區(qū)進(jìn)行地層劃分方面有較好的分辨率。

(4) 瑞雷波沿地表傳播，能量主要集中在距地表一個波長的范圍內(nèi)，可通過測定不同頻率的瑞雷波速度了解不同深度介質(zhì)的性質(zhì)和計算其相關(guān)動物理力學(xué)參數(shù)。瞬態(tài)面波測試方法即是依據(jù)瑞雷波的上述特征進(jìn)行。

1.2.3 頻散分析

人工源瞬態(tài)面波通常采用頻率—波速法（f-k法）[10]，對于時間空間域的二維地震信號d(x,t)，對時間軸和空間軸進(jìn)行二維傅里葉變換：

就可以得到頻率波數(shù)域二維信號，由于相速度和頻率及波數(shù)的關(guān)系為：

對頻率波數(shù)域信號，利用式（2）又可以變換到頻率速度域U(f,V)。

用中心頻率不同窄帶濾波器提取各個頻率成分，計算功率譜，最大值對應(yīng)的波數(shù)k=(kx0,ky0)與優(yōu)勢波動信號對應(yīng)，該信號的傳播速度為：

其傳播方向為：

這樣求出不同頻率對應(yīng)的相速度VR就可以得到一條實測的相速度頻散曲線。

在頻率波數(shù)域中，可以清楚的區(qū)分瑞雷波不同模態(tài)的波動能量。根據(jù)波數(shù)和頻率的關(guān)系k=f/v，計算瑞雷波的相速度。換算出波長，乘以深度系數(shù)0.5，即得到此深度的瑞雷波速度。依次求出沒一個頻率的瑞雷波相速度和深度，繪制頻散曲線。

2 面波勘探工程實例

2.1 天然源面波法（微動）

安徽某處擬建高架橋，受鐵路干線及周圍建筑物影響，無法布置勘察鉆孔，為查清擬建高架橋橋基礎(chǔ)下方的巖土分層結(jié)構(gòu)及基巖面埋深，在測區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行了天然源面波（微動）測量工作。主要目的是查明擬建橋基礎(chǔ)下方巖土體分層結(jié)構(gòu)、基巖面埋深及巖溶發(fā)育情況。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集

本次微動工作使用中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)的GN201微動探測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用三重圓規(guī)則臺陣方式進(jìn)行觀測，內(nèi)切圓有小到大半徑依次為3m、6m、12m，采樣頻率250 kHz，采集時間30min。

2.1.2 L1 剖面異常特征

由L1剖面微動Vr-D剖面圖（圖3）可知，解釋地層巖性由上往下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、混粉質(zhì)黏土卵石、黏土、大理巖的反映。在水平距13～19m，深度26～30.5m處，呈閉合、半閉合圈狀低 速異常反映，解釋推測為巖溶發(fā)育區(qū)。

圖3 L1線微動Vr-D剖面圖Figure 3 L1 line microtremor Vr-D profile

在2號點的位置處布置了一個驗證孔，從右圖可以看出，微動分層與鉆孔分層基本一致，在深度26.7～32.2m處發(fā)現(xiàn)一溶洞，與微動推測巖溶發(fā)育也基本一致。

2.1.3 L6剖面異常特征

由L6剖面微動Vr-D剖面圖（圖4）可知，解釋地層巖性由上往下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、混粉質(zhì)黏土卵石、黏土、大理巖的反映。在此剖面未發(fā)現(xiàn)明顯的巖溶發(fā)育區(qū)。

在1號點的位置處，布置了一個驗證孔，從右圖可以看出，鉆孔分層與微動分層基本一致。

2.2 人工源瞬態(tài)面波法

圖4 L6線微動Vr-D剖面圖Figure 4 L6 line microtremor Vr-D profile

安徽某小區(qū)在前期的工程勘察過程中，發(fā)現(xiàn)場地內(nèi)局部地區(qū)巖溶發(fā)育。在工程施工前需查明場地20～30m深度范圍內(nèi)基巖面起伏及下部巖溶發(fā)育情況。在測區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行了人工源瞬態(tài)面波工作。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

本次瞬態(tài)面波勘探外業(yè)工作使用GS201分布式高精度地震儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用人工激發(fā)震源，4Hz單分量檢波器拾波。采集參數(shù)：14道接收、采樣間隔0.25ms、記錄長度1s、記錄延時0ms、道間距2m、偏移距6m，等道間距直線排列觀測系統(tǒng)。

