浅谈面波勘探在工程勘察中的应用

【摘 要】瞬态面波法是近十多年来发展起来的一种新的浅层地震勘探方法，具有简便、快速、分辨率高、成果直观、适用场地小等优点，在许多领域得到应用，并取得了良好的应用效果。本文以黄泥河防洪工程勘察为例，介绍瞬态面波法在城市防洪勘察中的实际应用效果。

【关键词】面波；面波勘探；频散曲线；瞬态面波法；面波速度

1 引言

面波勘探，也称弹性波频率测深，是国内外近十多年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。通过多年的实践和研究，面波勘探在工程勘察中的应用大致分为以下几个方面：

1.1 查明工程区地下介质速度结构并进行地层划分；

1.2 对岩土体的物理力学参数进行原位测试；

1.3 工业与民用建筑的地基基础勘察；

1.4 地下空洞、岩溶、古墓及废弃矿井的埋深、范围等探测；

1.5 公路、机场跑道质量的无损检测；

1.6 江河、水库大坝（堤）中软弱夹层的探测和加固效果评价等；

2 勘探原理

面波 （主要指瑞雷面波）是在弹性分界面处由于波的干涉而产生，并且沿界面传播，波动现象集中在界面附近的一种弹性波，其具有以下几种主要特性：

2.1 面波在自由表面附近传播时，质点在波传播方向的垂直平面内振动，振幅随深度呈指数函数急剧衰减，质点的振动轨迹以波传播的方向或反方向的椭圆轨道运动。

2.2 面波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数减小，大部分能量损失在二分之一波长的深度范围内，这说明面波某一波长的波速主要与深度小于二分之一波长的地层物性有关。

2.3 在多层介质中，面波具有明显的频散特性。面波沿地面表层传播，影响表层的深度约为一个波长，因此同一波长面波的传播特性反映了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着不同深度的地质情况。

依据上述特性，通过测定不同频率的面波速度VR，即可了解地下地质构造的有关性质，达到工程勘察之目的。

3 野外工作方法

一般采用多道检波器接收，以利于面波的对比和分析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时，就可以产生一个宽频带的R波，这些不同频率的R波相互迭加，以脉冲信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲形振动信号后，经数据采集，频谱分析后，把各个频率的R波分离出来，并求得相应的VR值，进而绘制面波频散曲线。

4 工程实例

工作地区为黄泥河两岸，岩性由第四系全新统冲洪积堆积的人工填土、壤土、卵砾石含粘性土及玄武岩组成。

数据采集使用SE2404EE综合工程测震仪，锤击激发；12道采集；道间距为1m；偏移距3、5、7m；采样率0.50ms；采样长度1024。

面波资料的处理，主要是应用GeoRwa 4.0面波处理软件，具体流程为：1.将野外采集数据调入计算机；2.对数据进行预处理（滤波）；3.根据瑞利波的传播特征及其在时-空域波形特征选取瑞利波窗口；4.对所选波段进行二维傅里叶变换，得到频率波数谱；5.通过转换得到频散曲线；6.利用频散曲线的特征值点（曲线拐点处）进行速度层划分。据此结合地质资料（钻孔、探坑）确定各岩性名称及岩土层的划分。

地质剖面资料对比

由上图MB13与Z13孔地质剖面资料对比分析得出，面波频散曲线在2.94m深度处的拐点对应Z13钻孔揭露3.00m深度处人工填土和下部卵砾石含粘性土的层面界线；面波频散曲线5.96m深度处的拐点对应Z13钻孔揭露6.10m处卵砾石含粘性土与基岩（玄武岩）层面界线。同样通过MB4与Z4孔地质剖面资料对比分析得出，面波频散曲线在1.51m深度处的拐点对应Z4钻孔揭露1.70m深度处壤土和下部卵砾石含粘性土的层面分界线；频散曲线3.20m深度处的拐点对应Z4钻孔揭露基岩埋深3.30m。

从以上两处面波层面划分与钻孔揭露地质剖面对比不难看出，此次面波勘探的资料与钻孔揭露地层岩性一致性接近95%，由此我们可以得出该测区内相对应的地层面波速度：人工填土（或壤土）的面波速度为80-240m/s；卵砾石含粘性土的面波速度为154-320m/s；玄武岩面波速度为334-1032m/s。

据此我们可以对整个测区内的其他面波勘探点的地层划分找到切合实际的速度依据，准确的划分地层，从而提高整个工程的勘探精度，为水工设计人员提供详实的地层分布情况。

4 结束语

通过上述水利工程勘察项目实例和总结近几年的工作实践，可以得出如下几点认识。

4.1 瞬态面波法在浅层地震勘探中具有非常高的分辨率，钻孔对比准确率在90%以上；所以在一些钻机或大型机械设备（钩机）等无法到达的工作区，可以得到非常好的应用。

4.2 在野外数据采集过程时，应采用不同的偏移距分多次采集同一测点的数据，这样在数据处理时可以选取瑞利波最好的记录做资料处理分析。

4.3 野外数据采集时一定要做好与钻孔（或探坑等）的对比工作，应该在钻孔位置事先做面波勘探，然后与钻孔资料做对比验证分析，确定出测区内不同岩层的面波速度值。

参考文献

[1]瞬态面波的勘探及应用 宫胜家.

[2]瞬态面波勘探及应用 刘康和.

[3]工程地震勘探技术 单娜琳等.

作者简介：

王发青 男 1979.6 青海人 现职称：工程师 研究方向：应用地球物理勘探