瞬态瑞 波勘探技术在南水北调 套工程中的应用

晋凤明 栾明龙

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048）

1 前言

瞬态面波勘探技术是在20世纪90年代，在我国才发展起来的一种工程勘察方法。但通过这几年的发展，在基础理论和应用等方面都取得了可喜的研究成果。

与其他地震勘探方法相比，瞬态瑞雷波勘探技术具有仪器设备轻便、所需勘探场地较小、所需震源能量较小、较高的地质薄层分辨率、较大的勘探深度等优点。上述瞬态瑞雷波勘探技术的优点使得其广泛应用于工程地质勘查中，解决浅层地质问题，包括覆盖层分层、覆盖层厚度探测、地下空洞及掩埋物探测，地下不良地质体分布范围确定，地基加固处理效果评价等方面。

南水北调配套工程是为了利用南水北调引水入京的有利形势，做好全市水资源配置的战略性调整和全市供水系统空间布局战略性调整而建设的南水北调工程总干渠至各自来水厂的联络工程。南水北调配套工程多以地下铺设管道来实现全市水资源的调整，在工程施工过程中，多处需要进行工程地质勘查，以及地下不良体分布的勘查确定。

瞬态瑞雷波勘探法应用于南水北调配套工程中，可解决如下两个方面的浅层地质问题：

（1）工程地质勘查：利用实测的面波频散曲线，通过定量解释，可得到各地质层的厚度及弹性波的传播速度，传播速度的大小直接反映了地层的“软”“硬”程度。因此，可以对第四系地层进行划分，确定地基的持力层，还可以对场地进行评价。地层中存在低速度带反映了地下赋存有软弱夹层，这类地层对建筑物易造成危害。面波勘探可方便划分软弱夹层的埋深及范围，为施工过程中方法的选择及安全设施的配套提供有利的依据。

（2）地下空洞及掩埋物探测：地下空洞以及各种掩埋体，有时需要准确地探测其在地下的赋存位置。用瞬态面波勘查时，当面波的勘查深度与这些物体的深度相当时，频散曲线就会出现异常跳跃。据此可以确定其埋深及范围。地下掩埋物（南水北调配套工程中主要为垃圾体分布）对工程的施工有很大的影响，对其的有效勘察可方便施工过程中的安全支护。

2 瞬态瑞 波勘探的基本理论21

2.1 基本原理16

地表震源不仅激发纵波和横波，同时由于纵波和横波的相互干涉叠加，会出现波形的转换，使地下介质质点按一定的轨迹运动，形成一种新的能量很强且主要集中在地表附近的波动，称为瑞雷面波。瑞雷波的传播具有如下特性：

（1）在分层介质中，瑞雷波具有频散特性，即瑞雷波的传播速度VR是频率的函数；而在均匀介质中，瑞雷波的传播速度与振动频率无关，即无频散现象。在均匀介质中无频散性和不均匀介质引起频散性这一特性是瑞雷波勘探的物理基础。

（2）瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同。瑞雷波沿地层表层传播，穿透深度约为一个波长，当深度z为波长λR的一半时，面波的能量较强，当z与λR相当时，面波能量迅速衰减。因此，某一波长的面波速度主要与深度小于λR的地层物性有关，该特性为利用面波进行浅层勘探定量解释提供了依据。通常认为面波的勘探深度约为半个波长。

（3）瑞雷波的传播速度与体波的传播速度具有相关性，瑞雷波的传播速度比体波慢，其速度关系为：

其中，

vR——瑞雷波速度；

vP——纵波速度；

vS——横波速度；

μ——泊松比。

（4）在弹性半空间表面上，通过圆形基础加一个垂向振动力，能量从震源向下辐射，约有 2/3的能量转化为瑞雷面波，只有1/3的能量是由体波携带的。这是利用面波进行勘探的有利条件。

