榮 強(qiáng) 張 巍

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院勘察分院 遼寧 沈陽 110006）

0 概述

地球物理勘探簡稱物探，是一種科技含量較高的工程勘察技術(shù)， 是用物探專用儀器對地層巖性及構(gòu)造進(jìn)行勘察，為工程設(shè)計(jì)提供地質(zhì)資料的一種方法。 瑞雷波法是二十世紀(jì)九十年代中期發(fā)展起來的一種新的物探方法，隨著分析軟件的不斷完善使該方法日見成熟，較好地解決了實(shí)際工作中較復(fù)雜的地質(zhì)問題。

物探方法的物理前提是利用地下介質(zhì)間的物性差異，來解決地質(zhì)問題。 地震勘察是其中的一種方法，其方法是通過儀器接收地層受人工激發(fā)震動(dòng)波的響應(yīng)來達(dá)到探測地下介質(zhì)特征的一種方法。 地震勘察方法主要有地震折射波法、地震反射波法，地震瑞雷波法。 瑞雷波速度VR 與橫波速度VS相近，頻率低，瑞雷波法主要適用于淺層第四系松散堆積物的分層及覆蓋層厚度，軟巖及軟弱夾層的勘察。

1 瞬態(tài)瑞雷波法的基本原理與工作方法

1.1 基本原理

瑞雷波也稱為面波， 它存在于介質(zhì)自由表面附近， 是P波、S 波迭加的結(jié)果。 早期瑞雷波是干擾波，是工程勘察中盡量避開的振動(dòng)波， 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和方法的改進(jìn)，瑞雷波成為一種新的物探手段。 瑞雷波傳播具有以下主要特性：

在不均勻介質(zhì)中瑞雷波速度（VR）具有頻散特性，此點(diǎn)是面波勘探的理論基礎(chǔ)。 瑞雷波某一波長的速度主要與深度小于1/2 波長的地層物性有關(guān)。 同一擊震條件下面波的振幅按r-1／2 減小，體波（VP、VS）振幅按r-1 的衰減，即瑞雷波比體波衰減慢的多，這是開展面波勘探的優(yōu)越性之一[1]。

瑞雷波勘探方式按震源的方式不同分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，早期采用穩(wěn)態(tài)法其激震設(shè)備笨重，工作效率低，近期由于瞬態(tài)法軟件的問世，解決了瞬態(tài)法的關(guān)鍵問題，大大的提高工作效率。

1.2 工作方法

瞬態(tài)瑞雷波法的工作方法是在地面上人工施力一瞬間沖擊力，在地面表層產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞雷波，它是由多個(gè)簡諧波組成，這些簡諧波疊加一起，并以脈沖的形式傳播，每一個(gè)諧波都以一定的速度VR 傳播，VR 是頻率f 函數(shù)。 在地面沿瑞雷波傳播方向布置多道檢波器進(jìn)行觀測，通過對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和處理，把不同頻率的瑞雷波分離出來，得到頻散曲線VR-f，最終結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況對頻散曲線進(jìn)行定性分析和定量解釋。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

三座店水利樞紐工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市初頭郎鄉(xiāng)三座店村附近的陰河下游，距赤峰市35 公里。 水庫主要任務(wù)是：防洪、城市用水、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、生活用水、發(fā)電等。

地震瞬態(tài)瑞雷波法在外業(yè)工作正式開展之前，首先進(jìn)行展開排列的試驗(yàn)工作，并由此來確定面波勘探測線合適的長度、道間距、偏移距，以獲得最佳效果，本次工作在經(jīng)過展開排列實(shí)驗(yàn)后，選擇的布置方案為；一次布置24 個(gè)檢波器，道間距2m、偏移距4m、采樣間隔0.25μs、2048 個(gè)采樣數(shù)據(jù)，配置4Hz 低頻檢波器，震源采用敲擊震源。

儀器采用北京水電物探研究所研制生產(chǎn)“SWS 工程勘探與檢測系統(tǒng)”，該儀器可做地震折射波法、反射波法、瑞雷波法等地球物理勘察工作。

2.1 在電站洞口的應(yīng)用

該工程電站洞進(jìn)口開挖過程中距斷面上沿埋深10～13m深處有一破碎夾層呈全風(fēng)化狀態(tài)，厚度不均，在電站洞進(jìn)口開挖的斷面內(nèi)均有分布，最低處距洞頂約4m 左右，其上、下層巖性均為弱風(fēng)化玄武巖， 為施工的安全考慮， 需對前方30m 范圍內(nèi)進(jìn)行勘察，確定該破碎夾層的分布情況。

