趙秀麗，丁曉峰，于帥兵，謝青保，閆博華，潘曉穎

(1.中化二建集團(tuán)有限公司 山西華晉巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030021；2.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006；3.長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所，湖北 武漢 430010)

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瞬態(tài)瑞雷波法在滑坡工程勘查中的應(yīng)用

趙秀麗1，丁曉峰1，于帥兵1，謝青保1，閆博華2，潘曉穎3

(1.中化二建集團(tuán)有限公司 山西華晉巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030021；2.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006；3.長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所，湖北 武漢 430010)

在地形起伏較大，地質(zhì)條件復(fù)雜、勘查現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重等的情況下，為了提高滑坡勘查的勘查精度和勘查工作效率，綜合采用瞬態(tài)瑞雷波與常規(guī)勘查方法，可以彌補(bǔ)單一常規(guī)勘查方法的精度及數(shù)據(jù)量不足的局限性。介紹了瞬態(tài)瑞雷波法的原理及實(shí)際操作中參數(shù)設(shè)置方法，結(jié)合山西省某滑坡勘查的工程實(shí)例，結(jié)果表明了瞬態(tài)瑞雷波法在滑坡勘查中勘查優(yōu)勢(shì)。

瞬態(tài)瑞雷波；滑坡勘查；地質(zhì)條件復(fù)雜

1 引 言

在滑坡治理設(shè)計(jì)中，正確的治理方案源于對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體的充分調(diào)查與勘探，因此需要大量揭示地質(zhì)體特征的數(shù)據(jù)[1]。在滑坡勘查中常出現(xiàn)地質(zhì)條件較復(fù)雜、地面形態(tài)高差較大的情況，布置鉆孔等常規(guī)勘探方法由于機(jī)械搬運(yùn)、工作面小等各種原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此在這種情況下僅采用常規(guī)勘探方法無(wú)法滿足滑坡治理設(shè)計(jì)的需要，亟需在滑坡工程勘查中引入新的勘探手段。

滑坡體中的滑動(dòng)帶與周圍介質(zhì)相比具有低剪切波速度的特征是利用瞬態(tài)瑞雷波進(jìn)行滑坡勘查的前提條件。將瞬態(tài)瑞雷波引入滑坡工程勘探中，采用點(diǎn)、線、面三位一體的綜合勘探方案來(lái)補(bǔ)充常規(guī)勘查手段的局限性。運(yùn)用綜合手段來(lái)揭示滑坡地質(zhì)體的特征、提高工作效率和勘探精度，不僅滿足了設(shè)計(jì)對(duì)于滑坡勘查的技術(shù)要求，而且取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 原理及工作方法

2.1 瞬態(tài)瑞雷波勘查原理

與穩(wěn)態(tài)瑞雷波法相比，瞬態(tài)瑞雷波法有設(shè)備輕便、快速經(jīng)濟(jì)、對(duì)淺部分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。瞬態(tài)瑞雷波法適用于復(fù)雜地形條件下工作，特別是對(duì)于淺部約30～50 m精細(xì)結(jié)構(gòu)反映清晰；每一點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間一般僅為幾十分鐘，在現(xiàn)場(chǎng)就能作實(shí)時(shí)處理，因而效率很高；地表正常激發(fā)瞬時(shí)聲幅小于60分貝，噪音低，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，安全。

地表震源激發(fā)的縱波和橫波的相互干涉疊加，會(huì)形成一種能量很強(qiáng)(地震記錄中，面波的能量占2/3、體波的能量占1/3)、主要集中在地表附近的、沿自由表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，主要為瑞雷波與拉夫波[3]。這里主要談瑞雷波，它是一種質(zhì)點(diǎn)在波的傳播方向垂直平面內(nèi)振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡為逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的橢圓，且振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減的波，見圖1，橫坐標(biāo)為波傳播方向上的距離L(m)，縱坐標(biāo)為單位波長(zhǎng)深度。

