西南科技大學在近地表勘探工作中，常用的方法有地質(zhì)鉆探、地震折射和反射容易分辨，特別折射波法要求下層介質(zhì)的速度一定要大于上層介質(zhì)的雷面波勘探法是一種新型的地震勘探方法，能夠彌補傳統(tǒng)方法的不足。本文就是研究如何利用瑞雷面波的頻散特性進行淺層地質(zhì)勘探檢 1 2第二章瑞利波勘察原理及現(xiàn)場工作方法 32.1瑞利波勘察原理 32.2多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)采集方法 4第三章瑞利波資料整理與解釋 63.1面波頻散曲線的深度解釋 3.2層厚度的計算方法 3.3層速度的計算方法 9 西南科技大學4.2數(shù)據(jù)采集和處理 4.3底層劃分及滑動面確定 西南科技大學面波勘探，也稱彈性波頻率測深，是國內(nèi)外近幾年發(fā)展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，集中于自由表面，容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。人們根據(jù)激振震源的不同，又把面波勘探分為①穩(wěn)態(tài)法、②瞬態(tài)法、③無源法。它們的測試原理是相同的，只是產(chǎn)生面波的震源不同罷了。1938年德國土力學協(xié)會首次嘗試用穩(wěn)態(tài)振動來檢測巖土的各種彈性力學參數(shù)。1960年美國密西西比陸軍工程隊水陸試驗所開始開發(fā)類似的技術方法，但由于當時技術條件的限制，均未獲得成功。瑞利波來研究淺部地質(zhì)問題，并于1973年在第42屆國際地球物理勘探年會上發(fā)表了到80年代初，日本的VIC株式會社經(jīng)過多年的研究試制，推出了GR-810佐藤式全自動地下勘探機，才使該項物探技術在淺層工程勘察工作中得以應用。上個世紀九十年代中期，日本科學家在研究常時微動的過程中發(fā)現(xiàn)，常時微動是一種震源（包含面波在內(nèi)）并初步完成了地基勘察。這是一項具有很大潛力的面波勘探方法。西南科技大學地震波是地震震源在地球介質(zhì)中產(chǎn)生的擾動。在有介質(zhì)分界面存在時，地震波除了像反射波和折射波那樣在整個介質(zhì)體內(nèi)傳播的體波外，還存在一類沿介質(zhì)自由界面?zhèn)鞑サ拿娌?，當它沿著自由表面?zhèn)鞑r，其能量主要集中在自由表面附近，并隨著深度的增加能量迅速衰減。面波按其類型主要有瑞雷面波和勒夫面波兩大類。表面為疏松的覆蓋層內(nèi)。當介質(zhì)為均勻各向同性介質(zhì)時，瑞雷面波的相速度和群速度將一致，否則瑞雷波的相速度將不一致，出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，當介質(zhì)具有水平層狀性質(zhì)時，瑞雷面波的頻散規(guī)律與介質(zhì)的分層結(jié)構(gòu)緊密相關。瑞雷面波既有P波成分也有Sv波成分，而無SH波成分。瑞雷面波在天然地震中常?？梢杂^測到，它對建筑物的破壞性極大。在地震勘探中，瑞雷波已由過去的干擾波變成勒夫面波產(chǎn)生于介質(zhì)表面的低速覆蓋層以及該層與下面介質(zhì)的分界面上。勒夫面波面波是一種SH型波，具有頻散現(xiàn)象。假定存在一均勻完全彈性的半無限空間，不均勻平面縱波與不均勻平面橫波沿自由表面?zhèn)鞑r相互疊加就產(chǎn)生了瑞利面波。在各向均勻半無限空間彈性介質(zhì)表面上，當一個圓形基礎上下運動時，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計算出來，即P波占7%S波占噪比會大大提高。西南科技大學第二章瑞利波勘察原理及現(xiàn)場工作方法瑞利波沿地表面?zhèn)鞑?，其穿透能力僅有一個波長，也就是說，可以達到距表層一個波長入R的深度范圍。如果能在水平方向的測線上記錄同一波長不同點的VR值，就可以反應地質(zhì)界面在水平方向的變化特征。若記錄不同入R的VR值,也就可以反映出不同深度的地層分布和特征。瑞利波和反、折射波一樣都是沿測線方向傳播的。在測線上以一定道間距△X設置N+1個檢波器，就可以觀測到瑞利波在N△X長度范圍內(nèi)傳播的過程。