面波勘探技術(shù)分析

1、 面波勘探技術(shù)分析 一、概述面波勘探，也稱彈性波頻率測(cè)深，是國內(nèi)外近幾年發(fā)展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波（r波）和拉夫波（l波），而r波在振動(dòng)波組中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低，容易識(shí)別也易于測(cè)量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。人們根據(jù)激振震源的不同，又把面波勘探分為穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法、無源法。它們的測(cè)試原理是相同的，只是產(chǎn)生面波的震源不同罷了。二、面波勘探技術(shù)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。在各向均勻半無限空間彈性介質(zhì)表面上，當(dāng)一個(gè)圓形基礎(chǔ)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由miller（1955年）出

2、來，即p波占7%、s波占26%、r波占67%，亦就是說，r波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用r波作為勘探方法，其信噪比會(huì)大大提高。綜合分析表明r波具有如下特點(diǎn)：在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強(qiáng)；在不均勻介質(zhì)中r波相速度（vr）具有頻散特性，此點(diǎn)是面波勘探的理論基礎(chǔ)；由p波初至到r波初至之間的1/3處為s波組初至，且vr與vs具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)式為：vr=vs（0.87+1.12）/（1+）；式中：為泊松比；此關(guān)系奠定了r波在測(cè)定巖土體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用；r波在多道接受中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸；質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；r波是沿

3、地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個(gè)波長（r）尺度范圍內(nèi)。依據(jù)上述特性，通過測(cè)定不同頻率的面波速度vr，即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計(jì)算相應(yīng)地層的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，達(dá)到巖土工程勘察之目的。三、野外工作方法應(yīng)用瞬態(tài)法進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)試時(shí)一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對(duì)比和分析。當(dāng)錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時(shí)，就可以產(chǎn)生一個(gè)寬頻帶的r波，這些不同頻率的r波相互迭加，以脈沖信號(hào)的形式向外傳播。當(dāng)多道低頻檢波器接收到脈沖形振動(dòng)信號(hào)后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集，頻譜分析后，把各個(gè)頻率的r波分離出來，并求得相應(yīng)的vr值，進(jìn)而繪制面波頻散曲線。當(dāng)選取兩道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，應(yīng)使兩檢波器接收到的信號(hào)具有足夠

4、的相位差，其間距x應(yīng)滿足（r/3）r，即在一個(gè)波長內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)要小于在間距x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的3倍，而大于在間距x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的1倍，該采集濾波原則對(duì)于不同的勘探深度及儀器分辨率和場地地層特性可作適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)采用多道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，雖然不受道間距公式的約束，但野外數(shù)據(jù)采集時(shí)也應(yīng)考慮勘探深度和場地條件的。一般來說，當(dāng)探測(cè)較淺部的地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用小的x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻信號(hào)，即可獲得較好的結(jié)果；當(dāng)探測(cè)較深部的地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用較大的x值，并用重錘沖擊地面，以產(chǎn)生較低頻率的信號(hào)，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達(dá)到巖土工程勘察之目的。震源點(diǎn)的偏移距從理論上講越大越好，且易采

5、用兩端對(duì)稱激發(fā)，有利于r波的對(duì)比、分辨和識(shí)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(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取。就目前的儀器設(shè)備條件和反演技術(shù)水平，選用偏移距2040m即可獲得較好的測(cè)試結(jié)果。由多道檢波數(shù)據(jù)反演處理后可得一條頻散曲線，一般把它作為接收段中點(diǎn)的解釋結(jié)果。實(shí)際上該曲線所反映的地層特性為接收段內(nèi)地層性質(zhì)的平均結(jié)果，故當(dāng)探測(cè)場地地下介質(zhì)水平方向變化較大時(shí)，只要能滿足勘探深度的要求，盡量使反演所用的接收段減小，以使解釋結(jié)果更具客觀實(shí)際。四、工程某建筑物由主壩和副壩兩部分組成，其中主壩擬選壩型為混凝土閘壩，最大壩高39.93m，壩長358.5m；副壩布置在河左岸級(jí)階地，擬

