多道瞬态面波应用于水利及岩土工程勘察-林万顺.doc

工程勘察 Geotechnical Investigation & Surveying 2000年第4期多道瞬态面波技术在水利及岩土工程勘察中的应用林万顺(北京市水利规划设计研究院，北京 100044)摘要：多道瞬态面波勘探技术是近几年快速发展起来的高新技术，在工程勘察中得到广泛应用，效果良好。本文介绍了面波的主要特性和勘探原理以及资料整理解释方法，最后列举南水北调工程和几十地基勘察工程实例进行了分析。关键词：面波勘探；弹性波；频散曲线中图分类号：P631.4 文献标识码：AAbstract：The exploratory technique by multichannel instantaneous surface wave is a high technology developed rapidly recently which has been widely used in engineering investigation with satisfactory outcomesThe main features and principles of the said technique are presented herein together with several examples of practical projectsKey words： exploration by surface wave； elastic wave；curve of frequency distribution1 前言 多道瞬态面波法(以下简称面波法)是中国首创的新兴的岩土勘擦测试技术，利用频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性可以解决诸多工程地质问题。 在自然地震中，面波是一种对建筑物危害极大的地震波，在人工地震勘探中，面波在地震记录中呈扫帚状分布，是一种很强的干扰波，所以早期对面波的研究，人们主要是根据面波的特点，采取诸多方法来减小它的危害或消除它的影响。近几年，随着计算机的发展和对面波研究的不断深入，利用面波进行勘探得到广泛的发展。本院从95年至今，应用北京市水电物探研究所生产的国家重点新产品SWS型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪，开展了大量的面波勘探工作，不断改进野外采集方法技术，不断探索资料解释方法和应用范围，取得了较好的成果及显著的社会效益和经济效益。2 面波的主要特性和勘探原理 面波(对于炸药震源或冲击振源，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： (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，质点的振动轨迹与波传播的方向或反方向的椭圆轨道运动。 (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。 (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，同波长的面波的传播特性反映着不同深度的地质情况。收稿日期：1999-10-20；修订日期：2000-02-26 作者简介；林万顺(1970-)，男(汉族)，福建蒲田人3 仪器及资料整理与解释方法 SWS型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪主要技术参数为：24道，512、2024，2048、4096、8192样点选择，采样率30ms8ms数档，瞬时浮点放大，A/D转换20bit，信号增强32bit，高、低通滤波、全通，带宽0.54000Hz，工控级CPU板80486，RAM8mb或16mb，硬盘容量HD2.1Gb，LCD640X480UGA模式与TFT彩色液晶显示，具并行口和软驱接口，DCl2V电源，使用环境-5C-45C。面波勘探采集到的原始资料是面波沿地表传播的振动波形，通过对波形的室内整理、计算和解释，归纳面波特点为：(1)传播速度低，且只在表层某一深度内传播；(2)只要有波速差异(大于或等于l0)也可以精确进行分辨；(3)在均匀介质中，面波的波速与频率无关，即没有频散特性，(4)面波的波长不同，穿透深度也不同；(5)面波波速近似等于横波波速，并具有相关性，即面波波速与介质的物理力学性质密切相关。 