瑞雷面波沿界面?zhèn)鞑r(shí)，瑞雷波水平和垂直振幅的主要能量均集中在Z/λ<1的深度范圍內(nèi)[4]，其穿透深度約為1個(gè)波長(zhǎng)，通常認(rèn)為其勘探深度約為半個(gè)波長(zhǎng)。面波沿地表傳播的速度與波及深度范圍內(nèi)地層的彈性參數(shù)有關(guān)，包括地層的承載力、彈性模量和剪切模量等。實(shí)踐證明橫波速度與巖土的力學(xué)性質(zhì)相關(guān)最密切，如果測(cè)定了不同波長(zhǎng)(頻率)的面波速度，將測(cè)量到的瑞雷波速度轉(zhuǎn)化為橫波速度，就可能推斷對(duì)應(yīng)深度介質(zhì)的物性參數(shù)[5]，該特性為利用面波進(jìn)行淺層勘探定量解釋提供了依據(jù)。

圖1 面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡隨深度變化圖Fig.1 Surface wave particle vibration locus varies with depth

1) 轉(zhuǎn)換剪切波[6]

(1)

式中：VR為面波速度(m/s)；VS為剪切波速度(m/s)；μ為泊松比

2) 通過VS可計(jì)算巖土的物理力學(xué)參數(shù)。

①轉(zhuǎn)換標(biāo)貫參數(shù)采用日本土質(zhì)學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)的關(guān)系式[7]

(2)

式中：N63.5為標(biāo)貫擊數(shù)(見表1)

表1 砂土和黏土標(biāo)貫與橫波速度經(jīng)驗(yàn)值

②液化判別

(3)

式中：VBcri為液化臨界值；KV為系數(shù)，當(dāng)抗震烈度為7、8、9時(shí)分別取145、160、175；其他符號(hào)同抗震規(guī)范。當(dāng)實(shí)測(cè)VS

2.2 瞬態(tài)瑞雷波勘查

2.2.1 瞬態(tài)瑞雷波勘查方法

野外采集時(shí)主要通過在地面通過錘擊、落重或炸藥震源，產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞雷面波，檢波器接收到信號(hào)后，通過電纜傳到儀器主機(jī)，在信號(hào)分析儀的屏幕上顯示出來(lái)，亦可以做實(shí)時(shí)的處理，將信號(hào)儲(chǔ)存在軟盤上(圖2)。這種排列叫做共炮點(diǎn)(CSP)的幾何排列。后期通過振幅譜分析和相位譜分析，把記錄中不同頻率的瑞雷面波分離開來(lái)，從而得到瑞雷面波的頻散曲線，頻散曲線的特征及其變化與地下地質(zhì)條件(如地層的厚度、波速等)密切相關(guān)。在野外正式采集時(shí)，如果認(rèn)為波形不合格，應(yīng)重新采集。每次采集為減少干擾波影響、 提高信噪比，可在排列兩側(cè)進(jìn)行多次采集，便于在后期數(shù)據(jù)處理過程中剔除環(huán)境影響。

圖2 瞬態(tài)瑞雷波法測(cè)試原理圖Fig.2 Transient Rayleigh wave test schematic

2.2.2 瞬態(tài)瑞雷波勘查參數(shù)設(shè)置

瞬態(tài)瑞雷波采集的波形的好壞直接影響到計(jì)算出的頻散曲線，進(jìn)而決定著勘探的準(zhǔn)確度。與反射法地震勘探方法相似，瞬態(tài)多道面波勘探也存在一個(gè)最佳窗口問題，因而在不同的地質(zhì)環(huán)境及勘探深度下采用瞬態(tài)瑞雷波勘探時(shí)，采集參數(shù)的設(shè)置是整個(gè)項(xiàng)目的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。可以在正式采集前進(jìn)行一次采集試驗(yàn)工作，試驗(yàn)工作主要根據(jù)基階瑞雷面波發(fā)育的強(qiáng)勢(shì)段確定以上參數(shù)。

1)選擇激發(fā)方式：根據(jù)勘探深度和分辨薄層的需要，確定最佳激振方式，大錘激發(fā)震源一般勘探深度為0～15 m；落重震源一般可實(shí)現(xiàn)勘探深度0～30 m；炸藥震源一般可實(shí)現(xiàn)勘探深度0～50 m[8]。在地形勘測(cè)時(shí)可以根據(jù)目標(biāo)物的深度選擇合適的激振方式。

