摘要:多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)是近幾年快速發(fā)展起來(lái)的高新物探技術(shù)，在工程勘察中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文主要敘述了多道瞬態(tài)面波技術(shù)的勘察原理、技術(shù)方法以及數(shù)據(jù)處理解釋，然后通過(guò)在電力工程勘察中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究和總結(jié)。
關(guān)鍵詞:多道瞬態(tài)面波;高新物探技術(shù);電力工程勘察
多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù) （ 以下簡(jiǎn)稱面波技術(shù) ） 是近幾年快速發(fā)展起來(lái)的高新物探技術(shù)，利用其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性可以解決諸多的工程地質(zhì)問(wèn)題。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和對(duì)面波研究的不斷深入，利用面波進(jìn)行勘察得到廣泛的發(fā)展，面波技術(shù)在近些年中成功應(yīng)用于巖土工程勘察領(lǐng)域，在滑坡、斷裂帶、巖溶等不良地質(zhì)體調(diào)查，以及地層劃分等方面發(fā)揮了巨大作用。西北電力設(shè)計(jì)院自 2007 年引進(jìn)了北京水電物探研究所的 SWS 面波儀，開(kāi)展了大量的電力工程面波勘察工作，探索資料處理解釋方法和應(yīng)用范圍，取得了良好的成果，也取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
1 方法原理
面波是指在彈性分界面處由于波的干涉而產(chǎn)生，并且沿界面?zhèn)鞑デ也▌?dòng)現(xiàn)象集中在界面附近的一種彈性波。具有以下幾種主要特性 :
�。�1） 在均勻介質(zhì)條件下，面波的傳播速度VR與其振動(dòng)頻率 f （ 即面波的波長(zhǎng) ） 無(wú)關(guān)，面波在均勻介質(zhì)中傳播沒(méi)有頻散性。在不均勻介質(zhì)中，面波的傳播速度 VR是頻率的函數(shù)，即面波的傳播速度隨著頻率的變化而變化。面波在非均勻介質(zhì)中具有頻散特性。這是面波勘察的物理基礎(chǔ)。
（2） 在多層介質(zhì)中，面波具有明顯的頻散特性。面波沿地表傳播，影響表層的深度約為一個(gè)波長(zhǎng)，在深度約為半波長(zhǎng)時(shí)，面波能量最大，因此某一波長(zhǎng)的面波的速度主要與小于一個(gè)波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)的地層有關(guān)。這是進(jìn)行面波勘察定量解釋的依據(jù)。因此同一波長(zhǎng)面波的傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長(zhǎng)的面波的傳播特性反映了不同深度的地質(zhì)情況。
利用瞬態(tài)沖擊力作為震源，激發(fā)包含多種頻率成分的地震波，在地面上沿波的傳播方向以一定的道間距 ΔX 設(shè)置 N+1 個(gè)檢波器，就可以檢測(cè)到面波在 N×ΔX 長(zhǎng)度范圍內(nèi)的傳播過(guò)程。
設(shè)面波的頻率為 f,相鄰檢波器記錄的面波的時(shí)間差為 Δt（ 或相位差為 ΔФ），則相鄰道長(zhǎng)度內(nèi)面波的傳播速度為 :【1】
在同一地段測(cè)量出一系列頻率對(duì)應(yīng)的值VR 就可以得到一條 VR ~ f 頻散曲線，頻散曲線的變化規(guī)律與地下介質(zhì)條件存在著內(nèi)在聯(lián)系。
根據(jù)頻散曲線和反演計(jì)算，就可以劃分地下介質(zhì)的分布形態(tài)。
2 野外施工參數(shù)設(shè)置
2.1 干擾波的處理
面波勘察野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，會(huì)遇到很多干擾波，例如 :聲波、直達(dá)波、反射波、折射波、多次反射波、繞射波、散射波，另外還會(huì)由于環(huán)境等影響會(huì)出現(xiàn)工業(yè)游離電、微震動(dòng)等干擾。
由于有效波和干擾波在波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的差異主要表現(xiàn)在頻譜、視速度、波至?xí)r間、振幅、波形等方面。干擾波的處理措施主要為 :
�。�1） 設(shè)置合理的偏移距，可以使直達(dá)波、反射波、折射波、聲波等規(guī)則干擾波與面波分離開(kāi)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理剔除干擾波。
