面波法勘探在工程勘察中的應(yīng)用

西南科技大學(xué)在近地表勘探工作中，常用的方法有地質(zhì)鉆探、地震折射和反射容易分辨，特別折射波法要求下層介質(zhì)的速度一定要大于上層介質(zhì)的雷面波勘探法是一種新型的地震勘探方法，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足。本文就是研究如何利用瑞雷面波的頻散特性進(jìn)行淺層地質(zhì)勘探檢 1 2第二章瑞利波勘察原理及現(xiàn)場(chǎng)工作方法 32.1瑞利波勘察原理 32.2多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)采集方法 4第三章瑞利波資料整理與解釋 63.1面波頻散曲線的深度解釋 3.2層厚度的計(jì)算方法 3.3層速度的計(jì)算方法 9 西南科技大學(xué)4.2數(shù)據(jù)采集和處理 4.3底層劃分及滑動(dòng)面確定 西南科技大學(xué)面波勘探，也稱彈性波頻率測(cè)深，是國(guó)內(nèi)外近幾年發(fā)展起來(lái)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，集中于自由表面，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①穩(wěn)態(tài)法、②瞬態(tài)法、③無(wú)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。1938年德國(guó)土力學(xué)協(xié)會(huì)首次嘗試用穩(wěn)態(tài)振動(dòng)來(lái)檢測(cè)巖土的各種彈性力學(xué)參數(shù)。1960年美國(guó)密西西比陸軍工程隊(duì)水陸試驗(yàn)所開始開發(fā)類似的技術(shù)方法，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，均未獲得成功。瑞利波來(lái)研究淺部地質(zhì)問(wèn)題，并于1973年在第42屆國(guó)際地球物理勘探年會(huì)上發(fā)表了到80年代初，日本的VIC株式會(huì)社經(jīng)過(guò)多年的研究試制，推出了GR-810佐藤式全自動(dòng)地下勘探機(jī)，才使該項(xiàng)物探技術(shù)在淺層工程勘察工作中得以應(yīng)用。上個(gè)世紀(jì)九十年代中期，日本科學(xué)家在研究常時(shí)微動(dòng)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，常時(shí)微動(dòng)是一種震源（包含面波在內(nèi)）并初步完成了地基勘察。這是一項(xiàng)具有很大潛力的面波勘探方法。西南科技大學(xué)地震波是地震震源在地球介質(zhì)中產(chǎn)生的擾動(dòng)。在有介質(zhì)分界面存在時(shí)，地震波除了像反射波和折射波那樣在整個(gè)介質(zhì)體內(nèi)傳播的體波外，還存在一類沿介質(zhì)自由界面?zhèn)鞑サ拿娌ǎ?dāng)它沿著自由表面?zhèn)鞑r(shí)，其能量主要集中在自由表面附近，并隨著深度的增加能量迅速衰減。面波按其類型主要有瑞雷面波和勒夫面波兩大類。表面為疏松的覆蓋層內(nèi)。當(dāng)介質(zhì)為均勻各向同性介質(zhì)時(shí)，瑞雷面波的相速度和群速度將一致，否則瑞雷波的相速度將不一致，出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，當(dāng)介質(zhì)具有水平層狀性質(zhì)時(shí)，瑞雷面波的頻散規(guī)律與介質(zhì)的分層結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。瑞雷面波既有P波成分也有Sv波成分，而無(wú)SH波成分。瑞雷面波在天然地震中常?？梢杂^測(cè)到，它對(duì)建筑物的破壞性極大。在地震勘探中，瑞雷波已由過(guò)去的干擾波變成勒夫面波產(chǎn)生于介質(zhì)表面的低速覆蓋層以及該層與下面介質(zhì)的分界面上。勒夫面波面波是一種SH型波，具有頻散現(xiàn)象。