McSEIS多功能综合地震仪在堤防隐患探测中的应用研究

方绪顺，钱亚俊，何　宁，王国利，汪漳淳，张桂荣，何　斌

(南京水利科学研究院， 江苏 南京 210024)



McSEIS多功能综合地震仪在堤防隐患探测中的应用研究

方绪顺，钱亚俊，何宁，王国利，汪漳淳，张桂荣，何斌

(南京水利科学研究院， 江苏 南京 210024)

摘要：以南京长江三桥和京沪高铁大胜关大桥段长江干堤隐患探测试验为依托。借助McSEIS多功能综合地震仪，运用折射波法和表面波法无损检测技术，对堤防质量现状进行探测。试验结果表明：采用McSEIS多功能综合地震仪能充分利用表面波和折射波法各自的特点进行综合物探，两种方法相互补充、相互验证，从而有效的提高资料解释的准确性和精度，取得了良好的效果。

关键词：McSEIS多功能综合地震仪；折射波；表面波；堤防；无损探测

我国是一个洪涝灾害十分严重的国家，建国以来，我国累计修建及加固堤防26万km[1]，对保障沿线人民生命财产安全起到了巨大作用。但是堤防地质条件、施工条件、管理水平各有不同，其质量亦参差不齐。加之堤防病险原因、种类和致灾因子(洪水、风暴潮、地震、滑坡涌浪、老化病害、不良地质条件、人为因素等)十分复杂，病险堤防仍是人民的隐患[2]。1991年以来，有235座水库发生垮坝，造成的经济损失平均每年高达260亿元，死亡453人。因此及时掌握堤防的质量状况，发现并消除堤身隐患具有重要的实际意义。

目前堤防隐患的探测方法主要有地质钻探、人工探视和地球物理勘探三种。前两者均不能满足快捷、准确和无损等要求，而且地质钻孔具有局限性和破坏性，人工探视费力又效率低[3-4]。地球物理勘探，即工程物探通过研究探测对象物理特性的差异来判断堤防内部隐患情况，具有无损、效率高、可连续扫描等优点。物探的方法有多种：高密度电阻率法、探地雷达法、瑞雷波法、瞬变电磁法，浅层地震法等[5-9]。由于每一种物探方法都有一定的应用前提和局限性，故选择合适的探测方法及其组合有利于提高信号采集和解释水平，从而提高探测的准确性[10]。

本文综合应用折射波法和表面波法无损勘探技术，对南京长江三桥和京沪高铁大胜关大桥段长江干堤进行隐患探测，探测结果与传统钻孔方法进行比较，验证探测效果并给出堤防质量情况。

1探测方法及设备

1.1折射波法浅层勘探

折射波法是研究在速度分界面上滑行波所引起的振动。当人工震源激发的地震波向下传播时通过不同的介质，其速度发生改变，当满足下层介质的波速大于上层介质波速，且波的入射角等于临界角的条件时，折射波便会沿着界面产生滑行波，滑行波又引起界面上各个质点的振动，以新的形式传至地面，即折射波。

折射波法中观测体系有相遇时距曲线法、延长时距曲线法、追逐时距曲线法、相遇相交时距曲线法等。观测系统的不同主要是炮点和检波器布置不同，如本文折射波法中采用的是相遇相交时程曲线法，即两端和中点放炮。通过观测可以得到相应的折射波时程曲线，水平层状界面、倾斜界面、弯曲界面下时程曲线各有不同，结合已知的地质情况，解释折射波时程曲线可以得到地下折射界面的数量、埋深和形态参数[11-13]。

1.2表面波法浅层勘探

表面波主要是瑞利波(R波)和拉夫波(L波)，目前物探中用的主要是瑞利波法。与纵波和横波相比，在距震源一定的距离上，R波能量最高，所以表面波法信噪比较高[14-15]。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以一圆柱体向外扩散，深度约为一个波长。在地面沿着波的传播方向以一定距离布置检波器，即可测得该范围内R波的传播特征，用傅里叶变化将时域记录转化为频域记录，对于某一特定的频率分量，可以用互谱法计算相邻检波器记录的相移，从而得出邻道内R波的速度，将R波的传播速度与相应频率绘制成频散曲线，结合不同测点的频散曲线即可反映出介质沿剖面上的变化规律。

1.3探测设备

本次项目采用的探测设备是由日本OYO公司开发的McSEIS多功能综合地震仪，该地震仪是一款轻便高效的48通道多功能综合物探检测设备，具有以下先进性：(1) 多点激震多点采集；(2) 一机具有折射、反射、脉动测试、表面波脉动测试多功能；(3) 横向分辨率高；(4) 结合内置软件，大大缩减数据分析时间。

