多道瞬態面波法在特高壓線路塔基勘察中的應用

王志斌，王銀茹

(1.河南省電力勘測設計院， 河南 鄭州 450007； 2.中南大學，湖南 長沙 410083)

多道瞬態面波勘探是國內首先發展和使用的巖土勘察測試技術，利用頻散特性和傳播速度與巖土物理力學性質的相關性可以解決諸多工程地質問題，近年來在工程勘察工作中得到廣泛應用。

多道瞬態面波勘察技術具有經濟，快速、高效和對環境無破壞等優點，非常適合用于覆蓋層調查工作。本文結合具體實驗就該技術進行介紹和探討。

1 基本原理和方法

1.1 基本原理

面波分為瑞雷波和拉夫波，而瑞雷波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞雷波勘探[1]。瑞雷波的能量只分布在地面附近，傳播深度約一個波長。在二層及多層分層介質中，瑞雷面波在均勻介質中傳播時無頻散性，在非均勻介質中瑞雷波波速隨頻率而變化，這就是面波的頻散特性，面波的頻散特性是面波勘探的理論基礎。利用該性質，可以求得瑞雷波頻率與速度關系曲線(頻散曲線)。試驗表明，瑞雷波某一波長的波速，主要與深度小于該波長一半的地層物性有關，所以用一定波長的瑞雷波速度可解釋一定深度地層物性。

瞬態面波在地面上沿瑞雷面波傳播方向以一定的道間距Δx設置N個檢波器，就可檢測到(N-1)Δx長度范圍內波的傳播過程[2]。

設瑞雷波的頻率為f1，相鄰兩檢波器記錄的瑞雷波到達的時間差為Δt，相位差為Δφ，則相鄰道Δx長度內瑞雷波傳播速度Vr為：

測量范圍(N-1)Δx內的平均速度為：

Δt可根據實際需要，根據試驗確定，相位差Δφ的求取則通過信號處理分析實現。在同一地段求出一些列頻率的Vr值，就可得到一條“ Vr- f”曲線，即頻散曲線。

瞬態瑞雷面波法的核心問題是要準確地獲得不同頻率的面波相速度Vr，不同波長的瑞雷波Vr的變化反映不同深度巖土介質的特性，同一波長的瑞雷波Vr變化反映一定深度內介質的水平變化情況。頻散曲線的變化規律與地質條件和巖土介質的性狀存在著內在聯系。分析研究和利用這種內在聯系，就可達到解決工程地質問題的目的。

1.2 野外工作方法

應用瞬態面波法進行現場測試時一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對比和分析。多道瞬態面波采用單端激發的共炮點等道距排列，排列長度應大于預期探測的深度，使排列至少能容納半個預期的面波最大波長，總檢波道數不少于6道。地震儀參數選擇全通濾波，采樣時間間隔不大于預期面波最高頻率的半個周期，以避免采樣中的假頻影響，記錄時間長度應考慮包括最遠道的預期低頻面波最大波長。地震信號檢波器選擇低頻豎向檢波器。

野外數據采集時應考慮勘探深度和場地條件的影響[3]。一般來說，當探測較淺部的地層介質特性時，宜采用小的Δx值并用錘擊做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，宜采用較大的Δx值，并用落重方法產生較低頻率的信號，使其能反映地下更深處的介質信息，達到巖土工程勘察的目的。

偏移距的選擇是以在道間距Δx比較小的情況下，能滿足最佳面波接收窗口和最佳探測深度為原則。距震源最近道的偏移距大小可以從偏重于淺部或深部目標考慮，一般反映淺部的面波頻散特征在震源近旁清晰，而反映深層的特征在距震源遠處更明顯。

從能夠反演分層的角度出發，探測的對象應該是橫向均勻的地層，現場排列地表的兩側和對面近旁也不應有較大尺度的溝、坎、墻、柱等能產生面波反射或散射的障礙物，一般把不能回避的障礙物安排在炮點面對排列的背側為好。