假定存在一均勻完全彈性的半無(wú)限空間，不均勻平面縱波與不均勻平面橫波沿自由表面?zhèn)鞑r(shí)相互疊加就產(chǎn)生了瑞利面波。在各向均勻半無(wú)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）計(jì)算出來(lái)，即P波占7%S波占噪比會(huì)大大提高。西南科技大學(xué)第二章瑞利波勘察原理及現(xiàn)場(chǎng)工作方法瑞利波沿地表面?zhèn)鞑ィ浯┩改芰H有一個(gè)波長(zhǎng)，也就是說(shuō)，可以達(dá)到距表層一個(gè)波長(zhǎng)入R的深度范圍。如果能在水平方向的測(cè)線上記錄同一波長(zhǎng)不同點(diǎn)的VR值，就可以反應(yīng)地質(zhì)界面在水平方向的變化特征。若記錄不同入R的VR值,也就可以反映出不同深度的地層分布和特征。瑞利波和反、折射波一樣都是沿測(cè)線方向傳播的。在測(cè)線上以一定道間距△X設(shè)置N+1個(gè)檢波器，就可以觀測(cè)到瑞利波在N△X長(zhǎng)度范圍內(nèi)傳播的過(guò)程。設(shè)瑞利波的頻率為fi，相鄰兩各檢波器的瑞利波的到時(shí)差為△t或相位差為,則相鄰兩道△X長(zhǎng)度的范圍內(nèi)，瑞利波的傳播速度，可以記為:2二舌―2：fi<<2\t_的平均速度為在同一地段測(cè)量出一定頻率的值就可以得到一條(VR-f）曲線，即所謂的頻散特性曲線或把（VR-f）曲線轉(zhuǎn)化為（VR-入R）曲線，可用下式表示:f線的反演解釋，可以得到地下某一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造,也可以得到不同深度地層的VR值。西南科技大學(xué)一套完整的多道瞬態(tài)面波采集系統(tǒng)至少應(yīng)該配備以下儀器和配件：也可以采用其它通用多通道數(shù)字地震儀，數(shù)據(jù)通道不應(yīng)低于六道。數(shù)據(jù)傳輸線：用于檢波器和地震儀間的數(shù)據(jù)傳輸，其長(zhǎng)度不應(yīng)小于最大測(cè)線長(zhǎng)度。檢波器：用于接收地震波信號(hào)，面波采集時(shí)應(yīng)采用低頻檢波器。觸發(fā)開關(guān)：觸發(fā)開關(guān)通過(guò)導(dǎo)線連接震源和地震儀，以保證震源的激發(fā)的同時(shí)地震開據(jù)，使所采集的地震信號(hào)具有時(shí)間特性。震源：一般的淺層面波勘探常采用錘擊震源，也可采用落重或炸藥電源：根據(jù)不同的儀器要求，配備相適應(yīng)電源。野外數(shù)據(jù)采集時(shí)使用低頻面波檢波器在震源縱向方向等間距大于預(yù)期探測(cè)深度，排列線附近地面盡量避免有溝、坎、墻等能產(chǎn)生反射或散射的障礙物。2、參數(shù)設(shè)置西南科技大學(xué)儀器開啟進(jìn)入面波采集系統(tǒng)后，需要對(duì)以下各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置:存盤路徑：用來(lái)指定數(shù)據(jù)的存放地點(diǎn)，方便以后調(diào)用。件名，否則極易搞混淆。文件名應(yīng)該包括代號(hào)和代碼兩部分,程名稱的拼音簡(jiǎn)寫，代碼部分用來(lái)表示數(shù)據(jù)采集的先后順序,采樣間隔：常采用0.20或0.25ms道數(shù)：根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，常采用12道或24道。道間距：道間距由測(cè)線長(zhǎng)度和道數(shù)控制，設(shè)測(cè)線長(zhǎng)度為所以必須正確設(shè)置文代號(hào)部分一般用工可以由儀器自動(dòng)生道間距為L(zhǎng)/(n-1)。道間距的設(shè)置還應(yīng)該考慮分辨率要求,薄地不能大于欲探測(cè)的最偏移距：視具體情況而定，取值范圍一般為2~10米。3、震源激發(fā)多道瞬態(tài)面波震源激發(fā)位置必須位于檢波器排列的縱向方向可置于后端，最小偏移距不宜低于2m。震源能量視預(yù)期勘探深度而定，當(dāng)預(yù)期勘探深度小于30m時(shí)，可用人工錘擊震源，預(yù)期勘探深度在30~80m可采用落重震源，預(yù)期勘探深度大于80m時(shí)一般應(yīng)使用炸藥震源。