方緒順，錢亞俊，何　寧，王國利，汪漳淳，張桂榮，何　斌

(南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210024)

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McSEIS多功能綜合地震儀在堤防隱患探測中的應(yīng)用研究

方緒順，錢亞俊，何寧，王國利，汪漳淳，張桂榮，何斌

(南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210024)

摘要：以南京長江三橋和京滬高鐵大勝關(guān)大橋段長江干堤隱患探測試驗(yàn)為依托。借助McSEIS多功能綜合地震儀，運(yùn)用折射波法和表面波法無損檢測技術(shù)，對堤防質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行探測。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用McSEIS多功能綜合地震儀能充分利用表面波和折射波法各自的特點(diǎn)進(jìn)行綜合物探，兩種方法相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，從而有效的提高資料解釋的準(zhǔn)確性和精度，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：McSEIS多功能綜合地震儀；折射波；表面波；堤防；無損探測

我國是一個(gè)洪澇災(zāi)害十分嚴(yán)重的國家，建國以來，我國累計(jì)修建及加固堤防26萬km[1]，對保障沿線人民生命財(cái)產(chǎn)安全起到了巨大作用。但是堤防地質(zhì)條件、施工條件、管理水平各有不同，其質(zhì)量亦參差不齊。加之堤防病險(xiǎn)原因、種類和致災(zāi)因子(洪水、風(fēng)暴潮、地震、滑坡涌浪、老化病害、不良地質(zhì)條件、人為因素等)十分復(fù)雜，病險(xiǎn)堤防仍是人民的隱患[2]。1991年以來，有235座水庫發(fā)生垮壩，造成的經(jīng)濟(jì)損失平均每年高達(dá)260億元，死亡453人。因此及時(shí)掌握堤防的質(zhì)量狀況，發(fā)現(xiàn)并消除堤身隱患具有重要的實(shí)際意義。

目前堤防隱患的探測方法主要有地質(zhì)鉆探、人工探視和地球物理勘探三種。前兩者均不能滿足快捷、準(zhǔn)確和無損等要求，而且地質(zhì)鉆孔具有局限性和破壞性，人工探視費(fèi)力又效率低[3-4]。地球物理勘探，即工程物探通過研究探測對象物理特性的差異來判斷堤防內(nèi)部隱患情況，具有無損、效率高、可連續(xù)掃描等優(yōu)點(diǎn)。物探的方法有多種：高密度電阻率法、探地雷達(dá)法、瑞雷波法、瞬變電磁法，淺層地震法等[5-9]。由于每一種物探方法都有一定的應(yīng)用前提和局限性，故選擇合適的探測方法及其組合有利于提高信號采集和解釋水平，從而提高探測的準(zhǔn)確性[10]。

本文綜合應(yīng)用折射波法和表面波法無損勘探技術(shù)，對南京長江三橋和京滬高鐵大勝關(guān)大橋段長江干堤進(jìn)行隱患探測，探測結(jié)果與傳統(tǒng)鉆孔方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證探測效果并給出堤防質(zhì)量情況。

1探測方法及設(shè)備

1.1折射波法淺層勘探

折射波法是研究在速度分界面上滑行波所引起的振動(dòng)。當(dāng)人工震源激發(fā)的地震波向下傳播時(shí)通過不同的介質(zhì)，其速度發(fā)生改變，當(dāng)滿足下層介質(zhì)的波速大于上層介質(zhì)波速，且波的入射角等于臨界角的條件時(shí)，折射波便會(huì)沿著界面產(chǎn)生滑行波，滑行波又引起界面上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，以新的形式傳至地面，即折射波。

折射波法中觀測體系有相遇時(shí)距曲線法、延長時(shí)距曲線法、追逐時(shí)距曲線法、相遇相交時(shí)距曲線法等。觀測系統(tǒng)的不同主要是炮點(diǎn)和檢波器布置不同，如本文折射波法中采用的是相遇相交時(shí)程曲線法，即兩端和中點(diǎn)放炮。通過觀測可以得到相應(yīng)的折射波時(shí)程曲線，水平層狀界面、傾斜界面、彎曲界面下時(shí)程曲線各有不同，結(jié)合已知的地質(zhì)情況，解釋折射波時(shí)程曲線可以得到地下折射界面的數(shù)量、埋深和形態(tài)參數(shù)[11-13]。

