地震面波映像法在上海海塘结构隐患调查中的应用

王治华

（上海市地质调查研究院，上海 200072）

地震面波映像法在上海海塘结构隐患调查中的应用

王治华

（上海市地质调查研究院，上海 200072）

上海海塘由外部坚固结构壳包裹吹填砂或黏土筑成，堆填高度7～8m。海塘隐患主要为堤芯的局部疏松和结构壳下部形成的空洞。由于海塘介质的电阻率极低，探测海塘隐患不宜选择电法、电磁法，而需依靠地震波法。本文对纵波在海塘中传播的几何特征进行模拟，结果显示，坝体底面产生的反射波和隐患产生的绕射波与直达波之间时差太小，不能分辨，表明反射波法不适用于海塘隐患探测。据有关面波数值模拟结果，介质的横向变化导致面波的反射、散射，反射面波、散射面波与正向传播的面波干涉，形成很强的异常波组，利用面波的这一规律，可以有效探测海塘隐患。本文介绍的地震面波映像法在调查海塘隐患时，采用多道采集，抽取共偏移距面波信号，利用面波的散射原理分析不同偏移距地震映像剖面，能有效圈定隐患范围，并获取隐患的埋深。

地球物理探测；海塘安全检测；地震映像；面波；结构隐患

最初，地震勘探为了采集方便和降低成本，用单个检波器来采集共偏移距反射信号或折射信号[1]，以此来达到与常规反射法、折射法勘探同样的勘探目的，这种方法被引入中国称为地震映像法。后来，地震映像法在我国被广泛应用于探测浅部不均匀体（如洞穴、管道、岩溶、土坝中白蚁巢、地裂缝与疏松带等）。

我国大量采用的地震映像法，其实是采集纵波单点反射，形成共偏移距道集，根据异常体的反射特征来分析异常的空间属性。然而，在近震源区，瑞雷面波信号的能量占比大于70%，特别是在软土区，反射波、绕（散）射波均被面波信号干涉，不易分辨，而面波信号很强，波场特征明晰可辨。在这种情况下，不宜选择反射波法，而利用面波对异常体成像应是可行的选择。

上海海塘高度仅7～8m，一部分为未固结的吹填砂和冲泥管带构成的新式海塘，一部分为固结黏土构成的老式海塘，隐患主要为堤身中存在的疏松、空洞。对坝体采用常规锤击震源激发，按照地震反射波原理，在坝基面产生的反射与直达波叠加干涉，堤身内部隐患产生的弱反射信号不易分辨。而按照面波理论，面波散射信号发源于散射点（即隐患点），与正向传播的面波信号干涉形成“V”字形，波形清晰，易于分辨。地震面波映像法采用多道（至少12道）、高密度、滚动采集，抽取共偏移距道集形成不同偏移距地震映像剖面，利用面波的散射和波散特性分析数据，能分别用于获取海塘隐患的范围及深度。

1 反射模型

反射模型按照海塘介质波速分布结构进行了地震波场几何建模，如图1所示。模型第一层厚度8m，纵波波速800m/s，密度1.4g/cm3，代表海塘坝体；第二层厚度10m，纵波波速1200m/s，密度1.6g/cm3，代表坝体下卧层；第三层基底纵波波速1550m/s，密度1.9g/cm3，代表更深地层；在第一层中设置了一个直径2m的圆形体，纵波波速300m/ s，密度0.5g/cm3，模拟疏松隐患；震源点位于横轴8m位置。地震波模拟主要模拟反射波、折射波、绕射波和首波等，模拟采用的子波频率为100Hz，模拟方法为射线追踪法（如图1a）和有限差分法（如图1c），并计算了时距曲线（如图1b）。

模型正演所用参数参照了8m厚度的海塘结构及波速、密度参数，对于含水层和复杂的结构异常波场过于复杂，没在模型中体现。图1(a)、图1(b)显示：地震反射法能有效分辨的窗口为偏移距小于20m内，该窗口其实是面波为主导的窗口；图1(c)显示第一层底面和第二层底面的反射在40ms以内，与首波部分干涉，较难分辨，模拟信号频率为100Hz，实际地震波主频更低，更难以分辨反射波。可见，在海塘实施地震映像法不易进行反射波法。如采用折射波法，则由于海塘结构体内部呈降速特性，折射波不能体现海塘体内部的情况，而体现海塘体下卧层的不均匀情况，折射波法同样不宜用于探测海塘隐患。

