李仁海，王 穎，李黨民，單 波

(中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710032)

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面波技術(shù)在電力工程勘察中的應(yīng)用

李仁海，王 穎，李黨民，單 波

(中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710032)

摘要：多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)是近幾年快速發(fā)展起來的高新物探技術(shù)，在工程勘察中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文主要敘述了多道瞬態(tài)面波技術(shù)的勘察原理、技術(shù)方法以及數(shù)據(jù)處理解釋，然后通過在電力工程勘察中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：多道瞬態(tài)面波；高新物探技術(shù)；電力工程勘察。

多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)(以下簡稱面波技術(shù))是近幾年快速發(fā)展起來的高新物探技術(shù)，利用其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性可以解決諸多的工程地質(zhì)問題。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和對(duì)面波研究的不斷深入，利用面波進(jìn)行勘察得到廣泛的發(fā)展，面波技術(shù)在近些年中成功應(yīng)用于巖土工程勘察領(lǐng)域，在滑坡、斷裂帶、巖溶等不良地質(zhì)體調(diào)查，以及地層劃分等方面發(fā)揮了巨大作用。西北電力設(shè)計(jì)院自2007年引進(jìn)了北京水電物探研究所的 SWS面波儀，開展了大量的電力工程面波勘察工作，探索資料處理解釋方法和應(yīng)用范圍，取得了良好的成果，也取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 方法原理

面波是指在彈性分界面處由于波的干涉而產(chǎn)生，并且沿界面?zhèn)鞑デ也▌?dòng)現(xiàn)象集中在界面附近的一種彈性波。具有以下幾種主要特性：

(1)在均勻介質(zhì)條件下，面波的傳播速度VR與其振動(dòng)頻率f (即面波的波長)無關(guān)，面波在均勻介質(zhì)中傳播沒有頻散性。在不均勻介質(zhì)中，面波的傳播速度VR是頻率的函數(shù)，即面波的傳播速度隨著頻率的變化而變化。面波在非均勻介質(zhì)中具有頻散特性。這是面波勘察的物理基礎(chǔ)。

(2)在多層介質(zhì)中，面波具有明顯的頻散特性。面波沿地表傳播，影響表層的深度約為一個(gè)波長，在深度約為半波長時(shí)，面波能量最大，因此某一波長的面波的速度主要與小于一個(gè)波長深度范圍內(nèi)的地層有關(guān)。這是進(jìn)行面波勘察定量解釋的依據(jù)。因此同一波長面波的傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長的面波的傳播特性反映了不同深度的地質(zhì)情況。

利用瞬態(tài)沖擊力作為震源，激發(fā)包含多種頻率成分的地震波，在地面上沿波的傳播方向以一定的道間距ΔX設(shè)置N+1個(gè)檢波器，就可以檢測到面波在N×ΔX長度范圍內(nèi)的傳播過程。

設(shè)面波的頻率為f，相鄰檢波器記錄的面波的時(shí)間差為Δt(或相位差為ΔФ)，則相鄰道長度內(nèi)面波的傳播速度為：

測量范圍內(nèi)N*ΔX內(nèi)平均波速為：

在同一地段測量出一系列頻率對(duì)應(yīng)的值VR就可以得到一條VR～f頻散曲線，頻散曲線的變化規(guī)律與地下介質(zhì)條件存在著內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)頻散曲線和反演計(jì)算，就可以劃分地下介質(zhì)的分布形態(tài)。

2 野外施工參數(shù)設(shè)置

2.1 干擾波的處理

面波勘察野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，會(huì)遇到很多干擾波，例如：聲波、直達(dá)波、反射波、折射波、多次反射波、繞射波、散射波，另外還會(huì)由于環(huán)境等影響會(huì)出現(xiàn)工業(yè)游離電、微震動(dòng)等干擾。

由于有效波和干擾波在波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的差異主要表現(xiàn)在頻譜、視速度、波至?xí)r間、振幅、波形等方面。干擾波的處理措施主要為：

(1)設(shè)置合理的偏移距，可以使直達(dá)波、反射波、折射波、聲波等規(guī)則干擾波與面波分離開，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理剔除干擾波。

(2)對(duì)于不規(guī)則干擾波要通過試驗(yàn)找到其發(fā)生的規(guī)律，尋找合適的觀測時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，減少其影響。在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中濾波、疊加等數(shù)字處理手段進(jìn)行壓制。

在一個(gè)新的工作區(qū)域開展面波勘察工作之前，必須進(jìn)行有效波、干擾波的試驗(yàn)工作，以了解規(guī)則和不規(guī)則干擾波的存在情況，從而確定觀測系統(tǒng)和采集參數(shù)設(shè)計(jì)工作。

2.2 采集參數(shù)設(shè)置

2.2.1 檢波器的選擇

一般采用動(dòng)圈式檢波器，除了要求防水性好、高保真、合理的阻尼系數(shù)、線形響應(yīng)好外，更多是要考慮檢波器的諧振頻率。一般對(duì)于土層宜采用4 Hz或10 Hz的檢波器，對(duì)精度要求高的淺部探測可以選用28 Hz的檢波器。