設瑞利波的頻率為fi，相鄰兩各檢波器的瑞利波的到時差為△t或相位差為,則相鄰兩道△X長度的范圍內(nèi)，瑞利波的傳播速度，可以記為:2二舌―2：fi<<2\t_的平均速度為在同一地段測量出一定頻率的值就可以得到一條(VR-f）曲線，即所謂的頻散特性曲線或把（VR-f）曲線轉(zhuǎn)化為（VR-入R）曲線，可用下式表示:f線的反演解釋，可以得到地下某一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造,也可以得到不同深度地層的VR值。西南科技大學一套完整的多道瞬態(tài)面波采集系統(tǒng)至少應該配備以下儀器和配件：也可以采用其它通用多通道數(shù)字地震儀，數(shù)據(jù)通道不應低于六道。數(shù)據(jù)傳輸線：用于檢波器和地震儀間的數(shù)據(jù)傳輸，其長度不應小于最大測線長度。檢波器：用于接收地震波信號，面波采集時應采用低頻檢波器。觸發(fā)開關：觸發(fā)開關通過導線連接震源和地震儀，以保證震源的激發(fā)的同時地震開據(jù)，使所采集的地震信號具有時間特性。震源：一般的淺層面波勘探常采用錘擊震源，也可采用落重或炸藥電源：根據(jù)不同的儀器要求，配備相適應電源。野外數(shù)據(jù)采集時使用低頻面波檢波器在震源縱向方向等間距大于預期探測深度，排列線附近地面盡量避免有溝、坎、墻等能產(chǎn)生反射或散射的障礙物。2、參數(shù)設置西南科技大學儀器開啟進入面波采集系統(tǒng)后，需要對以下各種參數(shù)進行設置:存盤路徑：用來指定數(shù)據(jù)的存放地點，方便以后調(diào)用。件名，否則極易搞混淆。文件名應該包括代號和代碼兩部分,程名稱的拼音簡寫，代碼部分用來表示數(shù)據(jù)采集的先后順序,采樣間隔：常采用0.20或0.25ms道數(shù)：根據(jù)實際情況設置，常采用12道或24道。道間距：道間距由測線長度和道數(shù)控制，設測線長度為所以必須正確設置文代號部分一般用工可以由儀器自動生道間距為L/(n-1)。道間距的設置還應該考慮分辨率要求,薄地不能大于欲探測的最偏移距：視具體情況而定，取值范圍一般為2~10米。3、震源激發(fā)多道瞬態(tài)面波震源激發(fā)位置必須位于檢波器排列的縱向方向可置于后端，最小偏移距不宜低于2m。震源能量視預期勘探深度而定，當預期勘探深度小于30m時，可用人工錘擊震源，預期勘探深度在30~80m可采用落重震源，預期勘探深度大于80m時一般應使用炸藥震源。瞬態(tài)面波測深要求采用的震源在時間上是單個脈沖的沖擊。在錘擊或落重操作中往往會產(chǎn)生連擊，甚至在爆炸時，由于圍巖的影響，也能出現(xiàn)反沖。如果兩個脈沖的時間間隔小于期望獲得的面波最長周期，就不可能用時間-空間窗口加以清除，而會在頻率波4、數(shù)據(jù)檢查與保存當震源激發(fā)后，地震儀會將所接受到的地震波形記錄顯示在屏幕上，可以通過增益控制鍵調(diào)整波形幅度，觀察有無缺道以及干擾的大小等，然后確定記錄信號的質(zhì)量是否合乎要求。有的工區(qū)，由于客觀條件的限制而無法避開干擾，這時就需要采用多次疊加技術來壓制干擾，疊加的次數(shù)視具體情況而定。當確西南科技大學要利用面波頻散曲線進行地層劃分，首先要確定面波波長與深度的轉(zhuǎn)換系數(shù)瑞雷波的能量隨深度按指數(shù)規(guī)律衰減，通常定義當振幅比禺/葩衰減到針對不同的巖土介質(zhì)，我們可以計算出穿透深度與振幅能量之間的關系，如表3-1所示，從而確定出比較合理的深度H與波長入R的轉(zhuǎn)換系數(shù)值B值。從表3-1中可以看出，對于所有的介質(zhì)，瑞雷波的穿透深度為0.55入只~0.875入R。對于土體而言，泊松比0.4-0.45,則穿透深度H"(0.79-0.84)入R。對于淤泥質(zhì)軟塑土層，穿透深度可取0.85XR。對于一般土層穿透深度可采用：H7.8十0.8VRf(3-1)實際應用中，由于各測區(qū)地層條件一般不會相同，驗來確定合適的深度的轉(zhuǎn)換系數(shù)Bo所以應該根據(jù)現(xiàn)場對比試BR深一般來說，以上述B值繪出VR—BXRBR深度以上的平均速度，其變化規(guī)律與VR—XR曲線一致。