图1 海塘反射波场建模结果Fig.1 The refection wave modeling results of seawall

2 面波模型

在1996年，Gucunski等人提出了面波散射，并且指出发生散射的源点对应地下异常体存在的位置[2]。面波的这种几何特性一直没被很好利用，而更多地被用于获取地层速度。1999年，Peter M.Manning和Gary F.Margrave采用有限元建模模拟了瑞雷波的反射特性[3]。瑞雷波在均匀介质中面波按固定速度传播；当遇到介质横向变化，如从波密介质进入波疏介质则产生面波的反射，进入波疏介质后波组视速度明显降低，反之亦然；当遇到一定厚度的差异变化，面波产生反射和波散。对比发现，异常厚度越大反射越强，进入低速层后波速变化也越大波散越强。

2009年，Zeng Chong等模拟了面波遇到异常体产生的散射现象[4]。当地下存有不均匀体则会导致面波的散射，异常体中心深度不变，口径越大，散射波越强，散射波中心对应异常体中心。

通过以上两组建模，可以发现瑞雷面波对介质的横向不均匀性非常敏感，对介质横向速度异常和其内部存在的异常体，都能以视速度的变化、形成散射波及散射波强度变化来体现。如通过对面波波形、相位及振幅等信息的提取，可获取地下异常体分布情况。

3 地震面波映像法

3.1 数据采集方法

地震面波映像法需区分采集不同频段面波信号,因此借鉴多道瞬态面波法的采集方法，采用多道（至少12道）采集[5]，采集方法的设定原则如下：

（1）因面波在传播1个波长以后才发育完全，且单一频率的面波能量集中在半个波长的深度内，故排列的最小偏移距、最大偏移距分别为探测的最小深度、最大深度的2倍左右。

（2）宜采用不同频率检波器组成观测排列，近震源采用高频检波器，随偏移距增加逐步变换低频检波器。

（3）道间距应不大于异常体在剖面线上投影长度的1/2，确保异常体上方至少有1个检波点；炮间距不大于最小偏移距的1/2，确保至少有2次激发让异常体处于炮点和检波点之间。

（4）所选震源及激震点应有利于激发频带宽、能量强的面波信号。

3.2 数据分析方法

（1）异常平面位置分析方法

图2为海塘上垂直于一注浆加固点，采用滚动排列获取的四个记录。从图中可见，散射中心（C1～C4）随着排列的滚动，在地震记录上对应的位置也呈由远及近的变化，四个记录共同指向同一个异常。通常，散射面波（或反射面波）与正向传播的面波形成V字形，其顶点对应异常位置。该位置属于异常的边界还是顶点，视异常体的形状、埋深而定，一般而言，方形为边界，圆形为顶点。

由于面波沿地表方向传播，抽道形成的地震面波映像剖面，在确定异常的地面投影位置时，应直接根据出现异常的检波点位置而定，而无需考虑偏移距的影响。另外，如采用端点放炮，获取的是面波对异常的单向成像；如采用中间放炮或对测线做正反向观测，可形成面波对异常的双向成像，对提高定位精度有作用。

图2 面波法记录对比图Fig.2 Comparison records of surface wave method

（2）异常埋深的估算方法

映像记录是将滚动连续采集记录，按顺序抽取的共偏移距道集。图3为抽取的不同偏移距面波映像记录的时间剖面图，剖面沿海塘走向，跨越一根管道和注浆加固区。

管道和注浆固结体在不同偏移距剖面上呈现如下差异特征：（1）小偏移距剖面呈现的异常宽度较小，大偏移距剖面呈现的异常宽度大，即异常宽度∆d6m＜∆d13m＜∆d21m；（2）注浆加固区产生的异常波组（A1、A2、A3）在小偏移距剖面呈现波组错位最大，大偏移距剖面呈现的波组错位逐步减弱至消失，即∆ω6m＞∆ω13m＞∆ω21m；（3）管道产生的散射波组在偏移距13m的剖面图上显示最清晰，即B2最强，B1最弱。

综上分析，可得出推论：地震面波映像法获取不同深度的信息需要采用不同的偏移距来实施，获取浅部信息用小偏移距，获取深部信息用较大偏移距，合适的偏移距需根据异常体的埋深来选择；反之，通过找准合适的偏移距可推测异常体的深度。这是地震面波映像法进行异常深度解释的一种方法。

该方法具体运用的简单推算：如埋深7m的排水管道在不同偏移距剖面显示最强的为偏移13m，偏移距与深度的转换系数估算为：δp→h=7/13=0.54；图3(c)显示注浆异常已趋于消失，故可估算注浆深度为21×0.54=11.34（m）。该推算结果与实际情况接近。