瞬態(tài)面波測(cè)深要求采用的震源在時(shí)間上是單個(gè)脈沖的沖擊。在錘擊或落重操作中往往會(huì)產(chǎn)生連擊，甚至在爆炸時(shí)，由于圍巖的影響，也能出現(xiàn)反沖。如果兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔小于期望獲得的面波最長(zhǎng)周期，就不可能用時(shí)間-空間窗口加以清除，而會(huì)在頻率波4、數(shù)據(jù)檢查與保存當(dāng)震源激發(fā)后，地震儀會(huì)將所接受到的地震波形記錄顯示在屏幕上，可以通過(guò)增益控制鍵調(diào)整波形幅度，觀察有無(wú)缺道以及干擾的大小等，然后確定記錄信號(hào)的質(zhì)量是否合乎要求。有的工區(qū)，由于客觀條件的限制而無(wú)法避開干擾，這時(shí)就需要采用多次疊加技術(shù)來(lái)壓制干擾，疊加的次數(shù)視具體情況而定。當(dāng)確西南科技大學(xué)要利用面波頻散曲線進(jìn)行地層劃分，首先要確定面波波長(zhǎng)與深度的轉(zhuǎn)換系數(shù)瑞雷波的能量隨深度按指數(shù)規(guī)律衰減，通常定義當(dāng)振幅比禺/葩衰減到針對(duì)不同的巖土介質(zhì)，我們可以計(jì)算出穿透深度與振幅能量之間的關(guān)系，如表3-1所示，從而確定出比較合理的深度H與波長(zhǎng)入R的轉(zhuǎn)換系數(shù)值B值。從表3-1中可以看出，對(duì)于所有的介質(zhì)，瑞雷波的穿透深度為0.55入只~0.875入R。對(duì)于土體而言，泊松比0.4-0.45,則穿透深度H"(0.79-0.84)入R。對(duì)于淤泥質(zhì)軟塑土層，穿透深度可取0.85XR。對(duì)于一般土層穿透深度可采用：H7.8十0.8VRf(3-1)實(shí)際應(yīng)用中，由于各測(cè)區(qū)地層條件一般不會(huì)相同，驗(yàn)來(lái)確定合適的深度的轉(zhuǎn)換系數(shù)Bo所以應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試BR深一般來(lái)說(shuō)，以上述B值繪出VR—BXRBR深度以上的平均速度，其變化規(guī)律與VR—XR曲線一致。表3-1不同介質(zhì)中瑞利波的穿透深度0.150.200.250.300.400.450.480.6650,6930.7220.75305850.S1Q0.8570,8980,9260.2550.2660.2770.2890.3010.31503300341P0.55X0.5750.6250,650.700.750.790.840,875在實(shí)際勘察工作中，以VR為橫坐標(biāo)，以H=B入為縱坐標(biāo)，繪制VR-H曲西南科技大學(xué)線（如圖3-2）,曲線的縱坐標(biāo)就可近似代表勘探深度。分析和變化規(guī)律，可以初步確定地層界面深度以及各層速度的大概范圍。層段劃分主要有以下兩種方法：RR精確確定地)三層介質(zhì)的頻飪曲線圖根據(jù)蘭一「R曲線的極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分層「-丘R置，計(jì)算出拐點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)-Ri,同樣根據(jù)H二■--Ri確定出分層深度。需要注意的是瑞利波速度代表著1'Ri深度以上介間的影響西南科技大學(xué)層速度計(jì)算一般采用近似計(jì)算方法，即近似的認(rèn)為瑞雷波傳播速度代表某一深度內(nèi)各層波速的加權(quán)平均值。分層速度由下式計(jì)算：速度隨深度減小時(shí):西南科技大學(xué)VRmn為第n點(diǎn)深度;HnH2、橫波速度由瑞雷波的基本原理可知，在均勻各項(xiàng)同性半無(wú)限彈性介質(zhì)中，瑞雷波速度和橫波0.95VS。由此，在計(jì)算巖土的力學(xué)參數(shù)時(shí)，可利用VR代替VS進(jìn)行近似計(jì)算。