浅层地震面波技术在公路边坡地质评价中的应用

[摘要]本文结合高速公路地质勘察中的边坡地质勘察评价的工程实践，阐述了浅层地震瞬态面波法的原理及应用，说明该物探方法结合钻探成果的综合解译，在对公路边坡地质评价中的良好效果。对此类勘察任务有借鉴作用。

[关键词]多道瞬态面波 基阶面波 公路边坡

[中图分类号] F407.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-7-272-1

在多山或丘陵地区， 高边坡是一种严重的不良地质因素，它直接或间接地威胁着铁路、公路、大坝、水库等的安全。因此，研究有效的方法对高边坡体进行检测与评价显得十分必要。早期的高边坡研究主要依赖于地质剖面与钻探相结合的方法，与地质钻孔不同，地球物理方法在研究高边坡的工程地质条件和对高边坡进行综合评价等方面具有其独特的优点，能提供传统的工程地质学方法不能得到的许多有用信息。目前，地震瞬态面波法、地质雷达法、电阻率法、电磁法、磁法等都被用来对高边坡体进行检测或监测，其中地震瞬态面波法的应用取得了较好的效果。

1工作原理及适用条件

1.1工作原理

面波，顾名思义即沿地面表层传播的弹性应力波，因而也叫地滚波（R），众所周知，面波具有频散的特性，即其传播的相速度随频率的改变而改变，这个频散特性可以反映地下构造的一些特性。

多道瞬态面波法是利用瑞利面波在地下地层传播过程中，其振幅随深度衰减，能量基本限制在一个波长范围内，某一面波波长的一半即为地层深度（半波长解释法）。即同一波长的面波的传播特性反映地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播特性反映不同深度的地质情况。在地面通过锤击、落重或炸药震源，产生一定频率范围的瑞利面波，再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的瑞利波分离开来，从而得到VR-f曲线或VR-λ曲线，通过解释处理，可获得地层深度与面波速度的分布。

瞬态瑞雷波法是用锤击或炸药震源使地面产生一个包含所需频率范围的瞬态激励。只要知道A、B两测点间的距离和每一频率的相位差φ，就可以求出每一频率的相速度VR（ω），从而可以得到勘探地点的频散曲线。

为此，我们需要对A、B两观测点的记录作相干函数和互功率谱的分析。作相干函数的目的是对记录信号的各个频率成份的质量做出估计，并判断噪声干扰对有效信号的影响程度。根据野外现场的实际情况，我们可以确定一个系数（在0―1.0之间）。当相干函数大于这个系数，我们就认为这个频率成份有效。反之，我们就认为这个频率成份无效。作互谱的目的是利用互谱的相位特性来求出这两个观测点在各个不同频率时的相位差，再求出瑞雷波的速度VR。

当我们已知频率为f的瑞雷波速度V R后，它相应的波长λR为： λR = VR/f;根据弹性波理论，瑞雷波的能量主要集中在介质的自由表面附近，其深度差不多在一个波长深度范围内。由半波长理论可知，所测量的瑞雷波平均速度VR可以认为是1/2波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度H是

H=λR /2 = VR/2f （1）

由（1）式可知，频率越高，波长λR越短，勘探深度越小，反之，频率越低，波长λR越长，勘探深度越大。因此两个观测点之间的距离也要随着波长的改变而改变。对于勘探深度较深的低频而言，要变大，才能测到较为正确的相位。对于勘探较浅的高频来说，要变小。根据实际经验，取λR /3 ～2λR间较为合适。即在一个波长内采样点数要小于在间距间的采样点数的三倍，和大于在间的采样点数的0.5倍。这个滤波准则对于不同的仪器分辨率和场地的实际情况要作适当的调整。

1.2适用条件

可以覆盖大多数浅层地质领域，就工程勘察而言地质介质的地球物理性质差异是探测的前提条件，而且这种差异越大探测效果愈好。在高边坡地质体中，覆盖层与其下覆基岩存在明显波速差异，构造带及岩土体扰动层面其与周围地层也有明显的波速或波阻抗差异，从而满足了地震勘探要求，使探测工作可以得到较好成果。

