摘要:多道瞬态面波勘察技术是近几年快速发展起来的高新物探技术，在工程勘察中有着广泛的应用前景。本文主要叙述了多道瞬态面波技术的勘察原理、技术方法以及数据处理解释，然后通过在电力工程勘察中的实际应用进行了研究和总结。
关键词:多道瞬态面波;高新物探技术;电力工程勘察
多道瞬态面波勘察技术 （ 以下简称面波技术 ） 是近几年快速发展起来的高新物探技术，利用其频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性可以解决诸多的工程地质问题。近几年，随着计算机的发展和对面波研究的不断深入，利用面波进行勘察得到广泛的发展，面波技术在近些年中成功应用于岩土工程勘察领域，在滑坡、断裂带、岩溶等不良地质体调查，以及地层划分等方面发挥了巨大作用。西北电力设计院自 2007 年引进了北京水电物探研究所的 SWS 面波仪，开展了大量的电力工程面波勘察工作，探索资料处理解释方法和应用范围，取得了良好的成果，也取得了显着的社会效益和经济效益。
1 方法原理
面波是指在弹性分界面处由于波的干涉而产生，并且沿界面传播且波动现象集中在界面附近的一种弹性波。具有以下几种主要特性 :
（1） 在均匀介质条件下，面波的传播速度VR与其振动频率 f （ 即面波的波长 ） 无关，面波在均匀介质中传播没有频散性。在不均匀介质中，面波的传播速度 VR是频率的函数，即面波的传播速度随着频率的变化而变化。面波在非均匀介质中具有频散特性。这是面波勘察的物理基础。
（2） 在多层介质中，面波具有明显的频散特性。面波沿地表传播，影响表层的深度约为一个波长，在深度约为半波长时，面波能量最大，因此某一波长的面波的速度主要与小于一个波长深度范围内的地层有关。这是进行面波勘察定量解释的依据。因此同一波长面波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播特性反映了不同深度的地质情况。
利用瞬态冲击力作为震源，激发包含多种频率成分的地震波，在地面上沿波的传播方向以一定的道间距 ΔX 设置 N+1 个检波器，就可以检测到面波在 N×ΔX 长度范围内的传播过程。
设面波的频率为 f,相邻检波器记录的面波的时间差为 Δt（ 或相位差为 ΔФ），则相邻道长度内面波的传播速度为 :【1】
在同一地段测量出一系列频率对应的值VR 就可以得到一条 VR ~ f 频散曲线，频散曲线的变化规律与地下介质条件存在着内在联系。
根据频散曲线和反演计算，就可以划分地下介质的分布形态。
2 野外施工参数设置
2.1 干扰波的处理
面波勘察野外数据采集时，会遇到很多干扰波，例如 :声波、直达波、反射波、折射波、多次反射波、绕射波、散射波，另外还会由于环境等影响会出现工业游离电、微震动等干扰。
由于有效波和干扰波在波的运动学和动力学方面的差异主要表现在频谱、视速度、波至时间、振幅、波形等方面。干扰波的处理措施主要为 :
（1） 设置合理的偏移距，可以使直达波、反射波、折射波、声波等规则干扰波与面波分离开，便于后续数据处理剔除干扰波。
（2） 对于不规则干扰波要通过试验找到其发生的规律，寻找合适的观测时间进行数据采集，减少其影响。在后续数据处理中滤波、叠加等数字处理手段进行压制。