2应用实例

2.1工程概况

南京长江三桥和京沪高铁大胜关大桥段长江干堤堤型为土堤加浆砌石挡浪墙，挡浪墙高度1.2 m～2 m。堤顶宽3 m～5 m，水泥路面，迎水侧混凝土护坡，堤上民房密集。堤身以壤土为主，局部为黏土、砂壤土，表层局部为碎石、砖块等，为后期整修路面填筑而成。具体选取位于南京长江三桥(沪蓉高速)和南京长江高铁桥之间的大胜关段为试验段。根据《堤防工程地质勘察规程》[16](SL188-2005)附录C“堤基地质结构分类”，大胜关段堤基为多层结构(Ⅲ)，属Ⅲ2亚类。

2.2折射法浅层勘探

本次隐患探测研究沿堤顶布置一条测线，设置测线起点桩号为0+000，终点桩号为0+050，测线总长为50 m，使用24通道进行测量，24个检波器点距为2 m，第一个检波器桩号0+002，第二个检波器桩号0+004，依此类推，最后一个检波器桩号为0+048。共使用大锤激发震源25次，共获取25组测量数据，第一次激发震源桩号0+001，第二次激发震源桩号0+003，依此类推，最后一次激发震源桩号为0+049。测线布置见图1。

图1长江大堤大胜关段试验测线布置图

借由地震仪内置软件SeisImager完成资料处理，绘制出包含测线各点覆盖层和基岩的纵波波速及分布厚度的断面图，见图2。

由图2可知：本次隐患探测研究试验段50 m，折射波法浅层勘探深度超过24 m，有效探测深度与探测长度的比值(深长比)大于50%。究其原因，第一：大胜关堤坝填土上下层级配相对均匀。下层填土较上层填土相对密实，下层土纵波速度V2大于上层土纵波波速V1，在分层界面上，波能够很好的进行折射传播，满足折射波研究的基本条件。第二：由于大胜关勘探点靠近长江边非常近，离近水面仅30 m的距离。堤身土含水率非常高，地下水位浸润线也较高。浅层折射波在饱含地下水的介质中传播，按照一般性规律：波在饱水介质中的传播速度高于干燥介质中的传播速度，即波在饱水介质中的波幅低于干燥介质中的波幅，所以，在同样的走时距离下能量损失相对较小，折射波损相对较弱，折射波的纵波传播距离较远，传播深度较深。

图2折射波法速度波形分布图

此外，该段浅层层厚0～4 m处，左侧测线纵波速度处于0.32 km/s～0.35 km/s，中间和右侧部分纵波波速处于0.28 km/s～0.30 km/s之间，说明中间部分和右侧部分堤身土质量相对较差。在层厚4 m～24 m处，左侧堤身覆盖层与堤基础的纵波波速均处于0.36 km/s以上，而中间和右侧堤身和基础的纵波波速处于0.31 km/s～0.32 km/s之间，上下层之间纵波波速相差不大，测线左端区域较测线中间和右端区域所测纵波波速相对较大，各层均为这种分布规律，说明在测线中间部位和右侧土体整体相对软弱。参照常见岩土介质的密度和波速，该地段堤防覆盖层均属于松散层。

2.3表面波法浅层勘探

表面波和折射法使用一条长测线，在相同的位置布置两套地震检波器。面波法采用二维面波法进行数据采集，每个剖面布置检波器24个，道间距2 m，激发点距2 m，用19磅铁锤直接锤击坝体的方式作为激发震源。试验所得表面波法速度波形分布等值线图见图3。

图3表面波法速度波形分布图

根据经验：波速可划分为4个区间：(1) 波速<140 m/s，岩土体结构极松散，坝体有明显质量缺陷；(2) 波速在140 m/s～250 m/s范围内，岩土体结构松散，坝体质量较差；(3) 波速在250 m/s～350 m/s范围内，岩土体较密实，坝体质量较好；(4) 波速>350 m/s，岩土体密实，坝体质量好。

由图3可知：在试验段层厚0～4 m处，堤身土表面波波速在90 m/s～130 m/s之间，土体结构松散，堤身土覆盖层土质较差。在地面以下层厚4 m～18 m深度范围内，绝大多数土层波速在140 m/s～250 m/s范围内，测线左侧相对于测线右侧的填土表面波波速较高，填土质量相对较好。在层厚18 m深度以下，土体表面波波速超过250 m/s,上下层土体性质和左右侧土体性质均较为接近，土体较密实，质量相对较好。堤基土体波速分布均匀，无明显的波速异常。