通过物探-钻探综合解译，能够较全面的了解：边坡岩土体整体分布以及岩土体内是否存在软弱滑动面、扰动带或坡体滑塌底界面等关键因素。

2工程实例

2.1项目概况

广梧高速公路河口至平台段为广梧二期高速公路，是国家重点公路网的组成部分，它串连了多条部级及省级交通主干线，加强了广东省与广西、云南、贵州的运输往来，对促进“泛珠江三角洲”经济、社会发展具有重要意义。

本项目路线位于广东省西部山地丘陵区，地形起伏大，地质情况复杂，沿线高边坡分布较多，且开挖范围大，因此，对高边坡的勘察带来一定难度，高边坡的地质稳定性评价与整个线路的安全设计、施工关系密切，且能够为合理选择处理方案提供可靠依据，具有重要经济意义。

2.2外业工作布置

在高边坡坡体范围，结合实际场地条件，以能够查清高边坡在设计线上分布范围内的地质情况为原则，一般在轴线及平行轴线方向布置3-5条测线，测点间距一般为10-20m。

为了满足勘察技术要求，在正式开展物探工作时，根据场地的实际情况和勘探区的试验结果，选择观测系统如下：24道接收，采样间隔为0.25或0.5ms，采样点数为1024，道间距为1m或2m，偏移距为5m或10m，检波器的固有频率为4Hz。

2.3数据处理及成果解释

2.3.1数据处理

（1）切除干扰波拾取面波谱分析频散曲线计算正反演计算计算机成图;

（2）利用面波等速度剖面处理软件，把多点面波频散曲线连成剖面压密成图，形成彩色剖面，彩色剖面图上反映拟层速度影像;

（3）对面波等速度剖面图并结合钻孔资料进行层位的划分解释，形成面波-地质剖面图。

2.3.2成果解释

2.3.2.1RK90+130高边坡工程物探成果解释

图1高边坡体顶底高差约30m，根据该测区钻孔地质资料和物探资料分析，该高边坡基岩主要为花岗岩，其风化层密度变化较均匀，坡体表面仅局部存在小范围坍塌，物探成果显示，该高边坡岩土体波速基本与岩层深度及风化程度呈正比，由上而下波速变化较均匀，未发现水平向有一定连续性的低视波速异常带（

2.3.2.2RK42+200高边坡工程物探成果解释

图2高边坡体顶底高差约58m，底部两侧相距约230m，坡体表面局部可见土体滑塌造成的裂缝。根据该测区完成的4个钻孔地质资料和物探资料分析，该高边坡岩土体已发生滑动，在埋深5-10m及18-25m处，地层存在水平向低视波速异常带（

图3高边坡位于灰岩与砂岩、板岩接触带上，其地质情况较复杂，物探成果图中存在较多处低视波速夹层或低视波速区域，且局部厚度较大，结合该测区完成的1个钻探地质资料推测为低密度灰岩、板岩风化物或溶蚀塌陷等造成，岩土体中亦存在水平向连续性较好的低视波速异常带（

3结论

由于钻探为点探测方法，且其所取得的土芯已被扰动破坏，一般较难分辨出小范围构造层面及还未引起明显滑动的扰动层面，存在勘探范围不足的缺点。工程实践中，采用多道瞬态面波结合钻孔地质资料所进行的综合勘探方法，在对边坡的稳定性评价方面能够取得良好的效果，能够使边坡评价结果更加真实可靠，其优越性是显而易见的。

参考文献

[1]杨成林，宣紫燕，张家奇等编著.瑞雷波勘探.北京：地质出版社，1993.

[2]严寿民. 瞬态瑞雷波勘探方法. 物探与化探， 1992.

[3]刘云祯，王振东. 瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实例.物探与化探 1996.

[4]吴小平，赵鸿儒. 我国工程多波地震勘探研究与应用现状.工程物探 1996.