0.260.9210360340,9335260,270.9226540350.9350180.28[).9242560.9364330.29a.9258420370.9379360.300.9274130.380.9393720310.9289650390.9407920320.9305020.400,9421950330.932022<1410.94358]0,904003t).9()752K0.9I099S0.^)127070.9I441M0,9160850.9177510.9194020*874032O.H779240.S817800.8893740^93106O.H967890,9004220,W95l0.9463030.9476400.9489590.9502620.9515490.9528200.954074o“430.440.450.460.49a0.020.040.060.0Sa0,160,180.200.210.220.240.25RSRS西南科技大學(xué)2007年春季，陜西延長(zhǎng)縣某河岸黃土陡邊坡出現(xiàn)滑動(dòng)跡象，嚴(yán)重威脅穿行而過(guò)的輸氣管道的安全?；聟^(qū)位于陜北黃土高原中部地區(qū)，屬于典型的繼承型和繼承、侵蝕混合型的黃土溝壑地貌。黃土廣覆于下伏起伏的基巖古地形之上，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下，由于河流的長(zhǎng)期侵蝕切割，形成溝谷深切的地形。該處滑坡受河流的侵蝕切割作用，坡體前部形成陡坡臨空面，為滑坡提供了滑動(dòng)的空間條件。該滑坡危及輸氣管線的安全，所以必須盡快勘察和治理。由于時(shí)間緊迫，按常規(guī)的勘察方法很難滿足工期要求，急需一種快速、高效、準(zhǔn)確的勘探方法。經(jīng)分析和研究，最后確定了以多道瞬態(tài)面波勘探為主，配以少量鉆孔加以驗(yàn)證的勘察方案。面波勘察的任務(wù)是要?jiǎng)澐值貙硬⒋_定滑動(dòng)面的位置。儀器采用北京水電物探研究所SWS工程地震儀，檢波器使用4赫茲面波檢波器，震源采用18磅鐵錘錘擊合金墊板。采集時(shí)參數(shù)設(shè)置如下：偏移距：各點(diǎn)取4m和8m各采集一組數(shù)據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)試中沿河堤走向布置測(cè)線，等間距設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)（CD1~CD6），總覆蓋長(zhǎng)度約2、數(shù)據(jù)分析和處理對(duì)所采集的數(shù)據(jù)按本文所述方法在時(shí)間-空間域和頻率-波數(shù)域進(jìn)行初步處理和分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)面波數(shù)據(jù)呈現(xiàn)兩類不同的特征：一類是基階面波型號(hào)很強(qiáng)，高階信號(hào)較弱，，如圖4-1所示，類似I類（波-西南科技大學(xué)速由表層向底層逐層增高的橫向均勻介質(zhì)）地層面波頻散特性。二類是基階面波和高階面波都很強(qiáng)，但是能夠區(qū)分，如圖4-2所示，類似U類（底層波速最高，中部含低速層的橫向均勻介質(zhì)）地層面波頻散特性。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，測(cè)區(qū)面波頻散曲線形狀非常類似，都具有兩處明顯拐折，較CD6）在時(shí)間-空間域和頻率-波數(shù)域出現(xiàn)類似I類地層的面波頻散特征，則是由于該處低速層深度較大，減弱了高速波導(dǎo)效應(yīng)。事實(shí)上，我們從圖上可以看出，高階面波還是具有一定能量，要比正常I類地層中高階面波信號(hào)稍強(qiáng)。由此可以得出，測(cè)區(qū)內(nèi)地層都可以歸將驗(yàn)證孔的地質(zhì)和面波資料進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)多次計(jì)算和比較，確定B取0.8最為合適。按此換算系數(shù)得出的面波H-VR曲線上兩處拐折很好的對(duì)應(yīng)了兩處地層分界面，如圖4-3所示。由此也確定了層段劃分標(biāo)準(zhǔn)。)-西南科技大學(xué)135&00實(shí)測(cè)面波S-T域波形記錄及0對(duì)所有資料進(jìn)行時(shí)間空間域和頻率-波數(shù)域處理后得到各測(cè)點(diǎn)基階面波頻散曲線，然后按上面得出的波長(zhǎng)-深度轉(zhuǎn)換系數(shù)將面波頻散曲線轉(zhuǎn)換為H-VR曲線。