1.3 多道瞬態面波數據處理

面波勘探數據處理主要分為提取頻散曲線和深度速度域反演兩部分[4]：瞬態面波數據記錄是多個界面、導波及其相互作用的合成，在時距域識別有效面波，在頻率波數域提取面波波型，然后用頻率-波數功率譜法(F-K法)提取微動信號中面波頻散信息，在頻率波數譜圖形上區分出基階和高階的不同面波組分，面波的基階組分表現出明顯連續的幅度峰脊，拾取面波特征峰值曲線。采用多道信號疊加方法計算面波相速度，對于橫向均勻的地層，一般在近道的頻散數據中淺部地層反映較好，而遠道的頻散數據反映深部地層好。如將全部遠近道互相關疊加，求得的頻散數據往往不能夠全面地反映地層參數。用變偏移距疊加方法，高頻段疊加近道，低頻段疊加遠道就可以彌補這個缺陷。最后根據頻散曲線拐點進行人工分層，然后反演擬合計算地層的面波、剪切波速度，判定速度界面和地質異常情況。

2 工程實例

某500 kV線路工程跨黃河段某塔基位于小丘陵頂部，交通不便，鉆機和靜探車均無法進場，鏟探掘進4、5 m左右由于土層中含有大量姜石而無法達到設計要求深度，為查明該塔基覆蓋層厚度并進行地層劃分，為基礎設計提供必要的地層參數，在該塔基開展了瞬態面波工作。

經調查，該地區地層主要為黃土狀粉質粘土層、泥巖層和砂巖層，本次測試采用的儀器為WZG－6A型波速測試儀，采樣點數1024個，采樣間隔0.2 ms，濾波方式為全通。道間距5 m，偏移距10 m，利用共炮點6道檢波器接收，檢波器中心的頻率為4 Hz，由18磅大錘錘擊墊板激發。利用SWS地震瑞雷面波測深數據處理軟件進行數據處理，現場布置和反演結果如圖1、圖2：

圖1 6道面波測量現場裝置示意圖

圖2 塔基面波勘測頻散曲線反演結果

由上圖結果可以看出，根據剪切波速可以把勘探深度內的地層細分為7層，結合地質資料分析得出結論：

第一層為種植土，土質疏松，波速較低，第二層到第五層為黃土狀粉質粘土，其中從第三層開始由于含有不同比例的姜石成分導致剪切波速不同程度增加，第六層和第七層剪切波速較高判斷為硬塑狀態的黃土狀粉質粘土。

施工時基礎開挖實際地層情況與面波勘探推斷結果基本吻合，證明在該塔基勘察中應用瞬態面波方法進行勘探是可行的。

3 結論

此次在特高壓線路塔基勘測中應用多道瞬態面波方法進行輔助勘察取得了很好的效果，由此可以得到以下幾點結論：

⑴ 面波勘探用于劃分地層、確定覆蓋層厚度和基巖深度較常規勘探方式具有設備輕便、方法簡單、效率高等優點，尤其在山區丘陵等地形復雜地區優勢明顯。

⑵ 為了提高對面波資料的解釋精度，必須收集測區的地質資料級鉆探資料，以充分了解測區的地層及目標體的分布特征，減小或克服人為因素。

⑶ 由于面波勘探在工程地質勘察中具有獨特的優勢，在今后工作中，可以在鉆探和靜探等常規方法的基礎上配合面波勘探開展工作，以提高工作效率，縮短工作周期，節省費用。

⑷ 面波勘探的關鍵是如何獲得良好的面波記錄，以保證頻散曲線的正確性，要求通過試驗正確選擇各種參數。

面波勘探作為一種新的淺層地球物理勘探方法，具有很多獨特的優越性，但是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。

[1]楊成林.瑞雷波勘探[M].北京：地質出版社，1993.

[2]齊建國.多道瞬態面波法在巖土工程勘察中的應用[J].電力勘測設計，2004，(3).

[3]楚建偉.瞬態面波技術在沖洪積層勘察中的應用[J].云南地質， 2004，23(1).

[4]苗宇寬.瞬態瑞雷面波勘探技術在工程勘察評價中的應用[J].地質找礦論叢，2006，21(增).