瞬態瑞 波勘探技術在南水北調 套工程中的應用

晉鳳明 欒明龍

（北京市水利規劃設計研究院 北京 100048）

1 前言

瞬態面波勘探技術是在20世紀90年代，在我國才發展起來的一種工程勘察方法。但通過這幾年的發展，在基礎理論和應用等方面都取得了可喜的研究成果。

與其他地震勘探方法相比，瞬態瑞雷波勘探技術具有儀器設備輕便、所需勘探場地較小、所需震源能量較小、較高的地質薄層分辨率、較大的勘探深度等優點。上述瞬態瑞雷波勘探技術的優點使得其廣泛應用于工程地質勘查中，解決淺層地質問題，包括覆蓋層分層、覆蓋層厚度探測、地下空洞及掩埋物探測，地下不良地質體分布范圍確定，地基加固處理效果評價等方面。

南水北調配套工程是為了利用南水北調引水入京的有利形勢，做好全市水資源配置的戰略性調整和全市供水系統空間布局戰略性調整而建設的南水北調工程總干渠至各自來水廠的聯絡工程。南水北調配套工程多以地下鋪設管道來實現全市水資源的調整，在工程施工過程中，多處需要進行工程地質勘查，以及地下不良體分布的勘查確定。

瞬態瑞雷波勘探法應用于南水北調配套工程中，可解決如下兩個方面的淺層地質問題：

（1）工程地質勘查：利用實測的面波頻散曲線，通過定量解釋，可得到各地質層的厚度及彈性波的傳播速度，傳播速度的大小直接反映了地層的“軟”“硬”程度。因此，可以對第四系地層進行劃分，確定地基的持力層，還可以對場地進行評價。地層中存在低速度帶反映了地下賦存有軟弱夾層，這類地層對建筑物易造成危害。面波勘探可方便劃分軟弱夾層的埋深及范圍，為施工過程中方法的選擇及安全設施的配套提供有利的依據。

（2）地下空洞及掩埋物探測：地下空洞以及各種掩埋體，有時需要準確地探測其在地下的賦存位置。用瞬態面波勘查時，當面波的勘查深度與這些物體的深度相當時，頻散曲線就會出現異常跳躍。據此可以確定其埋深及范圍。地下掩埋物（南水北調配套工程中主要為垃圾體分布）對工程的施工有很大的影響，對其的有效勘察可方便施工過程中的安全支護。

2 瞬態瑞 波勘探的基本理論21

2.1 基本原理16

地表震源不僅激發縱波和橫波，同時由于縱波和橫波的相互干涉疊加，會出現波形的轉換，使地下介質質點按一定的軌跡運動，形成一種新的能量很強且主要集中在地表附近的波動，稱為瑞雷面波。瑞雷波的傳播具有如下特性：

（1）在分層介質中，瑞雷波具有頻散特性，即瑞雷波的傳播速度VR是頻率的函數；而在均勻介質中，瑞雷波的傳播速度與振動頻率無關，即無頻散現象。在均勻介質中無頻散性和不均勻介質引起頻散性這一特性是瑞雷波勘探的物理基礎。

（2）瑞雷波的波長不同，穿透深度也不同。瑞雷波沿地層表層傳播，穿透深度約為一個波長，當深度z為波長λR的一半時，面波的能量較強，當z與λR相當時，面波能量迅速衰減。因此，某一波長的面波速度主要與深度小于λR的地層物性有關，該特性為利用面波進行淺層勘探定量解釋提供了依據。通常認為面波的勘探深度約為半個波長。

（3）瑞雷波的傳播速度與體波的傳播速度具有相關性，瑞雷波的傳播速度比體波慢，其速度關系為：

其中，

vR——瑞雷波速度；

vP——縱波速度；

vS——橫波速度；

μ——泊松比。

（4）在彈性半空間表面上，通過圓形基礎加一個垂向振動力，能量從震源向下輻射，約有 2/3的能量轉化為瑞雷面波，只有1/3的能量是由體波攜帶的。這是利用面波進行勘探的有利條件。