在一个新的工作区域开展面波勘察工作之前，必须进行有效波、干扰波的试验工作，以了解规则和不规则干扰波的存在情况，从而确定观测系统和采集参数设计工作。
2.2 采集参数设置
2.2.1 检波器的选择一般采用动圈式检波器，除了要求防水性好、高保真、合理的阻尼系数、线形响应好外，更多是要考虑检波器的谐振频率。一般对于土层宜采用 4 Hz 或 10 Hz 的检波器，对精度要求高的浅部探测可以选用 28 Hz 的检波器。
2.2.2 偏移距的选择偏移距的选择可以确定合适的接收窗口，一方面可以使直达波、反射波等干扰波与面波在时间上能区分开，另一方面合适的情况下还可以使高阶面波和基阶面波分离开，得到更纯的面波。偏移距太小，不能分辨出面波和干扰波；偏移距太大，后震动的能量就减弱，影响分辨率。野外采集数据时，要根据场地条件进行试验后确定偏移距参数。
2.2.3 道间距的选择道间距的选择主要考虑到勘探深度与勘探精度。依据采样定理，对于面波而言，道间距要小于需要勘探的最浅深度所需波长的 1/2,才能保证在空间域 （x 方向 ） 不会出现空间假频 ;面波的勘察深度基本与排列的长度相当。
2.2.4 激振源的选择常用的激振源包括炸药、雷管、电火花、震源车、锤击等。实际工作中从电力勘察的成本、安全方面考虑一般采用锤击和落重两类震源。通过试验可以发现。
（1） 随着震源重量的增加，激发出的面波中低频率成分比重越大。
（2） 在等重量条件下砂土激发的面波频散曲线要好于力锤激发的曲线。
（3） 面波勘察工作，应根据勘察目的选择合适的震源，震源材质在条件许可情况下可尽量使用砂土，勘察浅部信息时宜采用重量轻的震源，激发高频率面波 ;勘察深部信息时，宜采用重量大的落重，激发低频高能量面波。
3 数据处理解释
面波勘察采集的数据是地震波时间 （t） 空间域 （x） 的震动信号，包括各种干扰波和有效的面波。所以需要对原始记录进行处理 :（1） 切除干扰波→拾取面波→ F - K 或 F - V 域谱分析→频散曲线计算→正反演拟合计算。（2） 在面波等速度剖面处理软件中，把同一测线上的测点面波数据文件输入，各测点按 （1） 处理，输入各测点地面的剖面位置坐标，软件根据各测点拟合曲线的面波速度，形成彩色的面波波速断面影像图，结合钻探等资料进行综合分析解释。
4 工程应用实例
4.1 滑坡勘察
滑坡是指斜坡上的土体或岩体，受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象。
滑坡，尤其是不稳定滑坡的对工程建设是一个巨大的威胁，因此了解滑坡或疑似滑坡的地质结构，对于其定性或治理都具有很重要的意义为了了解某滑坡体的基本形态，在场地内布置了两条面波测线，测线 1 平行于滑动方向，测线 2 垂直于滑坡滑动方向。测线 1 共布置面波测点 9 个，使用 SWS 型面波仪，采集参数为：
点距 2 m,偏移距 2 m,道间距 0.5 m,24 道采集，时窗 250 ms,激发震源为 25 磅力锤。第 5 个测点中心位置位于滑坡前沿的坎边，第 1、2 个测点的所有检波器位于滑坡体外 ;测线 2 布置在滑坡体上，所有检波器均位于滑坡体内，布置了 7 个测点。数据采用 F - V 法计算频散曲线，L - m 法反演，解释结果见图 1、图 2.