2)選擇偏移距：選擇偏移距實(shí)際就是選擇瑞雷面波的最佳接收地段，根據(jù)試驗(yàn)剖面，應(yīng)選取瑞雷面波和反射波已經(jīng)分離的接收地段。在基、高階可能分離的情況下，選取基階面波明顯的接收地段?？梢酝ㄟ^采集前試驗(yàn)工作確定最佳偏移距。

3)選擇排列長(zhǎng)度及接收道數(shù)：瞬態(tài)面波排列的長(zhǎng)度主要考慮探測(cè)工作要求達(dá)到的深度。一般情況下，探測(cè)深度在10 m左右時(shí)，可采用1～2 m道間距， 12～24個(gè)檢波器接收；探測(cè)深度在20～40 m內(nèi)時(shí)可采用2 m道間距， 12～24個(gè)檢波器接收。探測(cè)深度大于40 m時(shí)， 2～5 m道間距，24個(gè)檢波器接收[9]。

4)選擇檢波器：一般土層，可采用4Hz或10Hz的低頻檢波器；在要求精度較高的淺部地層探測(cè)中，可采用頻率為28 Hz或38 Hz 的檢波器。

2.2.3 鉆探驗(yàn)證

面波勘探時(shí)采用測(cè)量?jī)x器對(duì)面波測(cè)試的位置進(jìn)行定位，將定位數(shù)據(jù)展布到地形圖上，然后根據(jù)室內(nèi)數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果進(jìn)行分析，在異常位置或者有疑問的地方布設(shè)鉆孔，進(jìn)一步確認(rèn)面波探測(cè)的成果。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 滑坡概況

山西省某滑坡為煤礦基建坡腳開挖后誘發(fā)滑坡，位于煤礦主副井所處的山坡上。滑體寬度約70 m，滑坡后緣與坡腳天然高差約40 m。地貌單元為侵蝕性中的山區(qū)地貌，滑坡區(qū)位于復(fù)式向斜的西翼北段，巖層產(chǎn)狀N30°～40°E∠SE3°～6°，井田內(nèi)地層產(chǎn)狀較平緩，傾角2°～7°。

根據(jù)鉆孔、探井揭露及原始地貌出露情況，地層主要由第四系中、上更新統(tǒng)的稍密的粉土、軟硬中等的粉質(zhì)黏土，二疊系下統(tǒng)下石盒子組強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖組成?；瑒?dòng)面為強(qiáng)風(fēng)化泥巖與軟硬中等粉質(zhì)黏土的界面，局部滲水對(duì)巖土體產(chǎn)生軟化作用，形成局部滯水，增加了滑體土自重，從而使滑坡土體在重力、局部滲水的共同作用下產(chǎn)生蠕滑。

滑坡體及其周圍植物繁茂且地形陡峻，鉆機(jī)等儀器較難到達(dá)，且甲方要求為免周圍村民阻攔，在滑坡后緣及滑坡體上不能用鉆機(jī)勘探。

3.2 工作布置方法

本次面波勘探共布置了6條瑞雷面波勘探線，其中2條垂直于滑坡走向，4條沿滑坡走向。采用SWS-6型面波儀進(jìn)行探測(cè)，以單點(diǎn)激發(fā)“最佳窗口”24道接收施測(cè)方法采集數(shù)據(jù)。偏移距3～5 m，道間距0.5～1 m，采樣間隔0.25～0.5 ms，記錄長(zhǎng)度1 024～2 048 ms。面波的激發(fā)采用28磅大錘激發(fā)。此外，為了更可靠地采集到面波，每一測(cè)點(diǎn)均重復(fù)激發(fā)3～5次，選面波能量強(qiáng)、干擾小、信噪比高的一炮記錄作為該測(cè)點(diǎn)的面波數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)資料成果分析與效果評(píng)價(jià)

數(shù)據(jù)處理采用SWS型面波儀專用瞬態(tài)瑞雷波數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)進(jìn)行，處理后頻散曲線及其特征反映了測(cè)點(diǎn)處面波速度隨深度的變化情況及地下地質(zhì)條件。

圖3 頻散曲線與探井揭露地層對(duì)比圖Fig.3 Dispersion curve and exploratory well exposed stratigraphic correlation diagram

