桂林七星岩摩崖题刻渗水通道瑞雷波探测

周富彪，孙进忠，石金山，刘 磊，4，李 高

(1. 中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083； 2. 中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林 541004； 3. 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024； 4. 建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007； 5. 有色金属矿产地质调查中心，北京 100012)

0 引 言

利用弹性波探测方法了解岩土介质性质、解决工程问题是岩土工程和工程地质勘察的重要手段之一，已经纳入《岩土工程勘察规范》等国家标准[1，2]，在工程中发挥了重要的作用。瑞雷波(R波)是沿岩土体界面传播的一种面波，波动能量主要集中在波传播的界面附近[3，4]，利用瑞雷波频散特性可探测界面附近的岩土体弹性波速[5]。1982年，日本VIC株式会社研制出了基于稳态法的GR-810型佐藤地下全自动勘查机[6]。1993年，刘云桢等[7]自制出了多道地震数据采集处理系统，把瞬态面波勘探的有效深度提高到30～50 m。瞬态面波勘探效率高于稳态法而被广泛应用，在岩溶探测和注浆检测中应用效果显著[8-12]。孙进忠研究了传统瑞雷波采样定理的局限[13]，提出了考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法，形成了一套可以充分利用每一道检波器的记录信息、横向分辨力大大增强的高效率多道瞬态瑞雷波探测方法，并在岩土体波速测量、地层划分、地基加固效果检测[14]、石质文物风化检测[15]和岩溶破碎带探测[16]等工程中成功应用，积累了丰富的经验。

石质文物病害，是指石质文物在自然营力作用和人为因素影响下所形成的，影响文物结构安全和价值体现的异常或破坏现象[17]。桂林七星岩岩壁上的石刻文物目前正遭受岩壁裂隙水的渗漏侵蚀病害。采用考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法，以“最小干预”为原则，无损地探明了与摩崖题刻文物溶蚀病害相关的断裂带和岩溶裂隙等渗水通道的规模与方位，为石刻文物注浆堵水保护方案的制定提供了科学依据。

1 多道瞬态瑞雷波方法

1.1 探测的物理基础

岩土体的弹性波速与岩土体的软硬程度及完整程度呈正相关，岩土体越硬、越完整，其弹性波速越高；反之，岩土体越软弱、越破碎，岩土体的弹性波速就越低。桂林七星岩景区龙隐岩所赋存的山体主要为可溶性灰岩，岩体中发育的断层破碎带或岩溶洞穴相对于完整岩体而言，为软弱部位，弹性波速相对较低。因此，可以根据山体岩土体中弹性波速大小及分布情况确定基岩破碎带以及岩溶裂隙或岩溶洞穴的规模和位置。

1.2 探测原理

瑞雷波是沿介质表层或层间传播的一种弹性波动，在界面附近其质点振动方式为长轴位于界面法线方向上的逆进椭圆[18]。瑞雷波中不同频率成分的波动以不同的速度向前传播[19]。频散曲线高频部分与浅层介质相对应，低频部分与深层介质相对应，曲线的拐点与不同介质的分层界面相对应[20]。因此，只要保证在七星岩山顶上激发的瑞雷波中含有足够的低频成分波动，就可以获得从山顶激发点以下山体深部介质的弹性波速。

1.3 探测方法

采用考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法，在七星岩山顶起伏较小的地面上，按检波器道间距Δx=1 m布置12个在一条直线上的检波器构成一个检波器排列(图1)，在排列的一端激发瑞雷波，可以获得12道瞬态瑞雷波记录时域波形(图2)。

图1 瞬态瑞雷波击发与观测系统示意图Fig.1 Sketch of transient Rayleigh wave excitation and observation system

图2 瞬态瑞雷波记录波形及瑞雷波震相同相轴追踪分析示例Fig.2 Recording waveform of multi-channel transient Rayleigh and analysis example of Rayleigh wave phase event in travel-time