2.2.2 偏移距的選擇

偏移距的選擇可以確定合適的接收窗口，一方面可以使直達(dá)波、反射波等干擾波與面波在時(shí)間上能區(qū)分開，另一方面合適的情況下還可以使高階面波和基階面波分離開，得到更純的面波。偏移距太小，不能分辨出面波和干擾波；偏移距太大，后震動(dòng)的能量就減弱，影響分辨率。野外采集數(shù)據(jù)時(shí)，要根據(jù)場地條件進(jìn)行試驗(yàn)后確定偏移距參數(shù)。

2.2.3 道間距的選擇

道間距的選擇主要考慮到勘探深度與勘探精度。依據(jù)采樣定理，對(duì)于面波而言，道間距要小于需要勘探的最淺深度所需波長的1/2，才能保證在空間域(x方向)不會(huì)出現(xiàn)空間假頻；面波的勘察深度基本與排列的長度相當(dāng)。

2.2.4 激振源的選擇

常用的激振源包括炸藥、雷管、電火花、震源車、錘擊等。實(shí)際工作中從電力勘察的成本、安全方面考慮一般采用錘擊和落重兩類震源。通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)。

(1)隨著震源重量的增加，激發(fā)出的面波中低頻率成分比重越大。

(2)在等重量條件下砂土激發(fā)的面波頻散曲線要好于力錘激發(fā)的曲線。

(3)面波勘察工作，應(yīng)根據(jù)勘察目的選擇合適的震源，震源材質(zhì)在條件許可情況下可盡量使用砂土，勘察淺部信息時(shí)宜采用重量輕的震源，激發(fā)高頻率面波；勘察深部信息時(shí)，宜采用重量大的落重，激發(fā)低頻高能量面波。

3 數(shù)據(jù)處理解釋

面波勘察采集的數(shù)據(jù)是地震波時(shí)間(t) 空間域(x)的震動(dòng)信號(hào)，包括各種干擾波和有效的面波。所以需要對(duì)原始記錄進(jìn)行處理:(1)切除干擾波→拾取面波→F－K或F－V域譜分析→頻散曲線計(jì)算→正反演擬合計(jì)算。(2)在面波等速度剖面處理軟件中，把同一測線上的測點(diǎn)面波數(shù)據(jù)文件輸入，各測點(diǎn)按(1)處理，輸入各測點(diǎn)地面的剖面位置坐標(biāo)，軟件根據(jù)各測點(diǎn)擬合曲線的面波速度，形成彩色的面波波速斷面影像圖，結(jié)合鉆探等資料進(jìn)行綜合分析解釋。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 滑坡勘察

滑坡是指斜坡上的土體或巖體，受河流沖刷、地下水活動(dòng)、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動(dòng)的自然現(xiàn)象。滑坡，尤其是不穩(wěn)定滑坡的對(duì)工程建設(shè)是一個(gè)巨大的威脅，因此了解滑坡或疑似滑坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)于其定性或治理都具有很重要的意義

為了了解某滑坡體的基本形態(tài)，在場地內(nèi)布置了兩條面波測線，測線1平行于滑動(dòng)方向，測線2垂直于滑坡滑動(dòng)方向。測線1共布置面波測點(diǎn)9個(gè)，使用 SWS型面波儀，采集參數(shù)為：點(diǎn)距2 m，偏移距2 m，道間距0.5 m，24道采集，時(shí)窗250 ms，激發(fā)震源為25磅力錘。第5個(gè)測點(diǎn)中心位置位于滑坡前沿的坎邊，第1、2個(gè)測點(diǎn)的所有檢波器位于滑坡體外；測線2布置在滑坡體上，所有檢波器均位于滑坡體內(nèi)，布置了7個(gè)測點(diǎn)。數(shù)據(jù)采用F－V法計(jì)算頻散曲線，L－ m法反演，解釋結(jié)果見圖1、圖2。

圖1　平行、垂直于滑坡體滑動(dòng)方向的面波波速斷面圖

圖2　滑坡體勘察示意圖

從平行滑動(dòng)方向測線剖面圖可以看出地層相對(duì)均勻，在表層以下存在一個(gè)速度變化帶，推斷為軟弱夾層，應(yīng)為地表水滲透順基巖面流動(dòng)造成其上土層變軟弱，由于該處巖石中含云母較多，順著基巖面的方向抗剪切能力降低，加上植被破壞嚴(yán)重、斜坡度數(shù)較大(28°)、坡腳修路挖土等因素造成土體出現(xiàn)滑坡。從垂直滑動(dòng)方向的斷面也可以看出在7 m深度以上存在軟弱面，只是由于土層厚度不均勻，軟弱面的深度稍有起伏。從面波勘察成果上看，面波技術(shù)能解決滑動(dòng)面勘察任務(wù)。

4.2 軟弱夾層勘察

該工程為某高壓輸電線路，線路經(jīng)過地區(qū)為山區(qū)、厚角礫層，且存在缺水、冰雪、交通狀況差等因素，為了查清塔基下的地層信息，在采用坑探等手段基礎(chǔ)上，又采用了面波技術(shù)進(jìn)行了補(bǔ)充勘察。