1.2表面波法淺層勘探

表面波主要是瑞利波(R波)和拉夫波(L波)，目前物探中用的主要是瑞利波法。與縱波和橫波相比，在距震源一定的距離上，R波能量最高，所以表面波法信噪比較高[14-15]。在傳播過程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，傳播時(shí)以一圓柱體向外擴(kuò)散，深度約為一個(gè)波長。在地面沿著波的傳播方向以一定距離布置檢波器，即可測得該范圍內(nèi)R波的傳播特征，用傅里葉變化將時(shí)域記錄轉(zhuǎn)化為頻域記錄，對于某一特定的頻率分量，可以用互譜法計(jì)算相鄰檢波器記錄的相移，從而得出鄰道內(nèi)R波的速度，將R波的傳播速度與相應(yīng)頻率繪制成頻散曲線，結(jié)合不同測點(diǎn)的頻散曲線即可反映出介質(zhì)沿剖面上的變化規(guī)律。

1.3探測設(shè)備

本次項(xiàng)目采用的探測設(shè)備是由日本OYO公司開發(fā)的McSEIS多功能綜合地震儀，該地震儀是一款輕便高效的48通道多功能綜合物探檢測設(shè)備，具有以下先進(jìn)性：(1) 多點(diǎn)激震多點(diǎn)采集；(2) 一機(jī)具有折射、反射、脈動(dòng)測試、表面波脈動(dòng)測試多功能；(3) 橫向分辨率高；(4) 結(jié)合內(nèi)置軟件，大大縮減數(shù)據(jù)分析時(shí)間。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1工程概況

南京長江三橋和京滬高鐵大勝關(guān)大橋段長江干堤堤型為土堤加漿砌石擋浪墻，擋浪墻高度1.2 m～2 m。堤頂寬3 m～5 m，水泥路面，迎水側(cè)混凝土護(hù)坡，堤上民房密集。堤身以壤土為主，局部為黏土、砂壤土，表層局部為碎石、磚塊等，為后期整修路面填筑而成。具體選取位于南京長江三橋(滬蓉高速)和南京長江高鐵橋之間的大勝關(guān)段為試驗(yàn)段。根據(jù)《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》[16](SL188-2005)附錄C“堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類”，大勝關(guān)段堤基為多層結(jié)構(gòu)(Ⅲ)，屬Ⅲ2亞類。

2.2折射法淺層勘探

本次隱患探測研究沿堤頂布置一條測線，設(shè)置測線起點(diǎn)樁號為0+000，終點(diǎn)樁號為0+050，測線總長為50 m，使用24通道進(jìn)行測量，24個(gè)檢波器點(diǎn)距為2 m，第一個(gè)檢波器樁號0+002，第二個(gè)檢波器樁號0+004，依此類推，最后一個(gè)檢波器樁號為0+048。共使用大錘激發(fā)震源25次，共獲取25組測量數(shù)據(jù)，第一次激發(fā)震源樁號0+001，第二次激發(fā)震源樁號0+003，依此類推，最后一次激發(fā)震源樁號為0+049。測線布置見圖1。

圖1長江大堤大勝關(guān)段試驗(yàn)測線布置圖

借由地震儀內(nèi)置軟件SeisImager完成資料處理，繪制出包含測線各點(diǎn)覆蓋層和基巖的縱波波速及分布厚度的斷面圖，見圖2。

由圖2可知：本次隱患探測研究試驗(yàn)段50 m，折射波法淺層勘探深度超過24 m，有效探測深度與探測長度的比值(深長比)大于50%。究其原因，第一：大勝關(guān)堤壩填土上下層級配相對均勻。下層填土較上層填土相對密實(shí)，下層土縱波速度V2大于上層土縱波波速V1，在分層界面上，波能夠很好的進(jìn)行折射傳播，滿足折射波研究的基本條件。第二：由于大勝關(guān)勘探點(diǎn)靠近長江邊非常近，離近水面僅30 m的距離。堤身土含水率非常高，地下水位浸潤線也較高。淺層折射波在飽含地下水的介質(zhì)中傳播，按照一般性規(guī)律：波在飽水介質(zhì)中的傳播速度高于干燥介質(zhì)中的傳播速度，即波在飽水介質(zhì)中的波幅低于干燥介質(zhì)中的波幅，所以，在同樣的走時(shí)距離下能量損失相對較小，折射波損相對較弱，折射波的縱波傳播距離較遠(yuǎn)，傳播深度較深。