表3-1不同介質(zhì)中瑞利波的穿透深度0.150.200.250.300.400.450.480.6650,6930.7220.75305850.S1Q0.8570,8980,9260.2550.2660.2770.2890.3010.31503300341P0.55X0.5750.6250,650.700.750.790.840,875在實際勘察工作中，以VR為橫坐標，以H=B入為縱坐標，繪制VR-H曲西南科技大學線（如圖3-2）,曲線的縱坐標就可近似代表勘探深度。分析和變化規(guī)律，可以初步確定地層界面深度以及各層速度的大概范圍。層段劃分主要有以下兩種方法：RR精確確定地)三層介質(zhì)的頻飪曲線圖根據(jù)蘭一「R曲線的極值點對應的分層「-丘R置，計算出拐點處所對應的波長-Ri,同樣根據(jù)H二■--Ri確定出分層深度。需要注意的是瑞利波速度代表著1'Ri深度以上介間的影響西南科技大學層速度計算一般采用近似計算方法，即近似的認為瑞雷波傳播速度代表某一深度內(nèi)各層波速的加權(quán)平均值。分層速度由下式計算：速度隨深度減小時:西南科技大學VRmn為第n點深度;HnH2、橫波速度由瑞雷波的基本原理可知，在均勻各項同性半無限彈性介質(zhì)中，瑞雷波速度和橫波0.95VS。由此，在計算巖土的力學參數(shù)時，可利用VR代替VS進行近似計算。0.260.9210360340,9335260,270.9226540350.9350180.28[).9242560.9364330.29a.9258420370.9379360.300.9274130.380.9393720310.9289650390.9407920320.9305020.400,9421950330.932022<1410.94358]0,904003t).9()752K0.9I099S0.^)127070.9I441M0,9160850.9177510.9194020*874032O.H779240.S817800.8893740^93106O.H967890,9004220,W95l0.9463030.9476400.9489590.9502620.9515490.9528200.954074o“430.440.450.460.49a0.020.040.060.0Sa0,160,180.200.210.220.240.25RSRS西南科技大學2007年春季，陜西延長縣某河岸黃土陡邊坡出現(xiàn)滑動跡象，嚴重威脅穿行而過的輸氣管道的安全。滑坡區(qū)位于陜北黃土高原中部地區(qū)，屬于典型的繼承型和繼承、侵蝕混合型的黃土溝壑地貌。黃土廣覆于下伏起伏的基巖古地形之上，在新構(gòu)造運動的影響下，由于河流的長期侵蝕切割，形成溝谷深切的地形。該處滑坡受河流的侵蝕切割作用，坡體前部形成陡坡臨空面，為滑坡提供了滑動的空間條件。該滑坡危及輸氣管線的安全，所以必須盡快勘察和治理。由于時間緊迫，按常規(guī)的勘察方法很難滿足工期要求，急需一種快速、高效、準確的勘探方法。經(jīng)分析和研究，最后確定了以多道瞬態(tài)面波勘探為主，配以少量鉆孔加以驗證的勘察方案。面波勘察的任務是要劃分地層并確定滑動面的位置。儀器采用北京水電物探研究所SWS工程地震儀，檢波器使用4赫茲面波檢波器，震源采用18磅鐵錘錘擊合金墊板。采集時參數(shù)設置如下：偏移距：各點取4m和8m各采集一組數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)測試中沿河堤走向布置測線，等間距設置6個測點（CD1~CD6），總覆蓋長度約2、數(shù)據(jù)分析和處理對所采集的數(shù)據(jù)按本文所述方法在時間-空間域和頻率-波數(shù)域進行初步處理和分析，發(fā)現(xiàn)測區(qū)面波數(shù)據(jù)呈現(xiàn)兩類不同的特征：一類是基階面波型號很強，高階信號較弱，，如圖4-1所示，類似I類（波-西南科技大學速由表層向底層逐層增高的橫向均勻介質(zhì)）地層面波頻散特性。二類是基階面波和高階面波都很強，但是能夠區(qū)分，如圖4-2所示，類似U類（底層波速最高，中部含低速層的橫向均勻介質(zhì)）地層面波頻散特性。