单道检波器记录的时域地震波波形如图3所示，相邻道检波器记录波形两两组合，可解译获得11条瑞雷波相速度—深度曲线如图4所示。

图3 单道记录时域波形示意图Fig.3 Sketch of time domain waveform of single channel

将解译得到的瑞雷波相速度—深度曲线(图4)对应在两个检波器测点的中点上[15]，曲线纵轴是深度，代表地面两个测点以下山体的不同深度处，横轴代表该深度范围内岩土体的平均弹性波速[18]。联合一个排列的11条瑞雷波相速度—深度曲线可插值计算构建连续分布的瑞雷波相速度—深度成像剖面[15]。根据成像剖面中弹性波低速区的分布情况，可以初步确定探测山体中破碎带、节理裂隙或溶洞的空间位置和规模大小，从而对汇水、渗水通道的总体趋势做出分析。

图4 瞬态瑞雷波形两两组合解译获得的瑞雷波相速度—深度曲线Fig.4 Curve of depth and velocity interpreted from two transient Rayleigh waveform

该方法只用两道检波器的瞬态瑞雷波记录即可提取多种频率成分波动的相速度，完成现有方法通过一个多道检波器排列才能完成的工作，大大提高了探测效率。

2 工程应用

2.1 工程概况

广西壮族自治区桂林市桂海碑林摩崖题刻位于桂林市小东江畔七星公园月牙山瑶光峰南麓，地理坐标为北纬25°27″东经110°28″。桂海碑林摩崖题刻主要由龙隐洞、龙隐岩两处石刻组成，属石灰岩带。桂海碑林现有唐至民国时期石刻213件，是桂林石刻最集中、最典型的地方，石刻内容涉及经济、军事、文化、民俗等，形式有诗、文、歌、赋、对联、图象等，书体有楷、草、隶、篆等，形成了两洞内外“摩崖殆遍，壁无完石”的碑林奇观[21](图5)，具有较高的历史和艺术价值。桂海碑林是广西壮族自治区重点文物保护单位，也是第五批全国重点文物保护单位。

图5 龙隐岩上遍布的摩崖题刻Fig.5 Cliffside inscription of Longyin Cave

桂林七星岩景区的区域地质构造背景为向西突出的南北向桂林弧形构造，龙隐岩、龙隐洞摩崖题刻处于弧顶北部[22]。弧形构造带产生的同时也孕育着大型张拉、剪切断裂构造以及众多节理裂隙。山体内构造断裂和节理裂隙相互交切形成的空间网络系统，成为地下水的主要渗流通道和储存空间[23]。大气降水在重力作用下沿渗流通道下渗，沿途溶解碳酸盐岩形成断面不断扩大的岩溶通道，同时将溶解的碳酸盐于龙隐岩、龙隐洞崖壁裂隙口处渗出和下滴，使裂隙下方的石刻文字遭到溶蚀模糊甚至消失(图6)。因此，保护石刻文物免受溶蚀病害已成为亟待解决的问题。

图6 摩崖题刻岩溶裂隙渗水病害Fig.6 Diseases of cliffside inscription caused by karst fracture water seepage

2.2 多道瞬态瑞雷波现场探测

多道瞬态瑞雷波探测的现场实施要考虑瞬态瑞雷波的激发、观测记录各个环节的技术实现。最重要的是通过现场探测，获得能够满足探测深度和探测分辨率要求的瞬态瑞雷波记录波形数据。经现场反复测试，确定了瞬态瑞雷波的检波器布置方式和能量激发方式：采用道间距为1 m布置方法，共布置12个检波器，覆盖11 m的探测长度。为保护浆砌片石路面免受检波器插孔钻孔的影响和破坏，采用快干粉提前浇筑直径和高同为10 cm的圆柱墩子作为地面与检波器传递振动的中介，并在墩子中心预留与检波器插脚相匹配的插孔。探测时利用快干粉将检波器固定在预留插孔的墩子上并同检波器一起将墩子用快干粉固定在路面上，实现检波器与地面的间接耦合以便检波器真实地拾取振动信号。在能量激发方式上，先在激发点上铺设10 cm以上厚度的粗砂垫层和厚橡胶垫，采用18磅重锤通过人力高高举起后冲击激发点，原检距选为5 m(图7)。对激发得到的记录波形进行解译表明，以这种方式激发，有效探测深度可达到20 m。