圖2折射波法速度波形分布圖

此外，該段淺層層厚0～4 m處，左側(cè)測線縱波速度處于0.32 km/s～0.35 km/s，中間和右側(cè)部分縱波波速處于0.28 km/s～0.30 km/s之間，說明中間部分和右側(cè)部分堤身土質(zhì)量相對較差。在層厚4 m～24 m處，左側(cè)堤身覆蓋層與堤基礎(chǔ)的縱波波速均處于0.36 km/s以上，而中間和右側(cè)堤身和基礎(chǔ)的縱波波速處于0.31 km/s～0.32 km/s之間，上下層之間縱波波速相差不大，測線左端區(qū)域較測線中間和右端區(qū)域所測縱波波速相對較大，各層均為這種分布規(guī)律，說明在測線中間部位和右側(cè)土體整體相對軟弱。參照常見巖土介質(zhì)的密度和波速，該地段堤防覆蓋層均屬于松散層。

2.3表面波法淺層勘探

表面波和折射法使用一條長測線，在相同的位置布置兩套地震檢波器。面波法采用二維面波法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每個(gè)剖面布置檢波器24個(gè)，道間距2 m，激發(fā)點(diǎn)距2 m，用19磅鐵錘直接錘擊壩體的方式作為激發(fā)震源。試驗(yàn)所得表面波法速度波形分布等值線圖見圖3。

圖3表面波法速度波形分布圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：波速可劃分為4個(gè)區(qū)間：(1) 波速<140 m/s，巖土體結(jié)構(gòu)極松散，壩體有明顯質(zhì)量缺陷；(2) 波速在140 m/s～250 m/s范圍內(nèi)，巖土體結(jié)構(gòu)松散，壩體質(zhì)量較差；(3) 波速在250 m/s～350 m/s范圍內(nèi)，巖土體較密實(shí)，壩體質(zhì)量較好；(4) 波速>350 m/s，巖土體密實(shí)，壩體質(zhì)量好。

由圖3可知：在試驗(yàn)段層厚0～4 m處，堤身土表面波波速在90 m/s～130 m/s之間，土體結(jié)構(gòu)松散，堤身土覆蓋層土質(zhì)較差。在地面以下層厚4 m～18 m深度范圍內(nèi)，絕大多數(shù)土層波速在140 m/s～250 m/s范圍內(nèi)，測線左側(cè)相對于測線右側(cè)的填土表面波波速較高，填土質(zhì)量相對較好。在層厚18 m深度以下，土體表面波波速超過250 m/s,上下層土體性質(zhì)和左右側(cè)土體性質(zhì)均較為接近，土體較密實(shí)，質(zhì)量相對較好。堤基土體波速分布均勻，無明顯的波速異常。

靠近測線左側(cè)0+000樁號至0+008樁號的位置，在地面以下1 m～4 m深度范圍，波速接近100 m/s，局部土體結(jié)構(gòu)非常松散，靠近測線右側(cè)0+040樁號至0+046樁號的位置，在地表1 m范圍內(nèi)，波速接近100 m/s，說明此處土體非常松散。在5 m～8 m處深度范圍，波速接近260 m/s，局部土體質(zhì)量相對較好。這說明在這8 m長的測線處，土體填筑過程中，級配不一。

2.4結(jié)果驗(yàn)證

為研究McSEIS多功能綜合地震儀折射法，表面波法等技術(shù)應(yīng)用于堤防勘探資料成果的準(zhǔn)確性，將折射法，表面波法的勘探成果與鉆孔法勘探成果相比較。在檢波器長測線兩側(cè)分別進(jìn)行鉆孔取芯，編號分別為J34、J35(樁號0-050)，J42、J43(樁號0+100)鉆孔取芯位置距試驗(yàn)段前后各50 m。地質(zhì)鉆孔資料見圖4。