圖4 滑動(dòng)帶面波測(cè)深映象圖Fig.4 Sliding surface wave sounding image map

圖3為面波勘探與探井所揭露地層的對(duì)比圖，橫坐標(biāo)表示橫波速度Vx(m/s)和剖面線，縱坐標(biāo)表示深度Z(m)，二者主要大層的分布規(guī)律和深度是相當(dāng)吻合的。圖4為通過瞬態(tài)瑞雷波法勘探確定的滑動(dòng)面的測(cè)深映像圖，橫坐標(biāo)表示剖面長(zhǎng)度L(m)，縱坐標(biāo)表示映象視深度Za(m)，與探井揭露的滑動(dòng)面深度及位置吻合性較好，滿足了滑坡勘查設(shè)計(jì)的要求[10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過實(shí)踐操作中勘探資料與瞬態(tài)瑞雷波資料的相互驗(yàn)證表明：采用瞬態(tài)面波法在滑坡地質(zhì)勘探中，可以克服地形起伏較大，地質(zhì)條件復(fù)雜、施工干擾嚴(yán)重等的情況，達(dá)到查明滑坡帶的分布范圍、滑體厚度及滑床形態(tài)及滑體物性的探測(cè)目的，探測(cè)效果好，技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、精度高、效率高、成本低。該探測(cè)方法技術(shù)值得推廣、重視。

[1]劉云禎，梅汝吾．多道瞬態(tài)面波勘察新技術(shù)[M]//工程物探新技術(shù).北京： 地質(zhì)出版社，2006：1-51.

[2]馮彥東．瞬態(tài)瑞雷波法在建筑場(chǎng)地類型及類別勘察中的應(yīng)用[J]．工程地球物理學(xué)報(bào)，2014，11(1)：81-84．

[3]Chang F K，Ballard R F. Rayleigh wave dispersion technique for rapid subsurface exploration[C]//第42屆國(guó)際地球物理勘探年會(huì)論文集.北京：石油工業(yè)出版社，1973:115-121.

[4]王超凡，鄒桂高，劉金光,等．多道瞬態(tài)瑞雷波勘探應(yīng)用研究[J]．地質(zhì)科學(xué)，2002，37(1)：110-117.

[5]嚴(yán)壽民．瞬態(tài)瑞雷波勘探方法[J]．物探與化探，1992，16(2)：113-119.

[6]謝昭輝，鐘和，陳昌彥.瑞雷波勘探技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用[M]//工程物探新技術(shù).北京： 地質(zhì)出版社，2006：93-98.

[7]曹樂輝，左國(guó)青，陳程,等.瞬態(tài)面波勘察在建筑地基勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2012，9(2)：184-188.

[8]建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004：5-7.

[9]單娜琳．工程地震勘探[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006:144.

[10]林宗元．中國(guó)巖土工程技術(shù)發(fā)展展望[J].西部探礦工程，2000(1)：9-11.

The Application of Transient State Rayleigh Wave Exploration Technique to Landslide Exploration

Zhao Xiuli1，Ding Xiaofeng1，Yu Shuaibing1，Xie Qingbao1，Yan Bohua2，Pan Xiaoying3

(1.ShanxiHuajinGeotechnicalEngineeringCo.,LTD,ChinaChemicalEngineeringSecondConstructionCorporation,TaiyuanShanxi030021,China;2.ShanxiTransportationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030006,China;3.SoilandWaterConservationDepartment,YangtzeRiverScientificResearchInstitute,WuhanHubei430010,China)

Under the conditions of undulating terrain, complex geology, serious interference of the exploration, to improve the efficiency and precision of landslide exploration, transient Rayleigh wave and conventional exploration methods can be comprehensively used to make up for the limitations of each single one. The principle and parameters setting technique in practice are described in this paper. According to the application effects of the landslide exploration in Shanxi, the result proves the advantages of transient Rayleigh wave exploration method in landslide exploration.

transient Rayleigh wave; landslide exploration; complex geology

1672—7940(2016)02—0227—04

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.016

趙秀麗(1986-)，女，助理工程師，主要從事工程物探方面的工作。E-mail:zxl07002893@163.com

P631.4

A

2015-08-28