尽管这种方法目前还缺乏准确的理论计算关系，但合适的偏移距与面波波长相关,该方法经过实践总结，对计算关系进行修正，可作为地震面波映像法估算深度的方法。

图3 地震映像时间剖面图Fig.3 Seismic imaging time profles

常深度估算方法是根据面波成份的频率，进行异常的深度解释。图4是在单炮采集（图2）的基础上沿海塘走向将偏移6m的地震道集成的剖面。图4(a)剖面进行了30Hz低通滤波，从图中可见，低频部分波组未出现剧烈变化，相位有小于1/4周期变化，波组强度出现小范围强弱变化，说明注浆区对低频成份仍有影响，但程度降低较大。该区域面波速度为160～170m/s，按面波传播影响的深度为1个波长计，该频段的面波反映5.6m以深地层的特征，说明该区域深度大于5.6m注浆加固程度减弱。比较而言，图4(b)显示，经过50Hz高通滤波，剖面中部出现波组“错位、上拉”特征，证明其波速高于周围介质波速，为注浆区形成的硬化地层，根据该频段波长，故估算注浆区在3.4m以浅地层受到完全加固处理。

图4 海塘调查试验（偏移6m）地震映像剖面图Fig.4 Seawall survey test seismic refection profle (offset 6m)

如对原始剖面进行逐频带分析，发现剖面上异常分布的范围随频率的变化而变化：异常波组频率低对应的异常埋深大，异常波组频率高对应的异常埋深小。总之，基于面波频散特性，从异常波组频率分析可估算异常的埋藏深度。

4 结语

海塘结构隐患探测因勘探深度极浅，堤身为单一松散介质，采用地震面波映像法非常合适。地震面波映像法在判断异常体深度时，依据面波的能量集中在一个波长深度内这一原理来分析数据，而与此关联的已知参数包含：偏移距、频率和波速。这几项参数可作为判断异常深度的依据，本文介绍了计算的思路，深入研究面波传播的规律可获得更精确的计算方法。地震映像法的优势是共偏移距快速成像，在面波信号完全压制反射信号的情况下，小偏移距地震映像法不宜采用反射法来对数据进行处理和解释，而应采用面波法来分析数据。这是本文为了丰富地震映像法的应用思路，而提出地震面波映像法的初衷。

References)

[1] Wilson T H.Model studies of shallow common-offset seismic data[J].Geophysics, 1990,55(4):394-401.

[2] Gucunski N, Ganji V, Maher M H.Effects of obstacles on Rayleigh wave dispersion obtained from SASW test[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 1996,15:223-231.

[3] Manning P M, Margrave G F.Rayleigh wave modelling by fnite difference//SEG Technical Program Expanded Abstracts[C].1999: 532-535.

[4] Zeng C, Xia J H, Miller R D.Modeling results on detectability of shallow tunnels using Rayleigh-wave diffraction//SEG Technical Program Expanded Abstracts[C].2009: 1425-1429.

[5] 刘伍,司永峰,王治华,等.上海近岸浅海单道地震多次波特征及压制方法研究[J].上海国土资源,2016,37(2):89-95.

Liu W, Si Y F, Wang Z H, et al.The characteristics and suppression method of multiple waves in the high resolution single channel seismic system in the offshore Shanghai area[J].Shanghai Land & Resources, 2016,37(2):89-95.

Application of seismic surface wave image method in the investigation of Shanghai seawall hidden structure danger

WANG Zhi-Hua
(Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

Shanghai seawalls, with external rigid shell flled with sand or clay, is only a few meters thick.The hazards of seawall are the loose parts of the core and the cavities formed below the shell.Because of the very low resistivity of seawall medium, resistivity method and electromagnetic method should not be chosen to detect the hazards of seawall, but the seismic method is available.Based on the geometric characteristics of wave propagation in the seawall, the simulation results show that not only the time difference between the refection wave generated by the bottom of seawall and direct wave, but also the time difference between the diffraction wave of the hazards and direct wave, is very small and can not be distinguished.The simulation show that the refection wave method is not applicable to the seawall hazard detection.According to the simulation results of surface wave numerical simulation, surface wave refection or scattering, generated by lateral in homogeneity of medium, interfere with forward propagating surface wave and form very strong abnormal wave group.Using this principle of surface wave, can effectively detect hidden hazards of seawall.This paper introduces the seismic surface wave imaging method in the investigation of seawall hazard, multi-channel acquisition, extraction of common offset surface wave, analysis of different offset seismic refection profle by using the principles of surface wave scattering, can be used to detect the range and depth of seawall hidden hazards.

geophysical exploration; seawall security detection; seismic image; surface wave; hidden structure danger

P631.4

A

2095-1329(2017)03-0094-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.021

2017-05-17

修回日期: 2017-08-09

王治华(1978-),男,高级工程师,主要从事工程物探研究.

电子邮箱: 53312477@qq.com

联系电话: 021-56618043

中国地质调查局地调项目“长江三角洲海岸带综合地质调查与监测”