微動探測技術在尾礦壩勘察中的應用

肖 剛，羅華國，張 星

（1.甘肅省有色地質調查院，甘肅 蘭州 730000；2.中陜核工業集團二一一大隊有限公司，陜西 西安 710000）

目前，多項傳統物探技術在工程上取得了良好的應用，成果包括：等值反磁通瞬變電磁法、高密度電阻率法、地質雷達、淺層地震等［1］，這幾種方法各有技術特點：（1）等值反磁通瞬變電磁法受場地電磁環境和散落的淺埋金屬物干擾，無法在多機械、多電纜、多金屬物等干擾因素多的復雜場地進行有效探測；（2）高密度電法具有野外施工方便，分辨率高、效率高的優勢，勘探深度一般為剖面的1／4～1／6，并且嚴格要求接地電阻符合規范，場地硬化和建筑物遮擋等場地條件可能會受到使用限制；（3）地質雷達分辨率較高，野外使用便捷，對于硬化場地較為實用，勘探深度較淺（3～7 m），多用于淺部空洞和病害探查；（4）淺層地震勘探也會受地質條件所限，以及震源能量不足而導致勘探深度較淺，且數據采集時對場地周邊噪聲環境有嚴格要求，限制了其適用范圍。

微動探測技術是一種無損傷、效果顯著的地下空間地球物理探測技術，無需人工震源激發，不受工業電磁場、淺層高速層、低阻高導層屏蔽作用影響，對場地條件適應性強，更適用于復雜環境，可用于城市地基、路基空洞調查，地基巖土介質物性分層調查，溶巖勘探和病害地質體調查，基巖埋深與隱伏地質構造勘查。

1 工作區概況

調查區為某礦區尾礦壩，位于兩山之間的夾溝中，兩邊坡度為25°左右，壩體主要由尾礦粉和碎石土互層堆積而成，堆積最大厚度為30 m，基底為鈣質板巖與泥質板巖互層。由于年代久遠，填埋復雜，場地測試時發現地下填埋很多金屬物并且壩體上密集覆蓋鐵絲網，淺層地震能量衰減太快，達不到有效深度，鉆探工作因堆積體彈塑性的緣故，也難以施工。由于壩體排水系統出現故障，局部富水導致壩體變形，亟待解決排水并穩固壩體。

為了能夠合理地查明整個壩體具體富水情況以及積水通道。本次剖面測線主要以“井”型布置。東西布設3條測線，南北布設4條測線，共計7條測線，NS線點位控制在每一級臺階上都有布設，點距不等（0～20 m），WE線點位以20 m等間距布設，有效控制壩體橫向與縱向富水深度和范圍。

測區內主要地層巖性為尾礦粉與碎石混合層、板巖層。根據場地試驗參數結合已知地質資料，確定調查區內波速范圍，見表1。

表1 調查區內不同地層橫波速度范圍

由表1可見，測區內各層之間的橫波速度存在明顯差異，特別是含水和密實的尾礦粉與碎石土混合物橫波速度差異起到關鍵性作用，也是本次勘探工作的首要條件。

2 微動勘探原理

地球表面任何連續微弱的震動信號都可以成為微動勘探的天然面波信號場源［6］。根據信號來源不同可以分為兩個大類：低頻信號（≤1 Hz）和高頻信號（＞1 Hz），低頻信號由潮汐、海浪、水流、氣壓變動、風動等自然條件引起；高頻信號為人類活動，車輛船舶行駛，機器運行等活動產生的機械振動［2］。

微動是由體波（P波和S波）和面波——瑞雷（Rayleigh）波和勒夫（Love）波組成的復雜振動，并且面波的能量占信號總能量的70%以上［2］。所以常常利用微動中的瑞雷面波信息來研究地下橫波速度結構。根據面波頻散原理，波速會隨著頻率和波長的變化而變化，隨著頻率降低而傳播深度變大。

微動勘探就是從這些天然場的微動信號中提取出瑞雷面波的頻散特性，通過反演曲線推測地下介質橫波速度的分層結構。連續測量剖面上各點的數據并反演計算橫波速度，然后進行網格化處理得出橫波速度擬斷面圖。

目前，微動勘探面波頻散曲線提取方法主要有兩種：空間自相關法（SPAC）和頻率－波數法（FK）［3］。F－K法對臺站擺設沒有特殊要求，而SPAC法要求臺站為嵌套圓形，如圖1所示，一般嵌套圓形層數越多，結果越準確［4］。