該場地巖性以第三系上新統(tǒng)玄武巖為主，由于該場地曾經(jīng)過多次火山噴發(fā)，巖層的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 較典型結(jié)構(gòu)為當(dāng)巖體風(fēng)化后又被下一次火山噴發(fā)的巖漿所覆蓋， 造成破碎夾層。 開挖的電站洞洞口在Ⅰ級階地，其施工斷面的上沿為Ⅱ級階地，地勢較平坦，覆蓋層較薄，有利于面波的勘察，測線布置在Ⅱ級階地上。

瑞雷波測試數(shù)據(jù)使用SWS 面波處理軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理。根據(jù)頻散曲線上拐點(diǎn)或“之”字型折點(diǎn)，給出速度層模型后經(jīng)反演擬合解釋進(jìn)行層位劃分，并計(jì)算各層瑞雷波速度值。 從所作的15 個(gè)測點(diǎn)的頻散曲線來看大部分都有明顯的拐點(diǎn)和“之”型變化。

本次工作在開挖斷面的上部Ⅱ級階地的平臺上布置了15 個(gè)地震瑞雷波測試點(diǎn)，連接成4 個(gè)剖面，開挖斷面正前方為Ⅰ、Ⅱ剖面，開挖斷面右側(cè)為Ⅲ、Ⅳ剖面。 經(jīng)瑞雷波軟件分析處理, 繪制出瑞雷波波速沿深度變化的剖面圖， 既地震面波-地質(zhì)剖面圖，其中Ⅰ剖面在開挖斷面前方15m 處，其軟弱夾層較厚， 在埋深9.0-14.7m 深度范圍內(nèi)存在著低速破碎帶夾層，與洞口開挖邊坡的斷面基本吻和。 從4 個(gè)剖面的解析資料顯示，開挖斷面向前沿深30m 范圍內(nèi)，該破碎夾層最低點(diǎn)的高程為715m，對電站洞的開挖不會造成太大的影響。

2.2 在浸沒區(qū)勘察上的應(yīng)用

浸沒區(qū)位于庫區(qū)上游的孤山鄉(xiāng)境內(nèi)，其范圍在孤山村與北山根村之間，浸沒區(qū)勘察的主要目的是了解第四覆蓋層的分層情況。 根據(jù)測區(qū)鉆孔揭示上部為粉土、細(xì)砂、中砂、 砂卵石、卵石夾泥等。 該地區(qū)地層有超徑卵石的存在，是鉆孔勘查最困難的地層。

采用瞬態(tài)瑞雷波法在浸沒區(qū)共做了15 的測試點(diǎn)， 聯(lián)成五個(gè)剖面，從采用瞬態(tài)瑞雷波法所測的質(zhì)料來看與鉆孔質(zhì)料基本吻合。 在2 天半的時(shí)間內(nèi)完成外業(yè)勘察工作，為地質(zhì)勘查提供了可靠的地質(zhì)質(zhì)料，大大的提高了工作效率。

瞬態(tài)瑞雷波勘探法的頻散特性與介質(zhì)的緊密相關(guān)性是它的物理基礎(chǔ)，與常規(guī)物探方法相比它具有分辨率高、應(yīng)用廣泛、受場地影響小、檢測設(shè)備簡單、檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)測的瑞雷波速度—深度曲線常出現(xiàn)”之”字形的原因；一是由于高階導(dǎo)波的影響，二是由于地層中低速夾層所致的頻散曲線的單調(diào)性[2]。

地震折射波法要求下伏層速度大于上覆層速度，地震反射波法要求各層介質(zhì)間存在波阻抗差異，而面波勘探不受上述物性條件制約， 僅要求各層介質(zhì)間存在橫波速度差異，由于橫波速度主要與介質(zhì)的松散與密實(shí)程度有關(guān)，因此在地層劃分方面有較好的分辨能力，較適合于軟巖及密實(shí)度差異較大的第四系地層地區(qū)的勘探[1]。 瞬態(tài)瑞雷波在三座店水利樞紐工程中的應(yīng)用確實(shí)得到了事半功倍的效果。

3 結(jié)束語

瞬態(tài)瑞了雷波法是一種新興的物探方法， 它在地層劃分、評價(jià)地基質(zhì)量、巖體風(fēng)化分帶等方面取得廣泛的應(yīng)用，能較好地解決實(shí)際工程地質(zhì)問題，與其它物探方法相比具有工作方法簡單、資料分析較簡便、工作效率較高、成果直觀等優(yōu)點(diǎn)。

［1］程立.瞬態(tài)瑞雷面波法在軟巖地層勘探中的應(yīng)用[J].西北水電,2002(2).

［2］陳祥.面波“之”形速度—深度曲線的成因[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2004(4).