天然源面波法在堰塞体上的研究及应用

熊友亮，高建华，彭 军

(水利部 长江勘测技术研究所，湖北 武汉 430011)

1 引 言

我国是堰塞湖灾害多发的国家，国内近年来发生多次堰塞湖事件，如汶川地震唐家山堰塞湖、鲁甸地震红石岩堰塞湖、舟曲泥石流堰塞湖、金沙江白格堰塞湖等[1-5]。山体滑坡堵江形成的堰塞体，不仅会造成巨大的淹没损失，而且一旦失控溃决，将严重威胁下游沿岸人民生命财产安全。因此，查明堰塞体的物质结构组成，对堰塞坝险情处置有着重要的指导意义[4]。

由于堰塞体的物质结构组成不均，局部存在架空现象，大部分物探方法都存在着不利条件，相关研究资料很少。吴学明等[6]在堰塞体上进行试验，发现高密度电法[7]、浅层地震反射法[8]、大地电磁法[9]等不适宜开展，被动源面波法[10-14]、瞬变电磁法[15]则具有较好的适应性。笔者采用天然源面波法在红石岩堰塞体上进行试验，通过对比选择直线型台阵，在坝顶测得一条典型剖面，借助面波速度剖面分析堰塞体的物质结构组成。

2 工区概况

红石岩堰塞体是2014年8月3日，云南鲁甸6.5级地震引起的，地震导致鲁甸、巧家两县交界处右岸山体发生垮塌，阻塞了牛栏江干流河道，形成库容2.6亿立方米的堰塞湖，威胁着下游沿江10个乡镇3万余居民的生命财产安全。

红石岩堰塞体物质结构组成较为复杂，主要为右岸边坡崩滑后形成的崩塌堆积物。堰塞体组成松散，最大厚度约103 m，堰塞体上部主要为孤石、块石夹碎石、少量砂土等。下部主要为块石、粉土夹碎块石。堰塞体碎块石岩性主要为白云质灰岩，局部为白云岩、泥质白云岩夹白云质泥岩及砂页岩等[5]。堰塞体碎块石块径大小不一，最大可达10 m以上。

3 探测方法

本次物探工作的探测对象为滑坡堰塞体。堰塞体为快速倾倒的崩塌体，常为大的块石及松散堆积物混合体，地表块石堆积，起伏较大，堰塞体中间可能存在架空，地球物理特征复杂。堰塞体接地条件及导电很差，常规电法效果较差。堰塞体物质组成不均匀，无明显的层状结构和弹性波分层，不具备浅层折射反射波法的工作前提条件[6]。尽管在堰塞体上进行物探实验有着如此多的不利条件，但是崩塌体与下伏基岩存在明显的弹性波差异，为进行面波勘察提供了前提条件。

3.1 方法原理

天然源面波勘探是采集按特定方式布设台阵的噪声记录，计算频谱图并从中提取频散曲线，进而反演得到地下浅部介质横波速度结构的地球物理探测方法[16,17]。按提取面波频散曲线方法的不同，分为空间自相关法(SPAC, Spatial Autocorrelation)和频率-波速法(F-K)两种，本次数据处理采用的是空间自相关法。

空间自相关法(SPAC)是Aki在1957年首创的从天然源信号中提取面波频散的方法[16]。空间自相关法假定台阵布设为圆形，在圆心处布置一个检波器，其余检波器等角度布置在圆周上。假定中心点C(0，0)与圆周上任一点X(γ，θ)，记录的角频率为ω的面波信号分别为μ(0，0，ω，t)与μ(γ，θ，ω，t)，其空间自相关函数为：

(1)

式中，μ为面波信号;γ为接收点检波器与中心点的距离;θ为方位角;ω为角频率。

空间自相关系数ρ则定义为空间自相关函数在所有方向上的平均,即

(2)

积分可得

(3)

其中，J0(x)为第一类零阶贝塞尔函数;k为波数;c(ω)是角频率为ω的面波相速度，即

(4)

从中可以看出，空间自相关系数是面波相速度和频率的函数，通过拟合计算的空间自相关系数ρ(γ，ω)，可以求得面波相速度。

3.2 台阵布设

面波法对场地要求相对较低，人工源一般采用直线型，天然源可采用直线型、L型及多重圆型，在周边干扰水平较大时应采用多重圆型。人工源和天然源面波勘探各有优劣，人工源对浅部地层的探测精度高，但是由于激发能量一般较小，探测深度较浅；天然源探测深度深，实施起来方便灵活，但是天然源面波信号的高频段易受人为噪声的干扰，对浅部地层的探测精度较低[18-21]。本次探测深度较深，因此选择天然源面波法。面波探测深度与地层速度及传感器频率有关，探测较大时应采用低频传感器，当然深度较大时精度也会差一些。本次试验采用的是1 Hz的检波器。