圖1 微動野外測站布設示意圖

SPAC法有利于采集各個傳播方向上及不同波長的微動信號，相對于F－K法，提取信號時頻率豐富且收斂度高，可以獲得更多的勘探深度大的低頻信息［5］。

3 成果解釋

本次微動數據采集使用合肥國為電子有限公司研制的GN209型遠程實時智能微動系統。GN209型微動設備為北斗授時無電纜節點采集站，外業工作時基于4G網絡，可實施遠程數據傳輸，監控，智能評價等。

本次工作確定技術參數為［6］：1 Hz檢波器三重圓10通道接受，R1＝2 m、R2＝4 m、R3＝8 m，采樣率為250 Hz。

3.1 單點解釋

選用靠近鉆孔ZK6的NS－3線的9號點進行單點解釋。根據地質鉆孔資料0～9.4 m為尾礦粉，9.4～15.4 m為碎石土，15.4～16 m見板巖，12.4 m見穩定水位。碎石土和尾礦粉波速在200～500 m／s之間，板巖波速大于500 m／s，含水以后波速還會進一步減小。橫波波速在9.4 m處出現不連續現象，如圖2所示。12 m左右出現波速不穩定且不連續。15.4 m處出現波速突變，可以看出微動探測對界面反應明顯。

圖2 ZK6點微動探測頻散曲線解釋

3.2 典型剖面解釋

NS－2線位于工區中部，為南北走向，剖面長為90 m，共采集11點，查明工區富水區域深度和縱向邊界。

NS－2線橫波波速等值線解釋成果圖如圖3所示，低速層和高速層連續，隨著深度增加，波速變大。1至6號點波速相對較低，小于300 m／s，6至11號點3 m以上為松散堆積層，波速小于300 m／s，3 m以下為密實堆積層，波速在300～500 m／s之間，在11號點大概15 m處，波速大于500 m／s，發現基巖。

圖3 NS－2線橫波波速等值線解釋成果圖

3.3 綜合解釋

本次共完成7條測線的綜合解釋工作，根據富水后堆積物橫波波速特性界定區域，擬判定橫波波速小于300 m／s為富水區域［7］。富水深度最深處可達28 m，富水區橫截面都呈梯形，淺部相較于深部東西延申更寬。

以每條測線富水低速區探測點（如圖4所示網格區域）為參考，經平面投影圈定富水壩體區域，并呈梯形（如圖4所示線條框定區域）。根據WE－3和WE－2線反演斷面得出地下深度20 m處出現積水通道（箭頭虛線），富水面積達到壩體的3／5，南部基本沒有富水，比較穩定，壩體中部和北部富水嚴重并引起壩體蠕變［8］。

圖4 調查區綜合解釋成果圖

為了分析壩體富水隨深度的變化，用現有數據進行三維反演作圖，并對4個深度進行XY平面切片，如圖5所示。隨著深度的增加，橫波波速增加，富水面積在逐漸向壩體北部減小。

圖5 調查區富水區域深度切片圖

為了進一步解決富水體積及空間位置問題，對本次數據進行3D建模，如圖6所示，設置橫波波速小于300 m／s為假定邊界條件，依據這個條件進行等值界面繪圖來進行定位體積及位置。富水區域東西寬度133 m，南北長度為40 m，估算平面富水面積為5 320 m2，估算富水體積為63 840 m3。

圖6 調查區3D成果解釋圖

4 結 論

1.應用結果表明：調查區內，主要富水為壩體北部，隨深度增加，富水體積為梯形。吸水以后的尾礦粉堆積體變軟膨脹，彈塑性較高，壩體護坡為接近30°，由于重力作用和膨脹作用，導致壩體碎石堆積層出現剪切裂縫和拉張裂縫，危害極大。結合鉆孔資料查明了富水區域范圍及深度，及已經發生變形的區域。

2.在微動探測技術中，根據采集信息提取測點的頻散曲線，計算等效的橫波波速并繪制切面圖，也可用單點頻散曲線一維反演來代替部分鉆孔，節省成本。

3.本次微動探測效果明顯，可用剪切波速劃出富水區域，同理可運用于礦山環境，城市地災，道路勘察等領域。