瑞雷波的上述特性正是其应用于地质勘查的理论依据。

2.2 瞬态瑞 波勘探法

瞬态面波法勘探利用瞬态冲击力作震源激发面波，地表在脉冲荷载作用下，产生波动。在离震源稍远处，用传感器记录面波的垂直分量。对记录的面波信号作频谱分析和处理，计算并绘制频散曲线，根据频散曲线特征分析解决地质问题。

面波勘探的核心问题是准确地获得不同频率面波的相速度vC，同一频率的vC在水平方向上的变化反映出地质条件的横向不均匀性，不同频率的面波速度 vC的变化则反映出介质在深度方向上的不均匀性。

面波相对于体波而言，其能量较强，速度较低，频率较低，容易分辨，因此在揭示地下地层结构的物探方法中具有一定的优越性。

（1）工作方法：

瞬态瑞雷面波勘探法是在地面上施加一瞬间冲击力，在地层表层产生一定频率范围的、由多个简谐波组成的瑞雷波，每一个简谐波都以一定的相关速度vR传播，vR是频率f的函数。在地面上布置多道检波器进行观测，记录面波的垂直分量。为了获得对应于不同深度的波速，要求震源能产生各种频率成分的波。测试浅层时应激发高频波，测试深度大时则相反。

（2）应用条件：

为了获得较好的瑞雷波资料，在进行面波勘探时，对工作场地有一定的要求：

①探测场地地表不宜起伏太大，并避开沟、坎等复杂地形的影响，相邻检波器之间的高差应控制在1/2道距长度范围之内，且被探测地层应是层状或似层状介质。

②被探测地层与其相邻层之间应存在大于10%的面波波速差异。

③被探测异常体（透镜体、洞穴、岩溶、垃圾坑等）在水平方向的分布范围应不小于整个面波排列长度的1/4。

④单点面波勘探，地层界面应较平坦，否则将增大探测误差。

（3）资料处理：

瞬态瑞雷波勘探法的资料处理步骤分为：时间域-空间域提取面波；对面波信号进行二维傅里叶变换；建立频率-波数域振幅谱等值线；提取面波频散数据；计算1/2波长并绘制频散曲线。

3 工程实例

3.1 场地评价

在建造建筑物时，地下土层岩性的分布类型是很重要的参数，由于软土层具有一系列不利的工程性质，故在其上建造建筑物时易发生或大或小的工程事故。所以在建筑物选址时，必须充分考虑该场地的土层岩性参数，以免发生工程事故。利用面波对软土层的探测，主要是利用面波的两种特性，即利用面波在分层介质中传播时的频散特性和面波传播速度与介质的物理力学性质的密切相关性。在实际工作中利用实测的面波频散曲线，可得到各地质层的厚度及弹性波的传播速度，传播速度的大小直接反映了地层的“软”“硬”程度。若地层中存在低速度带，则它反映了地下赋存有软弱夹层，这类软弱夹层对建筑物易造成破坏，影响施工安全。

南水北调配套工程多处需建设泵站，为勘查泵站位置的土层类型，我们采用了瞬态面波勘探法。图1是某泵站采用瞬态面波勘探法得到的面波频散曲线图，勘探采用24道采集，道距2m，时窗为1024×0.5ms，震源采用24磅铁锤激发，检波器固有频率为4Hz，采集用全通滤波档。参考场地附近的钻孔资料得到解释成果图。

图1 波点 散曲线资料解使图

从解释图上可以算出该场地土层等效剪切波速为226m/s，依据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》，判定该场地类型为中软场地土，场地类别为Ⅲ类。

3.2 划分地质薄层

常规物探方法在工程地质勘察中对薄层或软弱夹层反映极不灵敏，而面波对地层软硬变化较敏感，面波的频散曲线的某些拐点与地层具有很好的对应关系，可利用这些拐点对地层进行划分。