从平行滑动方向测线剖面图可以看出地层相对均匀，在表层以下存在一个速度变化带，推断为软弱夹层，应为地表水渗透顺基岩面流动造成其上土层变软弱，由于该处岩石中含云母较多，顺着基岩面的方向抗剪切能力降低，加上植被破坏严重、斜坡度数较大 （28° ）、坡脚修路挖土等因素造成土体出现滑坡。从垂直滑动方向的断面也可以看出在 7 m 深度以上存在软弱面，只是由于土层厚度不均匀，软弱面的深度稍有起伏。从面波勘察成果上看，面波技术能解决滑动面勘察任务。
4.2 软弱夹层勘察
该工程为某高压输电线路，线路经过地区为山区、厚角砾层，且存在缺水、冰雪、交通状况差等因素，为了查清塔基下的地层信息，在采用坑探等手段基础上，又采用了面波技术进行了补充勘察。
在某一塔基处进行了面波勘察，使用 SWS型面波仪，采集参数为 :采样点数为 1024,采样间隔为 0.2 s,道间距为 1 m,偏移距为 5 m,24 道采集，4 Hz 检波器接收，25 磅力锤为激发震源。解释成果见图 3,从图中可以看出 :该处地层的波速不是随深度逐渐增大的，在第二层下存在低速层，说明其中夹杂相对软弱的地层。
根据波速可以详细划分本地地层 :表层 0 ~ 5.0m 为中密角砾，局部厚度达 10.0 m ;下伏地层为密实角砾，在 18.0 ~ 22.0 m 深度存在中密角砾夹层。地层相对复杂，分布不均匀。经与后期施工验槽结果对比分析，与面波勘察结果基本吻合，满足勘察要求。4.3 冻土勘察某 500 kV 输电线路途经青藏高原多年冻土区，多年冻土指持续冻结时间在 2 年或 2 年以上的土 （ 岩 ）。多年冻土区勘察的重点是查明多年冻土的地层划分、冻土的分布范围及上限深度。常规的勘探手段如钻探等勘察多年冻土区，由于受严酷的工作环境限制较大，工作效率较低。本次工程采用面波技术，并结合钻探工作进行勘察。
使用 SWS 型面波仪，经现场调查了解 :现场地表平坦开阔，本地区多年冻土上限在数米以内。经过现场实验，最终采用采集参数 :采样点数为 1024,采样间隔为 0.2 s,道间距为1 m,偏移距为 5 m,24 道采集，4 Hz 检波器接收，25 磅力锤为激发震源。经过数据处理得到的频散曲线图如图 4 :【2】
可以看出，根据剪切波速可以把勘探深度内的地层分为 4 层 :表层 0 ~ 3.14 m 为第一层，土质疏松，波速较低，波速度为167.4 m/ s;第二层3.14~5.4 m,随着含冰量增加，波速增高，波速为 183.5 m/ s;5.4 ~ 11.81 m 为第三层，随着埋深增加，土质密实，含冰量增加，波速为 204.9 m/ s,11.81 m以下为第四层，波速 272.0 m/ s.由此推断 :3.14 m 为冻土融化界限，3.14 m 以下含冰量逐渐增加。后期该塔基钻探结果显示，地层数据如下：0 ~ 2.1 m 细砂，混少量角砾 ;2.1 ~ 3.4 m细圆砾土 ;3.4 ~ 4.9 m 细砂，3.4 ~ 3.6 m 含层状冰，3.6 ~ 4.9 m 含粒状冰 ;4.9 ~ 10 m 为粉质粘土，多冰冻土。经过与钻探结果对比分析，与多道瞬态面波勘察结果基本吻合，满足勘察要求。
5 结论
面波技术具有设备轻便、方法简单、效率高效等特点，面波技术在不良地质体 （ 如滑坡、断裂等 ） 勘察、划分地层 （ 如软弱夹层、基岩面、冻土 ） 有着良好的应用效果，也可以利用面波频散数据反演计算岩土体的力学参数。另外面波技术在复杂地层、深部勘察、反演技术方面需要开展更多的研究工作。同时面波勘察的资料解释要结合钻探等资料，从而提高解释的精度。
参考文献 :
[1] 西北电力设计院。面波技术在电力勘察中的应用研究 [R].西安 :西北电力设计院，2010 年。
[2] JGJ/T143 - 2004,1370 - 2004,多道瞬态面波勘察技术规程 [S].
[3] 单娜琳，程志平，刘云祯。工程地震勘探 [M].北京 :冶金工业出版社，2006.
[4] 刘云祯。工程物探新技术 [M].北京 :地质出版社，2006.