�。�2） 對(duì)于不規(guī)則干擾波要通過(guò)試驗(yàn)找到其發(fā)生的規(guī)律，尋找合適的觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，減少其影響。在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中濾波、疊加等數(shù)字處理手段進(jìn)行壓制。
在一個(gè)新的工作區(qū)域開(kāi)展面波勘察工作之前，必須進(jìn)行有效波、干擾波的試驗(yàn)工作，以了解規(guī)則和不規(guī)則干擾波的存在情況，從而確定觀測(cè)系統(tǒng)和采集參數(shù)設(shè)計(jì)工作。
2.2 采集參數(shù)設(shè)置
2.2.1 檢波器的選擇一般采用動(dòng)圈式檢波器，除了要求防水性好、高保真、合理的阻尼系數(shù)、線形響應(yīng)好外，更多是要考慮檢波器的諧振頻率。一般對(duì)于土層宜采用 4 Hz 或 10 Hz 的檢波器，對(duì)精度要求高的淺部探測(cè)可以選用 28 Hz 的檢波器。
2.2.2 偏移距的選擇偏移距的選擇可以確定合適的接收窗口，一方面可以使直達(dá)波、反射波等干擾波與面波在時(shí)間上能區(qū)分開(kāi)，另一方面合適的情況下還可以使高階面波和基階面波分離開(kāi)，得到更純的面波。偏移距太小，不能分辨出面波和干擾波；偏移距太大，后震動(dòng)的能量就減弱，影響分辨率。野外采集數(shù)據(jù)時(shí)，要根據(jù)場(chǎng)地條件進(jìn)行試驗(yàn)后確定偏移距參數(shù)。
2.2.3 道間距的選擇道間距的選擇主要考慮到勘探深度與勘探精度。依據(jù)采樣定理，對(duì)于面波而言，道間距要小于需要勘探的最淺深度所需波長(zhǎng)的 1/2,才能保證在空間域 （x 方向 ） 不會(huì)出現(xiàn)空間假頻 ;面波的勘察深度基本與排列的長(zhǎng)度相當(dāng)。
2.2.4 激振源的選擇常用的激振源包括炸藥、雷管、電火花、震源車、錘擊等。實(shí)際工作中從電力勘察的成本、安全方面考慮一般采用錘擊和落重兩類震源。通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)。
�。�1） 隨著震源重量的增加，激發(fā)出的面波中低頻率成分比重越大。
（2） 在等重量條件下砂土激發(fā)的面波頻散曲線要好于力錘激發(fā)的曲線。
（3） 面波勘察工作，應(yīng)根據(jù)勘察目的選擇合適的震源，震源材質(zhì)在條件許可情況下可盡量使用砂土，勘察淺部信息時(shí)宜采用重量輕的震源，激發(fā)高頻率面波 ;勘察深部信息時(shí)，宜采用重量大的落重，激發(fā)低頻高能量面波。
3 數(shù)據(jù)處理解釋
面波勘察采集的數(shù)據(jù)是地震波時(shí)間 （t） 空間域 （x） 的震動(dòng)信號(hào)，包括各種干擾波和有效的面波。所以需要對(duì)原始記錄進(jìn)行處理 :（1） 切除干擾波→拾取面波→ F - K 或 F - V 域譜分析→頻散曲線計(jì)算→正反演擬合計(jì)算。（2） 在面波等速度剖面處理軟件中，把同一測(cè)線上的測(cè)點(diǎn)面波數(shù)據(jù)文件輸入，各測(cè)點(diǎn)按 （1） 處理，輸入各測(cè)點(diǎn)地面的剖面位置坐標(biāo)，軟件根據(jù)各測(cè)點(diǎn)擬合曲線的面波速度，形成彩色的面波波速斷面影像圖，結(jié)合鉆探等資料進(jìn)行綜合分析解釋。
4 工程應(yīng)用實(shí)例
4.1 滑坡勘察
滑坡是指斜坡上的土體或巖體，受河流沖刷、地下水活動(dòng)、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動(dòng)的自然現(xiàn)象。
滑坡，尤其是不穩(wěn)定滑坡的對(duì)工程建設(shè)是一個(gè)巨大的威脅，因此了解滑坡或疑似滑坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)于其定性或治理都具有很重要的意義為了了解某滑坡體的基本形態(tài)，在場(chǎng)地內(nèi)布置了兩條面波測(cè)線，測(cè)線 1 平行于滑動(dòng)方向，測(cè)線 2 垂直于滑坡滑動(dòng)方向。測(cè)線 1 共布置面波測(cè)點(diǎn) 9 個(gè)，使用 SWS 型面波儀，采集參數(shù)為：
點(diǎn)距 2 m,偏移距 2 m,道間距 0.5 m,24 道采集，時(shí)窗 250 ms,激發(fā)震源為 25 磅力錘。第 5 個(gè)測(cè)點(diǎn)中心位置位于滑坡前沿的坎邊，第 1、2 個(gè)測(cè)點(diǎn)的所有檢波器位于滑坡體外 ;測(cè)線 2 布置在滑坡體上，所有檢波器均位于滑坡體內(nèi)，布置了 7 個(gè)測(cè)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采用 F - V 法計(jì)算頻散曲線，L - m 法反演，解釋結(jié)果見(jiàn)圖 1、圖 2.