靠近测线左侧0+000桩号至0+008桩号的位置，在地面以下1 m～4 m深度范围，波速接近100 m/s，局部土体结构非常松散，靠近测线右侧0+040桩号至0+046桩号的位置，在地表1 m范围内，波速接近100 m/s，说明此处土体非常松散。在5 m～8 m处深度范围，波速接近260 m/s，局部土体质量相对较好。这说明在这8 m长的测线处，土体填筑过程中，级配不一。

2.4结果验证

为研究McSEIS多功能综合地震仪折射法，表面波法等技术应用于堤防勘探资料成果的准确性，将折射法，表面波法的勘探成果与钻孔法勘探成果相比较。在检波器长测线两侧分别进行钻孔取芯，编号分别为J34、J35(桩号0-050)，J42、J43(桩号0+100)钻孔取芯位置距试验段前后各50 m。地质钻孔资料见图4。

图4地质钻孔平面示意图

钻孔勘探成果显示：长江大堤大胜关推广试验段地面以下层厚0～7.5 m处为回填土区，以粉质黏土为主，夹杂少量碎石。左侧7.5 m～12 m为粉质黏土区，含有少量有机质。右侧7.5 m～10.5 m为粉质黏土区，含有少量有机质，10.5 m～12 m为粉砂区。在测线右端，层厚0～1 m处，有薄层杂填土区域。

结合上述折射波法，表面波法探测成果解释，所得的各层的土体特征信息与钻孔勘探特征信息吻合：试验段浅层深度在4 m范围内土体总体相对松散，质量较差；试验段测线左侧土体质量较测线中间和右侧土体质量好，土体较密实。由于钻孔点距离试验段有大约50 m的距离，钻孔资料的层厚及分层特性具有参考价值，能够大致推断出试验段分层的大体结构形式和分布，但分层的具体厚度在此不能进行详细数值的比较。

3结论

本文运用浅层折射波勘探及表面波勘探技术，采用McSEIS多功能综合地震仪对南京长江三桥和京沪高铁大胜关大桥段长江干堤进行隐患探测研究，获得如下结论：

(1) McSEIS多功能综合地震仪具备测量简单，测量数据采集效率高等特点，相比较传统的水利工程堤坝勘探技术，它是一种简单的、经济有效的物探手段，能够对长江大堤进行有效的勘察。

(2) 面波信号在分层介质中传播会发生频散现象。而体波信号在存在折射层位的地层中传播会发生明显的折射现象。因此在工程地质勘察中，可以充分利用面波和折射波法各自的特点进行综合物探测试。不同的物探方法相互补充、互相验证能够有效的提高资料解释的准确性和精度。

(3) 南京长江三桥和京沪高铁大胜关大桥段长江干堤浅层深度在4 m范围内土体总体相对松散，质量较差，在地面以下层厚4 m～18 m深度范围内，绝大多数土层波速在140 m/s～250 m/s范围内，土体质量相对较好。在层厚18 m深度以下，土体表面波波速超过250 m/s，土体较密实，质量较好。

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Application of McSEIS Multi-function Comprehensive Seismograph in Embankment Hidden Danger Detection

FANG Xushun， QIAN Yajun， HE Ning， WANG Guoli， WANG Zhangchun， ZHANG Guirong， HE Bin

(NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing,Jiangsu210024,China)

Abstract：In the hidden danger detection of the Yangtze River embankment near the 3rd Nanjing Yangtze River Bridge and the Dashengguan bridge section of Beijing-Shanghai High-speed Railway, by using seismic refraction and surface wave methods satisfactory results were achieved with the help of McSEIS Multi-function comprehensive seismograph. The safety situation of the embankment was revealed. The test results showed that with the application of McSEIS seismograph, seismic refraction and surface wave methods can be used comprehensively. The results from two methods can be compared and verified, thus the accuracy and precision of data interpretation can be improved.

Keywords:McSEIS Multi-function comprehensive seismograph; seismic refraction; surface wave; embankment; non-destructive detection

文章编号：1672—1144(2016)01—0006—04

中图分类号：TV698

文献标识码：A

作者简介：方绪顺(1972—)，男，安徽青阳人，硕士，高级工程师，主要从事土石坝工程筑坝技术研究。 E-mail: xsfang@nhri.cn

基金项目：水利部“948”项目(201204)；2012年度江苏水利科技项目(2012030 2012009)

收稿日期：2015-10-05修稿日期：2015-11-27

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.002