瞬態瑞雷波法在三座店水利樞紐工程中的應用

榮 強 張 巍

（遼寧省水利水電勘測設計研究院勘察分院 遼寧 沈陽 110006）

0 概述

地球物理勘探簡稱物探，是一種科技含量較高的工程勘察技術， 是用物探專用儀器對地層巖性及構造進行勘察，為工程設計提供地質資料的一種方法。 瑞雷波法是二十世紀九十年代中期發展起來的一種新的物探方法，隨著分析軟件的不斷完善使該方法日見成熟，較好地解決了實際工作中較復雜的地質問題。

物探方法的物理前提是利用地下介質間的物性差異，來解決地質問題。 地震勘察是其中的一種方法，其方法是通過儀器接收地層受人工激發震動波的響應來達到探測地下介質特征的一種方法。 地震勘察方法主要有地震折射波法、地震反射波法，地震瑞雷波法。 瑞雷波速度VR 與橫波速度VS相近，頻率低，瑞雷波法主要適用于淺層第四系松散堆積物的分層及覆蓋層厚度，軟巖及軟弱夾層的勘察。

1 瞬態瑞雷波法的基本原理與工作方法

1.1 基本原理

瑞雷波也稱為面波， 它存在于介質自由表面附近， 是P波、S 波迭加的結果。 早期瑞雷波是干擾波，是工程勘察中盡量避開的振動波， 隨著科學技術的不斷發展和方法的改進，瑞雷波成為一種新的物探手段。 瑞雷波傳播具有以下主要特性：

在不均勻介質中瑞雷波速度（VR）具有頻散特性，此點是面波勘探的理論基礎。 瑞雷波某一波長的速度主要與深度小于1/2 波長的地層物性有關。 同一擊震條件下面波的振幅按r-1／2 減小，體波（VP、VS）振幅按r-1 的衰減，即瑞雷波比體波衰減慢的多，這是開展面波勘探的優越性之一[1]。

瑞雷波勘探方式按震源的方式不同分為穩態法和瞬態法，早期采用穩態法其激震設備笨重，工作效率低，近期由于瞬態法軟件的問世，解決了瞬態法的關鍵問題，大大的提高工作效率。

1.2 工作方法

瞬態瑞雷波法的工作方法是在地面上人工施力一瞬間沖擊力，在地面表層產生一定頻率范圍的瑞雷波，它是由多個簡諧波組成，這些簡諧波疊加一起，并以脈沖的形式傳播，每一個諧波都以一定的速度VR 傳播，VR 是頻率f 函數。 在地面沿瑞雷波傳播方向布置多道檢波器進行觀測，通過對所采集數據進行頻譜分析和處理，把不同頻率的瑞雷波分離出來，得到頻散曲線VR-f，最終結合實際工程地質情況對頻散曲線進行定性分析和定量解釋。

2 工程應用實例

三座店水利樞紐工程位于內蒙古自治區赤峰市初頭郎鄉三座店村附近的陰河下游，距赤峰市35 公里。 水庫主要任務是：防洪、城市用水、工農業生產用水、生活用水、發電等。

地震瞬態瑞雷波法在外業工作正式開展之前，首先進行展開排列的試驗工作，并由此來確定面波勘探測線合適的長度、道間距、偏移距，以獲得最佳效果，本次工作在經過展開排列實驗后，選擇的布置方案為；一次布置24 個檢波器，道間距2m、偏移距4m、采樣間隔0.25μs、2048 個采樣數據，配置4Hz 低頻檢波器，震源采用敲擊震源。

儀器采用北京水電物探研究所研制生產“SWS 工程勘探與檢測系統”，該儀器可做地震折射波法、反射波法、瑞雷波法等地球物理勘察工作。

2.1 在電站洞口的應用

該工程電站洞進口開挖過程中距斷面上沿埋深10～13m深處有一破碎夾層呈全風化狀態，厚度不均，在電站洞進口開挖的斷面內均有分布，最低處距洞頂約4m 左右，其上、下層巖性均為弱風化玄武巖， 為施工的安全考慮， 需對前方30m 范圍內進行勘察，確定該破碎夾層的分布情況。