图7 瑞雷波探测现场布置和激发方式图Fig.7 Detecting line and excitation of Rayleigh wave

根据景区的地质构造、水文地质条件和瑞雷波探测目的，要尽量使探测测线与破碎带或渗水通道大角度相交才能探测出软弱带的宽度。在七星岩山上布置了3条测线，编号分别为测线1、测线2和测线3(图13)。

七星岩山上东侧高耸的主峰月牙山与西侧低缓龙隐岩、龙隐洞山体之间存在较大的高差，交界处可能存在构造破碎带，主峰表面水流下淌容易在低缓处汇集并向山体内部入渗。因此，测线1结合地形高差大致绕着主峰西侧边缘布置，尽量保证测线经过揽月亭低缓地带，以便探明主峰和龙隐岩体之间可能存在的所有构造破碎带。测线2在平面上绕龙隐岩山体布置，以便探明所有可能延伸向龙隐岩的构造破碎带。测线3布置于龙隐洞上方揽月亭西侧，测线为东西向跨越构造破碎带。

2.3 瑞雷波相速度成像剖面波速分级和山体渗流通道渗透性分级

根据岩土介质弹性波速与岩土体的完整性和软硬程度正相关的物理原理，参照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[24]中土的类型划分和剪切波速范围的规定(表1)，建立土的类型与土层剪切波速的对应关系。针对景区场地岩土体的岩性类别以及岩体中发育的断层破碎带和岩溶裂隙、溶洞的情况，考虑到岩土体瑞雷波波速VR与剪切波速VS大体相等(VR≈0.95VS)的关系，将解译得到的瑞雷波相速度VR的变化范围划分为0～800 m/s、800～1 600 m/s、1 600～2 400 m/s、2 400～3 200 m/s、3 200 m/s以上5个波速分级，各个波速分级与岩土体性状的对应关系如表2所示。

表1 土的类型划分和剪切波速范围(GB 5011—2010)Table 1 Categorization and shear wave velocity of soil (GB 5011—2010)

表2 桂林市七星岩岩土体瑞雷波相速度VR分级与岩土体性状对照表Table 2 Grade of Rayleigh wave phase velocity according to the properties of rock-soils mass

注：fak为由载荷试验等方法得到的地基承载力特征值(kPa)，VS为岩土剪切波速。

注： 表中表示岩土体瑞雷波相速度VR分级波速范围的表格底色与瑞雷波相速度成像分区色标的配色相同。

对七星岩山体的瑞雷波探测表明，由断层带和张性节理控制的岩体差异溶蚀风化作用，在七星岩山体中形成了编号为1～11的渗流通道。由于渗流通道本身渗透性能的优劣、距龙隐岩、龙隐洞的远近以及是否与导向龙隐岩、龙隐洞的张性节理有连通，这些渗流通道对摩崖题刻文物的危害方式和威胁大小也各不相同。根据山体瑞雷波相速度—深度剖面揭示的渗流通道情况，对各个渗流通道的渗透性能进行划分评估。根据渗流通道的溶蚀风化程度和对应的渗透能力，将渗流通道的渗透性分为“好(H)”、“中(M)”、“差(L)”三个等级，并分别与国家文物保护行业标准《石质文物保护工程勘察规范》(WW/T 0063—2015)[17]中的“涓流”、“滴水”和“渗析”相对应。渗透性为“好(H)”，则表明出水点处以小股流水形式渗出；渗透性为“中(M)”，表明出水点处以水滴形式渗出；渗透性为“差(L)”，表明水渗出量很小，仅在出水点周围形成潮湿现象。渗流通道的渗透性能分级与渗水类型特征的对照列于表3中。

表3 渗流通道的瑞雷波相速度成像特征渗透性分级Table 3 Permeability grade of seepage paths according to the imaging features of Rayleigh wave phase velocity

根据表3给出的渗透性能分级标准，编号为1、2、3、8、9、10、11的渗流通道属于渗透性好的渗流通道；编号为4、6的渗流通道为渗透性中的渗流通道；编号为5、7的渗流通道为渗透性差的渗流通道。