瑞雷波的上述特性正是其應用于地質勘查的理論依據。

2.2 瞬態瑞 波勘探法

瞬態面波法勘探利用瞬態沖擊力作震源激發面波，地表在脈沖荷載作用下，產生波動。在離震源稍遠處，用傳感器記錄面波的垂直分量。對記錄的面波信號作頻譜分析和處理，計算并繪制頻散曲線，根據頻散曲線特征分析解決地質問題。

面波勘探的核心問題是準確地獲得不同頻率面波的相速度vC，同一頻率的vC在水平方向上的變化反映出地質條件的橫向不均勻性，不同頻率的面波速度 vC的變化則反映出介質在深度方向上的不均勻性。

面波相對于體波而言，其能量較強，速度較低，頻率較低，容易分辨，因此在揭示地下地層結構的物探方法中具有一定的優越性。

（1）工作方法：

瞬態瑞雷面波勘探法是在地面上施加一瞬間沖擊力，在地層表層產生一定頻率范圍的、由多個簡諧波組成的瑞雷波，每一個簡諧波都以一定的相關速度vR傳播，vR是頻率f的函數。在地面上布置多道檢波器進行觀測，記錄面波的垂直分量。為了獲得對應于不同深度的波速，要求震源能產生各種頻率成分的波。測試淺層時應激發高頻波，測試深度大時則相反。

（2）應用條件：

為了獲得較好的瑞雷波資料，在進行面波勘探時，對工作場地有一定的要求：

①探測場地地表不宜起伏太大，并避開溝、坎等復雜地形的影響，相鄰檢波器之間的高差應控制在1/2道距長度范圍之內，且被探測地層應是層狀或似層狀介質。

②被探測地層與其相鄰層之間應存在大于10%的面波波速差異。

③被探測異常體（透鏡體、洞穴、巖溶、垃圾坑等）在水平方向的分布范圍應不小于整個面波排列長度的1/4。

④單點面波勘探，地層界面應較平坦，否則將增大探測誤差。

（3）資料處理：

瞬態瑞雷波勘探法的資料處理步驟分為：時間域-空間域提取面波；對面波信號進行二維傅里葉變換；建立頻率-波數域振幅譜等值線；提取面波頻散數據；計算1/2波長并繪制頻散曲線。

3 工程實例

3.1 場地評價

在建造建筑物時，地下土層巖性的分布類型是很重要的參數，由于軟土層具有一系列不利的工程性質，故在其上建造建筑物時易發生或大或小的工程事故。所以在建筑物選址時，必須充分考慮該場地的土層巖性參數，以免發生工程事故。利用面波對軟土層的探測，主要是利用面波的兩種特性，即利用面波在分層介質中傳播時的頻散特性和面波傳播速度與介質的物理力學性質的密切相關性。在實際工作中利用實測的面波頻散曲線，可得到各地質層的厚度及彈性波的傳播速度，傳播速度的大小直接反映了地層的“軟”“硬”程度。若地層中存在低速度帶，則它反映了地下賦存有軟弱夾層，這類軟弱夾層對建筑物易造成破壞，影響施工安全。

南水北調配套工程多處需建設泵站，為勘查泵站位置的土層類型，我們采用了瞬態面波勘探法。圖1是某泵站采用瞬態面波勘探法得到的面波頻散曲線圖，勘探采用24道采集，道距2m，時窗為1024×0.5ms，震源采用24磅鐵錘激發，檢波器固有頻率為4Hz，采集用全通濾波檔。參考場地附近的鉆孔資料得到解釋成果圖。

圖1 波點 散曲線資料解使圖

從解釋圖上可以算出該場地土層等效剪切波速為226m/s，依據《北京地區建筑地基基礎勘察設計規范》，判定該場地類型為中軟場地土，場地類別為Ⅲ類。

3.2 劃分地質薄層

常規物探方法在工程地質勘察中對薄層或軟弱夾層反映極不靈敏，而面波對地層軟硬變化較敏感，面波的頻散曲線的某些拐點與地層具有很好的對應關系，可利用這些拐點對地層進行劃分。