各曲線按其測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置顯示在圖4-4中。4.3地層劃分及滑動(dòng)面確定利用所得VR-H曲線反演橫波速度結(jié)構(gòu)，反演方法采用人機(jī)聯(lián)合反演。首先根據(jù)頻散曲線的形狀特點(diǎn)確定地層界面位置，然后再反演其橫波速度結(jié)構(gòu)。反演結(jié)果見表4-1。表4-1測(cè)點(diǎn)1~6橫波速度反演結(jié)果表sVs-西南科技大學(xué)層號(hào)層號(hào)深度(s)s深度(s)深度(s)VVs可以看出，地層橫波速度總體隨深度加深呈增大趨勢(shì)，深度在20m左右出現(xiàn)低速夾層，橫波速度值不超過(guò)200m/s。歸納各點(diǎn)橫波速度結(jié)構(gòu)并結(jié)合驗(yàn)證孔地層結(jié)構(gòu)情況，確定測(cè)線下方從上向下依次分布四層地層：1、地表至8米深度左右，橫波速度97?207孔隙發(fā)育，天然狀態(tài)下垂直節(jié)理十分發(fā)育，遇水顯濕陷性，強(qiáng)度很低。該層在陡坡處出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。2、黃土層下方，波速范圍227?263(m/s),為黃土質(zhì)砂粘土：黃褐色，結(jié)構(gòu)致密，垂直節(jié)理發(fā)育，無(wú)層理，無(wú)濕陷性，抗剪強(qiáng)度較高?；?，多為土狀，位于地下水位以下，遇水軟化，抗剪強(qiáng)度極低。該層即為滑動(dòng)帶。4、最底層的橫波速度明顯增大，超過(guò)400(m/s),為砂巖：灰色-灰白色，堅(jiān)硬，抗剪強(qiáng)度高，頂部具有3-5米的風(fēng)化帶，具有垂直節(jié)理，但其空隙和節(jié)理中往往充填了粘土物質(zhì)而形成相對(duì)的隔水層，易于形成滑坡面。坡沿河堤走向的地層解釋剖面，圖4-6為該滑坡沿滑坡軸方向的地層解釋剖面。瞬態(tài)面波方法在該滑坡勘察中的應(yīng)用取得了良好的效果：為滑坡治理方案的設(shè)計(jì)提供了地層分層參數(shù)；節(jié)約了勘察成本，縮短了勘察周期，為滑坡的治理贏得了寶貴的時(shí)間；采用面波勘探方法，避免了大量鉆探工作對(duì)土體的擾動(dòng)而加速-H西南科技大學(xué)滑坡體的滑動(dòng)巖性推述巖性推述黃土=淺黃豐.結(jié)構(gòu)疏松.孔陳發(fā)育n孑黃土質(zhì)砂輅七黃褐邑*=!結(jié)構(gòu)救蚣無(wú)層理.-直節(jié)理.強(qiáng)風(fēng)化.彳砂巖=灰白-灰色，堅(jiān)￥BCHM》巖性呼號(hào)深度■-::—各點(diǎn)頻敢（VR-H）曲線對(duì)比顯示用□*-8d-12H-16d-2tHM述奸001503204DQ?-西南科技大學(xué)刮用橫波速度結(jié)構(gòu)解釋的地質(zhì)剖面圖滑城刑面圖匝面及科距離5)本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)瑞利波勘察的方法可以得出以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：1、瞬態(tài)瑞雷波法用于淺層地質(zhì)勘探和工程檢測(cè)具有高效，環(huán)保，經(jīng)濟(jì)，抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在中間夾軟弱低速層的復(fù)雜地層條件下也能使用，能夠彌補(bǔ)傳勘2、多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，采用頻率-波數(shù)譜分析法求取頻散曲線效率-西南科技大學(xué)高，結(jié)果很穩(wěn)定，但其只能反映地層在橫向變化的平均效應(yīng)。3、不同結(jié)構(gòu)類型地層的面波頻散特征不同，相應(yīng)的面波采集處理方法也應(yīng)不一4、在實(shí)際面波勘探工作中，應(yīng)該根據(jù)測(cè)區(qū)面波資料與地