根据现场场地条件，为探究适应本场地的台阵，采用了直线形和三角形台阵进行试验。直线形台阵道间距分别为5 m、10 m，共布设10个检波器，采样间隔2 ms。三角形台阵为两层嵌套，外层边长分别为20 m、40 m，采样间隔2 ms。本次试验每个测点采样时间为20～30 min，台阵布设方式如图1所示。

3.3 频谱分析

本次数据处理是用南通海昊地球物理勘测有限公司的AmbiSeis软件及SurfWave软件。数据处理部分包括数据预处理、空间自相关系数计算和残差计算。经过软件处理后的频散谱(采用空间自相关法)如图2所示。

图2 不同台阵的频散谱Fig.2 Dispersive spectra of different arrays

从图2可知，直线形排列及三角形排列均能得到较好的频散谱，图2(a)、图2(b)均为直线形台阵，两者的频散谱形态基本一致。但图2(a)中5 m道间距直线形排列频率6～24 Hz段频散谱的能量更集中，频散谱更连续。图2(c)、图2(d)均为三角形台阵，两者的频散谱形态也基本一致，但图2(d)中40 m边长三角形排列频散谱的能量更集中，频散谱更连续。

对测点的频散谱进行处理提取频散曲线后，反演得到横波深度-速度曲线如图3所示。从图3可知,20 m边长三角形排列与40 m边长三角形排列的曲线形态基本一致，三个台阵探测深度均大于150 m，实际测量过程部分测点探测深度可达200 m。考虑到工作效率，本次选用直线形台阵进行测试。

4 成果分析

经过试验对比后选定5 m道间距直线形台阵，在堰塞体上布置了一条剖面，该剖面从堰塞体上游向下游顺河向布置，测线方向约273°，剖面长度260 m(桩号170～220 m段由于施工车辆经过未做测试)，共布设10个检波器，采样间隔2 ms，测点间距为10 m，共测试23个测点。

图4为堰塞体上面波探测剖面，从探测剖面可以看出，面波速度随深度有着明显的变化趋势，大致可以分为三层。根据面波波速剖面推测深度0～18 m为表层崩塌堆积体，为堰塞体的上部，深度18～100 m为中间层，为崩塌堆积体的下部，深度100 m以下为原始的河床基岩界面。具体分析如下：

1)桩号0～70 m：本区间位于堰塞体的迎水面，本范围内面波速度相对较高，面波速度范围约为400～1 800 m/s，中间层速度较高，推测此处可能为大块径块石堆积区，厚度约50～60 m。

2)桩号70～170 m：本区间范围内面波速度相对较低,约为400～900 m/s，堰塞体表层18 m以上，面波速度较低,小于550 m/s，推测为松散堆积物及碎块石，中间层波速分布不均匀，深度18～35 m段局部面波速度可达900 m/s，推测为大块径块石堆积区，深度35～80 m段，面波速度约为400～550 m/s，推测为松散物质或小块径碎块石充填区。

3)桩号220～260 m：本区间范围内堰塞体面波速度分布相对均匀，堰塞体表层18 m以上面波速度较低，面波速度较低小于550 m/s，推测为松散堆积物及小块径碎块石，深度18 m以下速度较均匀,约为550～700 m/s，推测为大块径块石堆积区。

根据本条测线剖面上的钻孔资料(图5)可知，孔深3.2～8.8 m段岩芯主要为松散物质及碎块石，面波速度较低,小于550 m/s，其中松散物质占比超过80 %以上。孔深26.1～30.7 m段岩芯主要为松散物质及小块径碎块石，面波速度范围约为550～800 m/s，其中小块径碎块石占比超过50 %以上。而孔深46.3～51.8 m段岩芯为长柱状岩芯，长度可达5 m左右，面波速度较高,大于800 m/s，其中主要为大块径块石，占比超过80 %以上。

由此可见，堰塞体的物质结构组成与面波速度有着很好的对应关系[21]，根据钻孔资料可以将本工区面波速度与堰塞体物质结构组成进行分类，见表1。

表1 堰塞体物质结构组成分类表Table 1 Classification of material structure and composition of barrier body

可以将堰塞体18 m以下部分分成三个区域，桩号0～70 m段为大块径块石区，该段位于堰塞体的迎水面，面波速度较高大于800 m/s；桩号70～170 m段的面波速度约为400～850 m/s，该段位于堰塞体的中部，上部面波速度较高，推测为大块径块石堆积区，下部面波速度较低，推测可能为小块径碎石夹碎石区；桩号220～260 m段面波速度约为550～800 m/s，主要为小块径块石夹碎石，局部含有大块径块石。

5 结 论

笔者通过在红石岩堰塞体上展开试验，取得了较好的效果，通过对成果分析可以得到如下结论：

1)天然源面波法在滑坡形成的堰塞体上能够得到较好的数据，面波速度剖面能够很好地反映堰塞体的物质结构组成。

2)红石岩堰塞体上物质结构组成大致可以分为三个区域，桩号0～70 m段推测为大块径块石堆积区；桩号70～170 m段推测主要为松散物质夹碎块石，局部含大块径块石；桩号220～260 m 段主要为小块径块石夹碎石，局部含有大块径块石。