圖2 散曲線解譯成果

在南水北調配套工程某泵站工程中，鉆孔揭露場地表層為填土及砂質粉土，其下為卵礫石，而在深度12m左右存在一粘質粉土薄層，厚度約半米左右，為評估其對工程的影響，需圈定該層的平面分布范圍及大致厚度，我們采用面波法對場地進行了勘探。勘探采用24道采集，道距2m，時窗為1024×0.5ms，震源采用24磅鐵錘激發，檢波器固有頻率為4Hz，采集用全通濾波檔。圖2是典型的頻散曲線解釋成果圖，在深度12.5m上下均有曲線拐點；圖3是測線剖面成果圖，從圖上可見，在深度12.5m左右有一明顯的低速帶。從圖3可初步了解整個場地粘質粉土薄層的分布情況，然后再利用圖2頻散曲線的拐點，并結合鉆孔資料對該薄層的埋深及厚度進行了劃分。

圖3 波層 度剖

3.3 第四系覆蓋層厚度勘查

在南水北調配套工程大寧調蓄水庫工程中，為了防止水的滲漏，多處需要做防滲墻，這就需要勘查清楚基巖面的情況，也就是第四系地層的覆蓋厚度。為了掌握大寧水庫兩岸的基巖面覆蓋情況，我們分別在兩岸開展多道瞬態面波勘探技術。

圖4 大寧右岸某段 波解使成果圖

圖5 大寧左岸某段 波解使成果圖

勘探采用 24道采集，道距 2m，時窗為 1024×0.5ms，震源采用24磅鐵錘激發，檢波器固有頻率為4Hz，采集用全通濾波檔。圖4是大寧右岸摘取的一條面波剖面解釋成果圖，圖5是大寧左岸摘取的一條面波剖面解釋成果圖。

分析圖 4，根據多道瞬態面波視層速度的分布情況，并參考鉆孔資料綜合分析對圖4所示面波剖面作出如下分層：①素填土，表層為砂土，其下為回填砂卵礫石，視層速度為180~280m/s，巖層厚度為 3.6~4.2m；②砂土，為砂卵礫石層中的透鏡體，主要成分為中細砂或粉土，視層速度為160~250m/s，巖層厚度為 0.5~1.6m；③砂卵礫石，視層速度為280~750m/s，巖層厚度為5.0~7.5m；④基巖，主要成分為礫巖或泥巖，巖體較破碎或裂隙發育，視層速度為750~900m/s，巖層厚度2.5~6.0m；⑤基巖，主要成分為礫巖或泥巖，視層速度大于900m/s，在本剖面中，基巖面較為平坦，巖面高程為40.5~43.0m，第四系地層覆蓋厚度為10m左右。

對圖 5，根據多道瞬態面波視層速度的分布情況并參考鉆孔資料綜合分析，對該面波剖面作分層：①素填土，主要成分為回填砂土，視層速度為120~250m/s，巖層厚度為 9.0~10.0m；②砂土，主要成分為中細砂或粉土，視層速度為 160~250m/s，巖層厚度為0.5~1.0m。本剖面中該巖層分布不連續，局部段該巖層較易判斷；③砂卵礫石，視層速度為250~900m/s，巖層厚度為14.0~26.0m；④基巖，主要成分為礫巖或泥巖，視層速度大于900m/s。在本剖面中，基巖面起伏不大，巖面高程為28.0~33.0m，第四系地層覆蓋厚度為30m左右。為了給出更精確的第四系地層覆蓋情況，可以結合高密度電法勘探的地層視電阻率分布、高密度地震影像資料及鉆孔資料，得到整個庫區第四系地層覆蓋厚度剖面圖。

4 結語

瞬態面波勘探技術不僅能夠準確反映和區分地下不同巖層的界面，能夠提供精確厚度和地層的剪切波速，而且所測剪切波速直接反映巖土的物理力學性質。該方法的應用不僅節省投資，還提高了工作效率。其應用于南水北調配套工程中，解決了場地評價，地質薄層勘查，第四系覆蓋層厚度勘查等諸多地質問題，取得了良好的應用效果，而且還簡化了工作程序，縮短了勘察周期。

但是，面波勘察仍是一種間接勘探方法，在開展面波工作的同時，還必須結合常規工程地質勘查手段，才能提高地質勘查的目的性、針對性和有效性，獲得滿意的勘查效果。