图2 散曲线解译成果

在南水北调配套工程某泵站工程中，钻孔揭露场地表层为填土及砂质粉土，其下为卵砾石，而在深度12m左右存在一粘质粉土薄层，厚度约半米左右，为评估其对工程的影响，需圈定该层的平面分布范围及大致厚度，我们采用面波法对场地进行了勘探。勘探采用24道采集，道距2m，时窗为1024×0.5ms，震源采用24磅铁锤激发，检波器固有频率为4Hz，采集用全通滤波档。图2是典型的频散曲线解释成果图，在深度12.5m上下均有曲线拐点；图3是测线剖面成果图，从图上可见，在深度12.5m左右有一明显的低速带。从图3可初步了解整个场地粘质粉土薄层的分布情况，然后再利用图2频散曲线的拐点，并结合钻孔资料对该薄层的埋深及厚度进行了划分。

图3 波层 度剖

3.3 第四系覆盖层厚度勘查

在南水北调配套工程大宁调蓄水库工程中，为了防止水的渗漏，多处需要做防渗墙，这就需要勘查清楚基岩面的情况，也就是第四系地层的覆盖厚度。为了掌握大宁水库两岸的基岩面覆盖情况，我们分别在两岸开展多道瞬态面波勘探技术。

图4 大宁右岸某段 波解使成果图

图5 大宁左岸某段 波解使成果图

勘探采用 24道采集，道距 2m，时窗为 1024×0.5ms，震源采用24磅铁锤激发，检波器固有频率为4Hz，采集用全通滤波档。图4是大宁右岸摘取的一条面波剖面解释成果图，图5是大宁左岸摘取的一条面波剖面解释成果图。

分析图 4，根据多道瞬态面波视层速度的分布情况，并参考钻孔资料综合分析对图4所示面波剖面作出如下分层：①素填土，表层为砂土，其下为回填砂卵砾石，视层速度为180~280m/s，岩层厚度为 3.6~4.2m；②砂土，为砂卵砾石层中的透镜体，主要成分为中细砂或粉土，视层速度为160~250m/s，岩层厚度为 0.5~1.6m；③砂卵砾石，视层速度为280~750m/s，岩层厚度为5.0~7.5m；④基岩，主要成分为砾岩或泥岩，岩体较破碎或裂隙发育，视层速度为750~900m/s，岩层厚度2.5~6.0m；⑤基岩，主要成分为砾岩或泥岩，视层速度大于900m/s，在本剖面中，基岩面较为平坦，岩面高程为40.5~43.0m，第四系地层覆盖厚度为10m左右。

对图 5，根据多道瞬态面波视层速度的分布情况并参考钻孔资料综合分析，对该面波剖面作分层：①素填土，主要成分为回填砂土，视层速度为120~250m/s，岩层厚度为 9.0~10.0m；②砂土，主要成分为中细砂或粉土，视层速度为 160~250m/s，岩层厚度为0.5~1.0m。本剖面中该岩层分布不连续，局部段该岩层较易判断；③砂卵砾石，视层速度为250~900m/s，岩层厚度为14.0~26.0m；④基岩，主要成分为砾岩或泥岩，视层速度大于900m/s。在本剖面中，基岩面起伏不大，岩面高程为28.0~33.0m，第四系地层覆盖厚度为30m左右。为了给出更精确的第四系地层覆盖情况，可以结合高密度电法勘探的地层视电阻率分布、高密度地震影像资料及钻孔资料，得到整个库区第四系地层覆盖厚度剖面图。

4 结语

瞬态面波勘探技术不仅能够准确反映和区分地下不同岩层的界面，能够提供精确厚度和地层的剪切波速，而且所测剪切波速直接反映岩土的物理力学性质。该方法的应用不仅节省投资，还提高了工作效率。其应用于南水北调配套工程中，解决了场地评价，地质薄层勘查，第四系覆盖层厚度勘查等诸多地质问题，取得了良好的应用效果，而且还简化了工作程序，缩短了勘察周期。

但是，面波勘察仍是一种间接勘探方法，在开展面波工作的同时，还必须结合常规工程地质勘查手段，才能提高地质勘查的目的性、针对性和有效性，获得满意的勘查效果。