從平行滑動(dòng)方向測(cè)線剖面圖可以看出地層相對(duì)均勻，在表層以下存在一個(gè)速度變化帶，推斷為軟弱夾層，應(yīng)為地表水滲透順基巖面流動(dòng)造成其上土層變軟弱，由于該處巖石中含云母較多，順著基巖面的方向抗剪切能力降低，加上植被破壞嚴(yán)重、斜坡度數(shù)較大 （28° ）、坡腳修路挖土等因素造成土體出現(xiàn)滑坡。從垂直滑動(dòng)方向的斷面也可以看出在 7 m 深度以上存在軟弱面，只是由于土層厚度不均勻，軟弱面的深度稍有起伏。從面波勘察成果上看，面波技術(shù)能解決滑動(dòng)面勘察任務(wù)�！�
4.2 軟弱夾層勘察
該工程為某高壓輸電線路，線路經(jīng)過(guò)地區(qū)為山區(qū)、厚角礫層，且存在缺水、冰雪、交通狀況差等因素，為了查清塔基下的地層信息，在采用坑探等手段基礎(chǔ)上，又采用了面波技術(shù)進(jìn)行了補(bǔ)充勘察。
在某一塔基處進(jìn)行了面波勘察，使用 SWS型面波儀，采集參數(shù)為 :采樣點(diǎn)數(shù)為 1024,采樣間隔為 0.2 s,道間距為 1 m,偏移距為 5 m,24 道采集，4 Hz 檢波器接收，25 磅力錘為激發(fā)震源。解釋成果見(jiàn)圖 3,從圖中可以看出 :該處地層的波速不是隨深度逐漸增大的，在第二層下存在低速層，說(shuō)明其中夾雜相對(duì)軟弱的地層。
根據(jù)波速可以詳細(xì)劃分本地地層 :表層 0 ~ 5.0m 為中密角礫，局部厚度達(dá) 10.0 m ;下伏地層為密實(shí)角礫，在 18.0 ~ 22.0 m 深度存在中密角礫夾層。地層相對(duì)復(fù)雜，分布不均勻。經(jīng)與后期施工驗(yàn)槽結(jié)果對(duì)比分析，與面波勘察結(jié)果基本吻合，滿足勘察要求。4.3 凍土勘察某 500 kV 輸電線路途經(jīng)青藏高原多年凍土區(qū)，多年凍土指持續(xù)凍結(jié)時(shí)間在 2 年或 2 年以上的土 （ 巖 ）。多年凍土區(qū)勘察的重點(diǎn)是查明多年凍土的地層劃分、凍土的分布范圍及上限深度。常規(guī)的勘探手段如鉆探等勘察多年凍土區(qū)，由于受嚴(yán)酷的工作環(huán)境限制較大，工作效率較低。本次工程采用面波技術(shù)，并結(jié)合鉆探工作進(jìn)行勘察。
使用 SWS 型面波儀，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了解 :現(xiàn)場(chǎng)地表平坦開(kāi)闊，本地區(qū)多年凍土上限在數(shù)米以內(nèi)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，最終采用采集參數(shù) :采樣點(diǎn)數(shù)為 1024,采樣間隔為 0.2 s,道間距為1 m,偏移距為 5 m,24 道采集，4 Hz 檢波器接收，25 磅力錘為激發(fā)震源。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到的頻散曲線圖如圖 4 :【2】
可以看出，根據(jù)剪切波速可以把勘探深度內(nèi)的地層分為 4 層 :表層 0 ~ 3.14 m 為第一層，土質(zhì)疏松，波速較低，波速度為167.4 m/ s;第二層3.14~5.4 m,隨著含冰量增加，波速增高，波速為 183.5 m/ s;5.4 ~ 11.81 m 為第三層，隨著埋深增加，土質(zhì)密實(shí)，含冰量增加，波速為 204.9 m/ s,11.81 m以下為第四層，波速 272.0 m/ s.由此推斷 :3.14 m 為凍土融化界限，3.14 m 以下含冰量逐漸增加。后期該塔基鉆探結(jié)果顯示，地層數(shù)據(jù)如下：0 ~ 2.1 m 細(xì)砂，混少量角礫 ;2.1 ~ 3.4 m細(xì)圓礫土 ;3.4 ~ 4.9 m 細(xì)砂，3.4 ~ 3.6 m 含層狀冰，3.6 ~ 4.9 m 含粒狀冰 ;4.9 ~ 10 m 為粉質(zhì)粘土，多冰凍土。經(jīng)過(guò)與鉆探結(jié)果對(duì)比分析，與多道瞬態(tài)面波勘察結(jié)果基本吻合，滿足勘察要求。
5 結(jié)論
面波技術(shù)具有設(shè)備輕便、方法簡(jiǎn)單、效率高效等特點(diǎn)，面波技術(shù)在不良地質(zhì)體 （ 如滑坡、斷裂等 ） 勘察、劃分地層 （ 如軟弱夾層、基巖面、凍土 ） 有著良好的應(yīng)用效果，也可以利用面波頻散數(shù)據(jù)反演計(jì)算巖土體的力學(xué)參數(shù)。另外面波技術(shù)在復(fù)雜地層、深部勘察、反演技術(shù)方面需要開(kāi)展更多的研究工作。同時(shí)面波勘察的資料解釋要結(jié)合鉆探等資料，從而提高解釋的精度。
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