3 瑞雷波探测结果与工程地质勘察验证

3.1 桂林龙隐岩、龙隐洞区域地质构造背景

桂林地区地史上由早到晚依次经历了广西(加里东)运动、印支运动、燕山运动，早古生代末广西运动形成了基岩系的褶皱并发生变质；中、晚三叠世印支运动由于自东而西的水平挤压力，主要形成了向西突出的南北向弧形褶皱；侏罗纪末至白垩纪初的燕山早期由于南北力偶的作用，根据应变椭球与结构面性质，主要发育新华夏系北北东向剪性断裂和北西向张性断裂，同时伴随断块相对升降。白垩世期间的燕山晚期，由于形成新华夏构造体系的南北力偶发生反向运动，在燕山早期构造成分的北西向扭(反扭)张性断裂的基础上发育以北西西向的压扭(顺扭)性断裂构造，对原北北东向断裂也有再次张性改造的现象[25]。地史上多次构造运动在市区范围内形成的断裂走向多为北西向和北东向(图8，图9)，龙隐岩山体中的断裂产状与地史上多次构造运动产生的区域断裂产状基本一致。

图9 桂林市地质构造分布图Fig.9 Distribution map of geological structure in Guilin

图8 桂林地区弧形褶皱顶部附近断裂、裂隙、洞穴走向玫瑰花图Fig.8 Rose diagram of fractures, joint fissures and cave of arc-like fold in Guilin region

桂林地区地质历史上三次构造运动所产生构造形迹相互叠加，形成了桂林地区复杂的地质构造体系。这一构造体系反映了地质构造作用在桂林地区地壳表层地质体中曾经存在的构造应力场的情况。可以根据线状分布的压性地质构造形迹(譬如褶皱轴迹、逆冲断层等)确定岩层所受到的构造应力场水平最大主应力(σ1)的方向，进而对研究区岩体中的节理裂隙按应力场进行配套——平行于最大主应力的节理裂隙为张性，垂直于最大主应力方向的节理裂隙为压性，走向在最大与最小主应力方向之间的节理裂隙近于纯剪性(图10)。这样，就可以对研究区岩体中的节理裂隙的力学性质及其渗透性能有更深入的理解和认识。

图10 应变椭球与结构面性质Fig.10 Strain Ellipsoid and properties of joints

现场工程地质调查中对龙隐岩体进行节理裂隙的现场调查统计，得到节理走向玫瑰图(图11)。

图11 龙隐岩体节理裂隙统计玫瑰花图Fig.11 Rose diagram of faults and joint fissures in Longyin Cave

由图11可见，龙隐岩岩体中发育的节理裂隙有两组优势走向，一组为NWW～NW(290°左右)，另一组为NNE～NE(30°左右)。现场观察证实，走向在290°左右的节理裂隙大多为结构面两壁面参差不齐的张性结构面，走向30°左右的节理裂隙主要为压剪性结构面。走向近290°的结构面与龙隐岩陡崖崖壁大角度相交，这一组结构面呈现张性，显然不是陡崖形成的卸荷作用所致，应该是区域构造应力控制形成的结构面，从而以上对结构面与构造应力场的配套分析是合理的。

3.2 瑞雷波探测结果与龙隐岩、龙隐洞地质构造的验证

综合瑞雷波探测结果和工程地质调查所反映的龙隐岩、龙隐洞岩体中节理裂隙(渗流通道)之间的关系，可推断对龙隐岩、龙隐洞摩崖题刻产生溶蚀病害的主要结构面的走向。

瑞雷波探测测线1揭示的10-H、1-H、2-H、3-H、4-M、5-L、6-M、7-L号渗流通道处于月牙山与龙隐岩之间发育的较大规模断裂带中。现场工程地质勘察可知，月牙山西部龙隐岩、龙隐洞附近相对较低缓的山体与东部相对更为高陡的月牙山山体之间发育了一条规模较大的山体断裂带(图12a)，为燕山早期断块相对升降的结果，与龙隐岩陡崖的形成属同期构造。从测线1山体瑞雷波相速度—深度成像剖面可见，最大规模的低速带出现在测线控制点#11～#13之间，VR<800 m/s的低速区深入到地表以下将近20 m，附近强风化岩体的深度更大，这一大规模的低速带正是月牙山岩体与龙隐岩岩体之间发育的断裂破碎带的反映。山体断裂带成为分割龙隐岩、龙隐洞山体和月牙山山体的重要构造边界，也构成了龙隐岩、龙隐洞山体的一个重要的水文地质边界。在测线2揭示的9-H号渗水通道处于西北向张性结构面上，结构面走向290°左右，为燕山早期产生的平行于大主应力方向的张性断裂经燕山晚期张扭性改造后的叠加结果，并在龙隐洞上方陡崖出露(图12c)，成为山体流水入渗龙隐洞的主要渗流通道。测线2同时揭示的8-H号渗水通道处于与此期同时产生的走向为290°左右的结构面上，结构面在龙隐洞西南方向佛像处出露(图12b)。测线3揭示的11-H号渗流通道处于北东向张性结构面上，结构面走向30°左右，其走向与龙隐洞长轴展布方向近平行(图12d)。由此推断龙隐洞是由于燕山运动期间产生的结构面经后期流水掏蚀作用下形成的，龙隐洞的渗水与早期的北东向张性结构面和其他方向结构面的存在有关。