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，測區(qū)面波頻散曲線形狀非常類似，都具有兩處明顯拐折，較CD6）在時間-空間域和頻率-波數(shù)域出現(xiàn)類似I類地層的面波頻散特征，則是由于該處低速層深度較大，減弱了高速波導效應。事實上，我們從圖上可以看出，高階面波還是具有一定能量，要比正常I類地層中高階面波信號稍強。由此可以得出，測區(qū)內(nèi)地層都可以歸將驗證孔的地質(zhì)和面波資料進行對比分析，經(jīng)多次計算和比較，確定B取0.8最為合適。按此換算系數(shù)得出的面波H-VR曲線上兩處拐折很好的對應了兩處地層分界面，如圖4-3所示。由此也確定了層段劃分標準。)-西南科技大學135&00實測面波S-T域波形記錄及0對所有資料進行時間空間域和頻率-波數(shù)域處理后得到各測點基階面波頻散曲線，然后按上面得出的波長-深度轉(zhuǎn)換系數(shù)將面波頻散曲線轉(zhuǎn)換為H-VR曲線。各曲線按其測點相對位置顯示在圖4-4中。4.3地層劃分及滑動面確定利用所得VR-H曲線反演橫波速度結(jié)構(gòu)，反演方法采用人機聯(lián)合反演。首先根據(jù)頻散曲線的形狀特點確定地層界面位置，然后再反演其橫波速度結(jié)構(gòu)。反演結(jié)果見表4-1。表4-1測點1~6橫波速度反演結(jié)果表sVs-西南科技大學層號層號深度(s)s深度(s)深度(s)VVs可以看出，地層橫波速度總體隨深度加深呈增大趨勢，深度在20m左右出現(xiàn)低速夾層，橫波速度值不超過200m/s。歸納各點橫波速度結(jié)構(gòu)并結(jié)合驗證孔地層結(jié)構(gòu)情況，確定測線下方從上向下依次分布四層地層：1、地表至8米深度左右，橫波速度97?207孔隙發(fā)育，天然狀態(tài)下垂直節(jié)理十分發(fā)育，遇水顯濕陷性，強度很低。該層在陡坡處出現(xiàn)相對滑動。2、黃土層下方，波速范圍227?263(m/s),為黃土質(zhì)砂粘土：黃褐色，結(jié)構(gòu)致密，垂直節(jié)理發(fā)育，無層理，無濕陷性，抗剪強度較高?；酁橥翣?，位于地下水位以下，遇水軟化，抗剪強度極低。該層即為滑動帶。4、最底層的橫波速度明顯增大，超過400(m/s),為砂巖：灰色-灰白色，堅硬，抗剪強度高，頂部具有3-5米的風化帶，具有垂直節(jié)理，但其空隙和節(jié)理中往往充填了粘土物質(zhì)而形成相對的隔水層，易于形成滑坡面。坡沿河堤走向的地層解釋剖面，圖4-6為該滑坡沿滑坡軸方向的地層解釋剖面。瞬態(tài)面波方法在該滑坡勘察中的應用取得了良好的效果：為滑坡治理方案的設計提供了地層分層參數(shù)；節(jié)約了勘察成本，縮短了勘察周期，為滑坡的治理贏得了寶貴的時間；采用面波勘探方法，避免了大量鉆探工作對土體的擾動而加速-H西南科技大學滑坡體的滑動巖性推述巖性推述黃土=淺黃豐.結(jié)構(gòu)疏松.孔陳發(fā)育n孑黃土質(zhì)砂輅七黃褐邑*=!結(jié)構(gòu)救蚣無層理.-直節(jié)理.強風化.彳砂巖=灰白-灰色，堅￥BCHM》巖性呼號深度■-::—各點頻敢（VR-H）曲線對比顯示用□*-8d-12H-16d-2tHM述奸001503204DQ?-西南科技大學刮用橫波速度結(jié)構(gòu)解釋的地質(zhì)剖面圖滑城刑面圖匝面及科距離5)本文結(jié)合工程實例，對瑞利波勘察的方法可以得出以下結(jié)論和認識：1、瞬態(tài)瑞雷波法用于淺層地質(zhì)勘探和工程檢測具有高效，環(huán)保，經(jīng)濟，抗干擾強等優(yōu)點，在中間夾軟弱低速層的復雜地層條件下也能使用，能夠彌補傳勘2、多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理過程中，采用頻率-波數(shù)譜分析法求取頻散曲線效率-西南科技大學高，結(jié)果很穩(wěn)定，但其只能反映地層在橫向變化的平均效應。3、不同結(jié)構(gòu)類型地層的面波頻散特征不同，相應的面波采集處理方法也應不一4、在實際面波勘探工作中，應該根據(jù)測區(qū)面波資料與地