2.2.2 空間平面異常特征

由人工源瞬態(tài)面波各剖面Y-Z方向電阻率切片圖（圖5）可以更形象、清晰看出本區(qū)地層巖性分布格架。淺部主要為低速，深部為高速，整體表現(xiàn)為由淺至深速度值依次遞增的趨勢，依次對應(yīng)巖性分別為第四系覆蓋層、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、灰?guī)r。在剖面大號點的中深部出現(xiàn)不同程度的低速下凹狀異常反映，解釋推測為基巖裂隙發(fā)育或地層接觸帶的反映。

2.2.3 不同高程平面等值線圖異常特征

從視橫波速度不同高程X-Y水平方向電阻率切片圖(圖6)可以看出：該樓整體范圍內(nèi)視橫波速度值較高。在場區(qū)的東南部呈不規(guī)則低速閉合圈、半閉合圈異常，解釋推測為基巖裂隙、節(jié)理發(fā)育；垂向上隨深度增加，呈尖滅狀分布；橫向水平連通性較差，無大面積連通現(xiàn)象。

2.3 人工源面波與天然源面波聯(lián)合勘探

由于人工源瞬態(tài)面波法勘探對淺部地層分辨率較高，但受激發(fā)能量限制勘探深度有限，微動勘探深度大，但淺部勘探時存有盲區(qū)，所以本次工作采用瞬態(tài)面波法與微動聯(lián)合勘探，可以兼顧淺層分辨率和探測深度，達(dá)到探測目的。

圖5 人工源瞬態(tài)面波各剖面Y-Z方向切片圖Figure 5 Y-Z direction slice diagram of each profile of artificial source transient surface wave

圖6 不同高程Vs X-Y水平切片圖Figure 6 X-Y horizontal slice diagram of different elevation Vs

圖7 天然源（微動）與人工源瞬態(tài)面波頻散合并示意圖Figure. 7 Schematic view of natural source (microtremor) and artificial source transient surface wave dispersion merge

2.3.1 天然源（微動）與人工源瞬態(tài)面波頻散的合并

天然源（微動）與人工源瞬態(tài)面波頻散合并采用處理軟件中的高級面波模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理如圖（圖7）所示，根據(jù)合并后頻散曲線進(jìn)行反演分層。

2.3.2 資料處理與分析

安徽某區(qū)域環(huán)境綜合整治工程，需要詳細(xì)調(diào)查測區(qū)水文地質(zhì)及地下水污染狀況， 根據(jù)場地條件和地層特點，本次物探選用人工源與天然源面波聯(lián)合勘探，與水文鉆孔、工程鉆孔相結(jié)合，來研判測區(qū)地層結(jié)構(gòu)和地層巖性從面波反演分層圖（圖8）以及面波反演分層與鉆孔分層對比表（表1）可以看出，面波反演分層與鉆孔分層基本一致，且比鉆孔分層更加精細(xì)。充分說明了面波聯(lián)合勘探的有效性，既能對淺部有較高的分辨率，又能兼顧勘探深度。

圖8 面波反演分層圖Figure.8 Surface wave inversion layering diagram

表1 面波反演分層與鉆孔分層對比表Table 1 Comparison table of surface wave inversion layering and drilling layering

3 結(jié)語

（1）從以上實例中可以看出，面波勘探在查找?guī)r溶發(fā)育、地層分層方面有著明顯的優(yōu)勢，它可以解決常規(guī)地震方法無法解決的問題，如速度倒轉(zhuǎn)、薄層等問題；由于面波速度接近橫波速度，測試精度高；有著設(shè)備簡單、工作效率高、應(yīng)用范圍廣、成本低、效益高、受場地條件限制小等優(yōu)點，因此面波勘探在工程勘察中有著廣闊的應(yīng)用前景。

（2）目前劃分土地類型以及場地類別仍舊依據(jù)常規(guī)波速測井求取的橫波速度值計算劃分，由于面波法求取的橫波速度和常規(guī)波速測井求取的橫波速度在數(shù)值上有一定的差異，二者是否存在一定的相關(guān)性、面波法求取的橫波速度值能否直接用于劃分場地類別，還需要進(jìn)一步的研究探討。