在某一塔基處進(jìn)行了面波勘察，使用SWS型面波儀，采集參數(shù)為：采樣點(diǎn)數(shù)為1024，采樣間隔為0.2 s，道間距為1 m，偏移距為5 m，24道采集，4 Hz檢波器接收，25磅力錘為激發(fā)震源。解釋成果見圖3，從圖中可以看出：該處地層的波速不是隨深度逐漸增大的，在第二層下存在低速層，說明其中夾雜相對(duì)軟弱的地層。根據(jù)波速可以詳細(xì)劃分本地地層：表層0～5.0 m為中密角礫，局部厚度達(dá)10.0 m；下伏地層為密實(shí)角礫，在18.0～22.0 m深度存在中密角礫夾層。地層相對(duì)復(fù)雜，分布不均勻。經(jīng)與后期施工驗(yàn)槽結(jié)果對(duì)比分析，與面波勘察結(jié)果基本吻合，滿足勘察要求。

圖3　面波勘察軟弱夾層波速剖面及解釋結(jié)果

4.3 凍土勘察

某500 kV輸電線路途經(jīng)青藏高原多年凍土區(qū)，多年凍土指持續(xù)凍結(jié)時(shí)間在2年或2年以上的土(巖)。多年凍土區(qū)勘察的重點(diǎn)是查明多年凍土的地層劃分、凍土的分布范圍及上限深度。常規(guī)的勘探手段如鉆探等勘察多年凍土區(qū)，由于受嚴(yán)酷的工作環(huán)境限制較大，工作效率較低。本次工程采用面波技術(shù)，并結(jié)合鉆探工作進(jìn)行勘察。

使用 SWS型面波儀，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查了解：現(xiàn)場地表平坦開闊，本地區(qū)多年凍土上限在數(shù)米以內(nèi)。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，最終采用采集參數(shù)：采樣點(diǎn)數(shù)為1024，采樣間隔為0.2 s，道間距為1 m，偏移距為5 m，24道采集，4 Hz檢波器接收，25磅力錘為激發(fā)震源。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的頻散曲線圖如圖4：

圖4　塔基面波勘察頻散曲線反演結(jié)果圖

可以看出，根據(jù)剪切波速可以把勘探深度內(nèi)的地層分為4層：

表層0～3.14 m為第一層，土質(zhì)疏松，波速較低，波速度為167.4 m/ s；第二層3.14～5.4 m，隨著含冰量增加，波速增高，波速為183.5 m/ s；5.4～11.81 m為第三層，隨著埋深增加，土質(zhì)密實(shí)，含冰量增加，波速為204.9 m/ s，11.81 m以下為第四層，波速272.0 m/ s。由此推斷：3.14 m為凍土融化界限，3.14 m以下含冰量逐漸增加。

后期該塔基鉆探結(jié)果顯示，地層數(shù)據(jù)如下：

0～2.1 m細(xì)砂，混少量角礫；2.1～3.4 m細(xì)圓礫土；3.4～4.9 m細(xì)砂，3.4～3.6 m含層狀冰，3.6～4.9 m含粒狀冰；4.9～10 m為粉質(zhì)粘土，多冰凍土。

經(jīng)過與鉆探結(jié)果對(duì)比分析，與多道瞬態(tài)面波勘察結(jié)果基本吻合，滿足勘察要求。

5 結(jié)論

面波技術(shù)具有設(shè)備輕便、方法簡單、效率高效等特點(diǎn)，面波技術(shù)在不良地質(zhì)體(如滑坡、斷裂等)勘察、劃分地層(如軟弱夾層、基巖面、凍土)有著良好的應(yīng)用效果，也可以利用面波

頻散數(shù)據(jù)反演計(jì)算巖土體的力學(xué)參數(shù)。另外面波技術(shù)在復(fù)雜地層、深部勘察、反演技術(shù)方面需要開展更多的研究工作。同時(shí)面波勘察的資料解釋要結(jié)合鉆探等資料，從而提高解釋的精度。

參考文獻(xiàn)：

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Application of Surface Wave Technique in Electric Power Engineering Survey

LI Ren-hai, WANG Ying, LI Dang-min, SHAN Bo

(Northwest Electric Power Design Institute Co., Ltd of China Power Engineering Consulting Group, Xi'an 710032, China)

Abstract:Transient Rayleigh surface wave exploration technique has developed rapidly in recent years of high and new geophysical exploration technology, and has a broad prospect of application in engineering exploration. In this paper, we introduced Transient Rayleigh surface wave exploration technique of principle, technique and method, and the data processing and interpretation, and then through the surface wave exploration technique in power in the practical engineering application was summarized.

Key words:transient Rayleigh surface wave; high and new geophysical exploration; power engineering exploration

作者簡介：李仁海(1982- )，男，山東泰安人，碩士，工程師，主要從事物探研究。

* 收稿日期：2015-03-16

中圖分類號(hào)：P631

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913(2015)06-0027-05