根据面波勘探的上述特点，同时也考虑到面波勘探场地地层纵横向变化因素较多，为了减少斜坡反射于扰，使面波资料能真实反映地面上某一点下面地层垂直变化情况，我们在野外采集过程中，利用已知地质资料，优选测试参数，直到与已知地质资料相吻合。由于面波勘探每一测点需要效道的记录(一般不低于4道)，原始资料的整理和解释是一项细致又繁杂的工作，内容包括： (1) 对原始资料进行整理，检查核对，编录； (2) 计算各频率条件下面波的传播速度： (3) 确定面波时间空间窗口； (4) 在频率-波数域内提取面波； (5) 进行频散分析并形成频散曲线图， (6) 根据频散曲线的变化，对层数和各层速度的变化范围做出定性解释； (7) 进行定量解释，确定各层的厚度，计算各层的横波传播速度(程序中已把面波波速转化为横波波速)，并对获得结果进行反演拟合解释，直到拟合相关系数满足要求为止； (8) 绘制成图片，输入CAD绘图软件，绘制成果表，对资料做出地质解释，对各层的岩土工程性质做出评价，最后绘制物探地质剖面图。4 面波技术在工程勘察中的应用 SWS型仪器在诸多工程中进行面波勘探，其勘探结果均与钻孔资料或施工开槽资料相比较，定量解释准确、可靠，效果良好以下列举几个典型实例加以说明：41 在南水北调中线工程北京段中的应用 南水北调中线工程是一项跨省市、跨流域的大型工程，在初设阶段，因其规模大，线路长，渠线段按一公里布置一个钻孔，钻孔之间有时能跨越几个不同地质单元，这给地质分层、连接地质剖面带来很大麻烦，为了解决此难题，我们在北京城区段中布置400多个面波勘探点，利用面波资料和钻探资料进行地质分层，连接地质剖面，效果良好，满足地质勘察要求，同时也解决了在砂卵砾石层进行钻探艰难，地层不好划分或不能划分的难题。图1为南水北调中线工程北京段朱各庄暗渠钻孔旁的一个面波勘探点的解释成果图，该点揭露的资料比钻孔揭露的资料更丰富，在卵石层上面，钻孔资料与面波资料相吻合，而在砂卵石地层检测中发现，深度9.5m以下频散曲线明显地分为3层，即为9.514.0m，14.00.5m，大于21.5m三层。通过钻孔松散沉积的孢粉样品分析对比结果证明，面波分层与孢粉样品分析分层相一致。该孔沉积物的地质时代均属全新世，即13.19m(或20m)为下全新统()；6.613.3m为中全新统()；06.6m为上全新统()，详见表1。上述成果表明，采用物探新技术对地层地质年代进行探测，准确划分，在此领域，中国走在各国前面。42 在地基勘察工程中的应用在工民建工程勘察中，为了缩短勘察周期，提高工程质量和投资效益，我们通常采用钻探与面波勘探科学结合的办法，结果不仅满足工程勘察要求，也为甲方节省时间和财力，这方面的工程实例较多，在此举一例子作简单叙述：北京某高校住宅楼初勘阶段，原计划布设46个钻孔，在钻探施工过程中，因钻机扰民(该工区原居民均未搬迁)，受到当地居民强烈反对，钻探施工时间受到严格限制，有的地段根本就不让施工，而此工程的勘探任务急，若按当时施工进度和施工条件，根本无法完成初勘阶段的任务和勘探要求。为了解决此难题，我们在居民较密集和钻孔较稀少的地方，共布置38个面波勘探点(最后实际完成钻孔16个)，根据面波和钻孔资料，顺利完成了初勘任务，其结果在详勘阶段经大量钻孔验证，吻合很好，得到甲方、设计和监理单位一致好评。以下再介绍二个没有打钻的工程实例：图2显示北京市东城区政府办公楼地基面波勘探解释成果图，在该工区，由于旧房未拆，进驻场地通道窄小，钻机无法入场，给地质勘察工作造成诸多不便。为了解决此难题，我们在此工地布置四个面波勘探点和三个钎探孔，其中2#钎探孔用于验证面波点WFJMl的测试成果。通过对该面波点资料的分析，发现频散曲线拐点与钎探揭露的地层界线相吻合，其最大误差不超过0.3m，满足了地质勘察需要；在基岩面不太深或持力层较浅的工区，对于那些小型建筑物，可采用面波勘探。在北京市九龙游乐园漂流工程地基勘察过程中，因该工程规模较小，而场地覆盖层较薄，若采用常规勘探，费用高；若挖探坑，遇到基岩就无法开挖，不能满足勘察需要。为了解决这一问题，我们采用面波勘探。该地层的划分主要是依据频散曲线的拐点，确定各层的岩性主要根据区域地质资料和各层横渡波速，后经施工开槽验证，测试结果准确，得到甲方和设计人员的一致好评。五 结束语 面波勘探技术，一方面能准确反映和区分地下不同岩层的界面，指出其精确厚度和各层的波速，探测深度能够满足水利水电工程、工民建工程、市政工程等的需要，另一方面，所测波速能够直接反映岩土的物理力学性质，即通过测试的波速计算场地的类型类别、卓越周期以及各层的标准贯人、承载力等。因此，该方法不仅大大节省投资，而且明显地简化了现场