6、建壩型為土石壩，壩高5m左右，壩長約1.5km。測(cè)區(qū)地層巖性由上至下依次為：覆蓋層由全新統(tǒng)風(fēng)積砂壤土、粉細(xì)紗和全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石組成；下伏基巖由棕紅色、紫紅色砂質(zhì)粘土巖組成，局部夾有礫巖。為探測(cè)覆蓋層厚度并進(jìn)行地層劃分，采用瞬態(tài)面波進(jìn)行勘探。實(shí)測(cè)使用美國r24工程地震儀和4hz低頻檢波器。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理使用sfksws軟件，其流程為：輸入面波記錄文件顯示和檢查實(shí)測(cè)曲線數(shù)據(jù)圈定面波數(shù)據(jù)窗口在fk域搜索確定基階面波頻譜峰脊并拾取頻散數(shù)據(jù)按搜索確定的基階面波頻譜峰脊圈定出基階面波頻譜范圍生成面波頻散曲線地質(zhì)分層（人工或自動(dòng)）繪制反演擬合曲線打印輸出結(jié)果。r波在非均勻介質(zhì)中傳播具有頻散特性，所以不同頻

7、率（波長）的r波具有不同的傳播速度。模型試驗(yàn)和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)探測(cè)的巖土層介質(zhì)較為均一時(shí)，r波的相速度隨深度的加大而按線性增加，只有出現(xiàn)不同介質(zhì)的分界面時(shí)，頻散曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)所謂“z”字型變化，該變化特征是由于地表接收到的波從上一層漏能型波轉(zhuǎn)入下一層漏能型面波，且此轉(zhuǎn)折點(diǎn)與兩介質(zhì)間的界面埋深有密切的關(guān)系，由此可依據(jù)實(shí)測(cè)頻散曲線的“z”字型變化點(diǎn)來劃分地下巖性變化的分界面。實(shí)測(cè)面波反演解釋結(jié)果，其中各圖的右側(cè)為隨深度變化的面波頻散曲線，左側(cè)為鉆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(fēng)積粉細(xì)砂中部砂卵礫石層下部基巖。同時(shí)由圖還可以得出：表層風(fēng)積砂的瑞利波速度為150250m/s，

8、沖洪積砂卵礫石的瑞利波速度為300400m/s，而下伏基巖（棕紅色、紫紅色砂質(zhì)粘土巖、礫巖等）的瑞利波速度則為440760m/s，說明瑞利波（剪切波）速度隨深度的增加而升高。五、面波探測(cè)存在的問題分析雖然面波探測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用已很廣泛，但實(shí)際工作中還存在以下問題：關(guān)于實(shí)測(cè)面波頻散曲線的“z”字型現(xiàn)象，從模型的解析中還不能精確地解釋此現(xiàn)象。因?yàn)槔碚摰念l散曲線，在介質(zhì)分界面處只出現(xiàn)折點(diǎn)，對(duì)此還需深入和數(shù)值模擬；對(duì)于面波勘探深度的確定，國內(nèi)外大多采用半波長作為r波的勘探深度，此關(guān)系是一經(jīng)驗(yàn)公式，但在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)場地地質(zhì)條件、探測(cè)對(duì)象以及孔旁測(cè)試對(duì)比結(jié)果等作適當(dāng)調(diào)整；測(cè)試深度相對(duì)較淺，一般情況下可靠的測(cè)量深度為2030m，最深不過5060m。當(dāng)測(cè)試深度加大時(shí)，震源信號(hào)就必須具有足夠的低頻信號(hào)，目前尚難滿足此要求。根據(jù)不同的勘測(cè)目的和要求，對(duì)產(chǎn)生r波的震源需作必要的改進(jìn)和研究，以適應(yīng)勘察的需要。如用錘子作