該場地巖性以第三系上新統玄武巖為主，由于該場地曾經過多次火山噴發，巖層的結構較復雜。 較典型結構為當巖體風化后又被下一次火山噴發的巖漿所覆蓋， 造成破碎夾層。 開挖的電站洞洞口在Ⅰ級階地，其施工斷面的上沿為Ⅱ級階地，地勢較平坦，覆蓋層較薄，有利于面波的勘察，測線布置在Ⅱ級階地上。

瑞雷波測試數據使用SWS 面波處理軟件系統進行處理。根據頻散曲線上拐點或“之”字型折點，給出速度層模型后經反演擬合解釋進行層位劃分，并計算各層瑞雷波速度值。 從所作的15 個測點的頻散曲線來看大部分都有明顯的拐點和“之”型變化。

本次工作在開挖斷面的上部Ⅱ級階地的平臺上布置了15 個地震瑞雷波測試點，連接成4 個剖面，開挖斷面正前方為Ⅰ、Ⅱ剖面，開挖斷面右側為Ⅲ、Ⅳ剖面。 經瑞雷波軟件分析處理, 繪制出瑞雷波波速沿深度變化的剖面圖， 既地震面波-地質剖面圖，其中Ⅰ剖面在開挖斷面前方15m 處，其軟弱夾層較厚， 在埋深9.0-14.7m 深度范圍內存在著低速破碎帶夾層，與洞口開挖邊坡的斷面基本吻和。 從4 個剖面的解析資料顯示，開挖斷面向前沿深30m 范圍內，該破碎夾層最低點的高程為715m，對電站洞的開挖不會造成太大的影響。

2.2 在浸沒區勘察上的應用

浸沒區位于庫區上游的孤山鄉境內，其范圍在孤山村與北山根村之間，浸沒區勘察的主要目的是了解第四覆蓋層的分層情況。 根據測區鉆孔揭示上部為粉土、細砂、中砂、 砂卵石、卵石夾泥等。 該地區地層有超徑卵石的存在，是鉆孔勘查最困難的地層。

采用瞬態瑞雷波法在浸沒區共做了15 的測試點， 聯成五個剖面，從采用瞬態瑞雷波法所測的質料來看與鉆孔質料基本吻合。 在2 天半的時間內完成外業勘察工作，為地質勘查提供了可靠的地質質料，大大的提高了工作效率。

瞬態瑞雷波勘探法的頻散特性與介質的緊密相關性是它的物理基礎，與常規物探方法相比它具有分辨率高、應用廣泛、受場地影響小、檢測設備簡單、檢測速度快等優點。 實測的瑞雷波速度—深度曲線常出現”之”字形的原因；一是由于高階導波的影響，二是由于地層中低速夾層所致的頻散曲線的單調性[2]。

地震折射波法要求下伏層速度大于上覆層速度，地震反射波法要求各層介質間存在波阻抗差異，而面波勘探不受上述物性條件制約， 僅要求各層介質間存在橫波速度差異，由于橫波速度主要與介質的松散與密實程度有關，因此在地層劃分方面有較好的分辨能力，較適合于軟巖及密實度差異較大的第四系地層地區的勘探[1]。 瞬態瑞雷波在三座店水利樞紐工程中的應用確實得到了事半功倍的效果。

3 結束語

瞬態瑞了雷波法是一種新興的物探方法， 它在地層劃分、評價地基質量、巖體風化分帶等方面取得廣泛的應用，能較好地解決實際工程地質問題，與其它物探方法相比具有工作方法簡單、資料分析較簡便、工作效率較高、成果直觀等優點。

［1］程立.瞬態瑞雷面波法在軟巖地層勘探中的應用[J].西北水電,2002(2).

［2］陳祥.面波“之”形速度—深度曲線的成因[J].地球物理學進展,2004(4).