圖4地質(zhì)鉆孔平面示意圖

鉆孔勘探成果顯示：長江大堤大勝關(guān)推廣試驗(yàn)段地面以下層厚0～7.5 m處為回填土區(qū)，以粉質(zhì)黏土為主，夾雜少量碎石。左側(cè)7.5 m～12 m為粉質(zhì)黏土區(qū)，含有少量有機(jī)質(zhì)。右側(cè)7.5 m～10.5 m為粉質(zhì)黏土區(qū)，含有少量有機(jī)質(zhì)，10.5 m～12 m為粉砂區(qū)。在測線右端，層厚0～1 m處，有薄層雜填土區(qū)域。

結(jié)合上述折射波法，表面波法探測成果解釋，所得的各層的土體特征信息與鉆孔勘探特征信息吻合：試驗(yàn)段淺層深度在4 m范圍內(nèi)土體總體相對松散，質(zhì)量較差；試驗(yàn)段測線左側(cè)土體質(zhì)量較測線中間和右側(cè)土體質(zhì)量好，土體較密實(shí)。由于鉆孔點(diǎn)距離試驗(yàn)段有大約50 m的距離，鉆孔資料的層厚及分層特性具有參考價(jià)值，能夠大致推斷出試驗(yàn)段分層的大體結(jié)構(gòu)形式和分布，但分層的具體厚度在此不能進(jìn)行詳細(xì)數(shù)值的比較。

3結(jié)論

本文運(yùn)用淺層折射波勘探及表面波勘探技術(shù)，采用McSEIS多功能綜合地震儀對南京長江三橋和京滬高鐵大勝關(guān)大橋段長江干堤進(jìn)行隱患探測研究，獲得如下結(jié)論：

(1) McSEIS多功能綜合地震儀具備測量簡單，測量數(shù)據(jù)采集效率高等特點(diǎn)，相比較傳統(tǒng)的水利工程堤壩勘探技術(shù)，它是一種簡單的、經(jīng)濟(jì)有效的物探手段，能夠?qū)﹂L江大堤進(jìn)行有效的勘察。

(2) 面波信號在分層介質(zhì)中傳播會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象。而體波信號在存在折射層位的地層中傳播會(huì)發(fā)生明顯的折射現(xiàn)象。因此在工程地質(zhì)勘察中，可以充分利用面波和折射波法各自的特點(diǎn)進(jìn)行綜合物探測試。不同的物探方法相互補(bǔ)充、互相驗(yàn)證能夠有效的提高資料解釋的準(zhǔn)確性和精度。

(3) 南京長江三橋和京滬高鐵大勝關(guān)大橋段長江干堤淺層深度在4 m范圍內(nèi)土體總體相對松散，質(zhì)量較差，在地面以下層厚4 m～18 m深度范圍內(nèi)，絕大多數(shù)土層波速在140 m/s～250 m/s范圍內(nèi)，土體質(zhì)量相對較好。在層厚18 m深度以下，土體表面波波速超過250 m/s，土體較密實(shí)，質(zhì)量較好。

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Application of McSEIS Multi-function Comprehensive Seismograph in Embankment Hidden Danger Detection

FANG Xushun， QIAN Yajun， HE Ning， WANG Guoli， WANG Zhangchun， ZHANG Guirong， HE Bin

(NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing,Jiangsu210024,China)

Abstract：In the hidden danger detection of the Yangtze River embankment near the 3rd Nanjing Yangtze River Bridge and the Dashengguan bridge section of Beijing-Shanghai High-speed Railway, by using seismic refraction and surface wave methods satisfactory results were achieved with the help of McSEIS Multi-function comprehensive seismograph. The safety situation of the embankment was revealed. The test results showed that with the application of McSEIS seismograph, seismic refraction and surface wave methods can be used comprehensively. The results from two methods can be compared and verified, thus the accuracy and precision of data interpretation can be improved.

Keywords:McSEIS Multi-function comprehensive seismograph; seismic refraction; surface wave; embankment; non-destructive detection

文章編號：1672—1144(2016)01—0006—04

中圖分類號：TV698

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：方緒順(1972—)，男，安徽青陽人，碩士，高級工程師，主要從事土石壩工程筑壩技術(shù)研究。 E-mail: xsfang@nhri.cn

基金項(xiàng)目：水利部“948”項(xiàng)目(201204)；2012年度江蘇水利科技項(xiàng)目(2012030 2012009)

收稿日期：2015-10-05修稿日期：2015-11-27

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.002