瑞利面波法在城市排水管道探测中的应用

邹时贵

(西南交通大学，四川成都 610031)

旧城改造工程会遇到许多问题，特别是道路施工和地铁建设时遇到地下的问题。主要是这些施工都要对路基和城市地下进行开挖，这就会涉及到以前的管线，如果不提前探清情况就会造成损失甚至威胁到广大市民[1]。例如2013年11月22日发生的青岛黄岛输油管爆炸事件，就是管路设计不合理和没有探清情况贸然施工引起的事故。

城市地下管路系统当中最重要的就是排水、供气、输油管路，排水管路系统四通八达并且十分复杂交错，因此需要用物探方法对其进行探测。本文将瑞利面波法应用在城市排水管道探测。

1 瑞利面波法

1.1 瑞利面波基础理论

瑞利面波是1887年英国数学物理学家瑞利(Rayleigh)发现的，瑞利面波是一种沿自由表面传播的波，它是由体波(纵波和横波)在地表衍生成的一种次生波，瑞利面波具有能量强、衰减慢、频散等特性。利用这些瑞利面波的特性兴起了近地表层岩石物理性的瑞利面波勘探[2-3]。

瑞利面波的速度略小于S波，约为0.919倍S波波速。此外，瑞利面波的传播具有以下三个重要特点(图1)[4]。

(1)瑞利面波在传播中具有椭圆极化特性。

(2)瑞利面波在远离界面方向指数衰减，而在自由表面衰减较慢。

(3)瑞利面波在非均匀介质中的速度频散特性。

图1 瑞利面波的传播

1.2 瑞利面波的速度频散

面波是具有不同相速度(V)的各种子波叠加而成的波，叠加成的能量团具有一个群速度(U)。

式中:dV/dλ≠0时，即U不等于V，也就是面波的群速度与相速度不相等。不同单频波不能以相同速度向前传播，也就是我们所说的频散[3]。

波速对频率的依赖关系是瑞利面波的频散特征，不同频率的波动在非均匀介质中传播时表现出不同的速度[5]。这一特性我们就可以利用瑞利面波进行近地表的勘探，这是瑞利面波勘探的方法之一。

1.3 主动源瑞利面波法

主动源瑞利面波法是人为激发的震源，在激发前已知主动震源的参数信息及激发方位，常用的主动源有大锤敲击及炸药爆炸。1999年，Park,C.B和Xia,J等人提出多道面波分析方法(MASW)[6]以估算地层的横波速度，MASW方法被广泛应用于主动源瑞利面波法中，能有效判断浅层异常体，绘制浅部地层速度结构。主动源瑞利面波法的简要步骤是：安装采集系统，激发震源，接收信号并前处理，处理分析主动震源信号，提取频散曲线，绘制速度剖面(图2)[4]。

图2 主动源瑞利面波采集系统

1.4 勘探实例

护城河的堤坝一般都有排水管道，将以主动源瑞利面波勘探的的方法去探测管道的埋深，然后通过实际验证的方式验证探测结果。测线布置如图3所示，以第一个炮点的第一个检波器作为坐标原点，道间距为1 m，则第一炮的炮点分别为-2和-1。拾取地震信号时偏移距分别取2和1各做一次之后，测线整体往前移动1 m，直到得到我们想要的剖面为止，每次需记录好数据，方便以后查看以及验证。

图3 测线布置

拾取地震信号之后需要对其进行处理，包括前期的地震道排列进行编辑，将所在的坐标信息输入，如果需要还需要进行滤波处理，主要应用的是F-K域滤波提高信噪比。以上的步骤完成之后就是频散曲线的拾取，然后集成之后成彩色剖面图(图4～图9)。

图4 偏移距为1时的频散曲线集合

图5 偏移距为1时的频散曲线分布

图6 偏移距为1时的地层剖面

图7 偏移距为2时的频散曲线集合

2 结论

(1)从探测的结果来看地层的瑞利面波速度集中在200 m/s左右，排水管道的横坐标在12～13 m，深度在3～3.4 m，实际验证的结果来看排水管道的位置和探测的结果比较符合。所以瑞利面波法在浅层的探测当中还是相当可靠的，可以利用在城市管道探测中来。

图8 偏移距为2时的频散曲线分布

图9 偏移距为2时的地层剖面

(2)从偏移距为1和2的地层剖面图可以看到不同的偏移距会影响探测结果，这个影响主要是在横向分辨率上，这是不同的偏移距所决定的探测中心决定的。因此在城市管道探测中由于管道都不是很大，建议用比较小的偏移距效果会比较好。