图12 瑞雷波探测测线揭示的低速区与实际岩体破碎带、岩溶通道分布的验证Fig.12 Contrast between the VR-X-Z profile of detecting line and the reality percolation paths in rock mass

3.3 瑞雷波探测结果岩体破碎带、岩溶通道、节理裂隙与渗水通道的关系

桂林七星岩龙隐洞、龙隐岩摩崖题刻是不可移动的石质文物，其溶蚀病害的产生归根结底是具有溶蚀能力的流水与可溶性灰岩题刻相遇并产生溶解反应。石静而水动，水遇石必经渗流通道，渗流通道则来源于软弱破碎带的孔隙、岩体节理裂隙以及岩溶通道。地下水系统分为由隔水层圈闭的具有统一水力联系的地下水含水系统，以及由源到汇的流面群构成的具有统一时空演变过程的地下水流动系统[26]。地下水系统中的水按赋存介质不同，分为赋存于软弱破碎带中的孔隙水、节理裂隙中的裂隙水和岩溶通道中的岩溶水[27]。大气降水在重力势作用下从山体表面经破碎带、岩溶通道或节理裂隙入渗到山体内部，遇非贯通的储水空间形成稳定的储水带，或遇贯通的流水通道形成流动的地下水流，其中对摩崖题刻造成病害的是从山顶低洼补给区到岩壁排泄区经贯通流面群形成的地下流动水。这些由软弱破碎带、节理裂隙或岩溶通道组成的网状贯通流面群构成地下水入渗的渗流通道，而软弱破碎带孔隙或节理裂隙在地下流动水的长期溶蚀作用下，过水断面逐渐扩大，溶蚀作用继续增强发展成为断面较大的透水性良好的溶蚀带。

上述以断裂构造控制的岩体差异溶蚀风化作用，在岩体内部形成了一系列透水性能良好的强烈溶蚀带，成为上部水体入渗的渗流通道，如图13所示的测线1、测线2、测线3山体瑞雷波相速度—深度剖面中编号为1～11的渗流通道。降雨等地表水体在重力作用下通过这些渗流通道向深部岩体快速入渗。水体到达岩体深部后，继续通过岩体中发育的构造节理体系(主要是张性节理)在岩体中扩散，与龙隐岩、龙隐洞连通的张性节理将部分水体导入到龙隐岩、龙隐洞的岩壁上，对摩崖题刻文物造成溶蚀等病害。

图13 龙隐岩、龙隐洞与瑞雷波探测确定的岩体节理裂隙(渗流通道)关系图Fig.13 Relationship diagram between Longyin Cave and rock fracture(percolation paths) obtained from Rayleigh Wave detection

4 结 论

将考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法创新性地应用在桂林七星岩山体摩崖题刻溶蚀病害渗水通道探测中，并结合工程勘察结果成功地探明了山体中对龙隐岩、龙隐洞摩崖题刻石质文物产生溶蚀病害的渗流通道，较准确地确定了渗流通道的空间位置和规模，满足了工程探测的精度要求，为摩崖题刻文物保护的山体渗水通道注浆堵漏方案的制定提供了科学依据。考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法在桂林七星岩文物保护中的应用，效率高，效果好，在大尺度山体软弱带探测以及石质文物溶蚀风化检测中具有重要的借鉴意义。