随着我国水电资源开发的深入,天然的优良地基正逐步减少,我们不得不在深厚覆盖层上建设水利水电工程。然而,覆盖层中复杂地质情况的存在严重影响和制约了工程的选址和运行期的安全分析评价,也极大地提高了前期勘察的成本,因此,有效查明工程地质情况的重要性不言而喻。

获取工程场地的覆盖层厚度和地下岩体完整性参数是水利水电工程勘察的重要问题之一,直流电阻率法、大地电磁法、地震折射法和面波法是工程地质勘察常用的物探方法。在某些地质条件复杂的区域,如上覆铁帽地层的存在,致使地表含水率低、导电性差,直流电阻率探测技术在此地层探测中应用受到极大的限制;电磁类方法由于其频率较低,对地层分辨能力较差;常规地震折射方法受到震源的限制,也无法有效地解决深厚覆盖层厚度等问题。

近几十年来,随着地球物理探测技术的发展,瑞利面波(以下简称面波)凭借其快速、经济、易激发和受场地条件限制小等优点,迅速成为工程地质勘察中一种常用的工程物探技术^[1]。面波法主要分被动源面波法和主动源面波法两大分支^[2],主动源面波勘探受制于震源的影响,其探测深度一般在30 m范围之内;而被动源面波法探测深度较深,但其具有采集时间较长、勘探效率低等缺陷^[3]。

被动源和主动源面波法有各自的优缺点,将二者优点有机结合的面波勘探方法在近几年才出现。王振东^[4]于1998年提出有机结合被动源和主动源面波法进行勘探的方法,使其优势互补。Park C B等^[5]用实例证实了联合勘探法能有效地增加探测深度和提高频散数据精度。姜文龙等^[6]研究证实了人为场源补偿之后的天然源面波有效信号更为丰富,整个频散谱趋于收敛,连续性变得更好,尤其是和浅层相关的高频信息。席超强等^[7]采用伪随机震源作为面波数据采集的信号源,弥补了人工源面波法有效勘探深度不足,也解决了天然源面波法采集时间长、勘探效率低的缺点。

笔者以复杂地质问题入手,通过对比分析不同物探方法的应用效果,重点对采用场源补偿情况下的大深度面波勘探技术在解决复杂地质问题中能力问题进行了研究。

人工源面波勘探的基本原理是通过震源(锤击、落重等)激发地震波,根据地震波波场中不同频率面波传播的速度来确定地层的速度分布,推断地下构造的性质、部位和埋深^[8]。

图1所示,在激发面波后,面波沿着一定方向传播,通过在固定方向布置检波器来采集激发的面波信号。由于不同频率的面波传播深度的不同,所以不同的频率可以带来不同深度的速度信息。通过傅里叶分析等方式可提取面波中不同频率的速度,进而得到一个面波记录在不同深度中的速度信息^[9]。

如图1所示,无论人工源或者天然源面波,其实质是一种直达波。在震源激发后,面波以震源为中心产生的是一个柱面波,通过两个检波器之间的相位差,则可有效获取不同频率在两个检波器之间的传播时间,并结合两个检波器的距离计算相关的地层波速。

两个检波器观测到不同频率波长的相位差可以利用互相关方式计算,如式(1)所示:

在平面状态下,面波的传播可认为是直射线,如图2所示。在平面方向布置检波器R₁、R₂等接收面波信号。根据面波传播的理论,其检波器布置应该与面波传播方向一致,即应在S₁面波传播方向布置,然后分别在不同频率计算两道信号之间的相位差Δt₁,不同频率面波的相速度V₁=L/Δt₁。

由于采用被动源面波分析,所以面波传播方向复杂。当与测线方向呈一定角度的S₂面波传播到R₁与R₂时,计算可得R₁、R₂之间的相位差为Δt₂,按照式(1)所示,面波相速度V₂=L/Δt₂。在同等地层速度下,Δt₂是大于Δt₁的,由于面波属于柱面波,在平面上呈同心圆传播,因此根据波实际传播的路径,实际速度 V2'=L'/Δt₂=L×cosα/Δt₂。而理论上从S₃方向传播的信号获取的相位差将会是0,即S₃方向获取的速度将是无穷大。综上可得:

因此,在被动源面波分析中,最小的速度为最接近真实地层的速度。

为了获取不同方向面波传播特征,面波需布置为三角形状等其他形状,对各个方向的面波速度进行叠加,由于真实地层速度只有一个,而错误的地层速度随机分布,在频散谱的叠加中,其他错误方向的能量将被压制,以突出真实速度。而场源补偿的方式,即考虑观测系统的布置,有效地对信号主传播方向的能量进行补偿,以压制其他错误方向的信号传播,从而增加信号信噪比,提高观测精度。

图3和图4所示为同一测点未做补偿和进行补偿后的频散曲线对比。结合式(2)分析,最小的速度才是最接近地层的真实速度。由于未进行场源补偿的情况下,被动源中的面波传播方向不固定,因此在其观测速度很可能比实际速度是偏大的,这也导致了获得的深度等均与实际有较大偏差。在进行场源补偿后,相关频散谱也获得收敛,速度也变小,表明其速度分析精度更高。后期验证数据表明,其测量波速与实际波速接近,即在进行场源补偿后,信号的信噪比和速度精度将极大提高。

结合上述理论,本文将重点针对面波在复杂地质条件下与各方法的应用效果进行对比分析。

某水利工程坝址区,下伏基岩主要为辉绿岩,上覆地层为非均匀介质的第四系松散层,其主要由红褐色细砂、粉质黏土及磨圆度高的岩石和铁角砾岩细砾组成,厚度约10~40 m不等,两岸山坡顶部地表有一层厚度约1~2 m的铁帽层。由于表层铁帽主要呈现为导电性差和波速高等特征,因此铁帽的存在成了制约电法探测技术在本工程进行勘察工作的一大难题。

图5为现场采集的高密度电阻率法数据成果图。由于右岸山坡顶部为铁帽覆盖区域,其含水率低、导电性差,相当于一高阻屏蔽体,导致相关电流无法有效向下传播,在坡顶部形成 “上高下低”的电阻率分布;而在无铁帽覆盖的斜坡上,则对覆盖层厚度有一定反映。

为了消除电法的“高阻屏蔽”效应,另采用面波方法对覆盖层进行探测。由于瞬态面波探测技术在探测深度上有一定限制,而天然源面波在工作效率及现场工作场地需求方面要求较高,常规拟线性排列获取波速的精度存在一定问题。因此,对面波探测进行人工场源补偿,可极大提高探测精度和工作效率,同时探测深度也将获得极大的保障。

如前文图4所示即为本测区坝轴线右岸河床段面波勘探侧线上钻孔附近测点经场源补偿后的面波探测结果。上部第四系松散层主要为红褐色细砂、黏土及磨圆度高的岩石和铁角砾岩细砾组成,以连续分布为特点,下部为强~弱风化的辉绿岩。经与已知钻孔对比,第四系松散层及全风化辉绿岩面波波速在320 m/s以下,强—弱风化程度的辉绿岩面波波速在320 m/s以上,并以此原则判定覆盖层与下伏基岩的分界面。

图6为面波探测成果。在场源补偿情况下,面波探测有效解释深度约为60 m,自地表往下,面波波速随深度增加逐渐增大。第一层为覆盖层,在250~350 m桩号位置,顶部显示的即为铁帽覆盖层位置,面波波速在350~600 m/s之间,其他桩号区域主要为第四系松散层及全风化辉绿岩,面波波速范围在120~320 m/s之间;第二层为下伏基岩层,即强—弱风化程度的辉绿岩,面波波速在320 m/s 以上。且与高密度电法相比,在铁帽覆盖区域,基于面波探测出的基岩深度呈增大趋势,而常规电阻率探测方法,则无法有效地获取该区域的覆盖层深度。

某水利工程坝址区覆盖层主要为碎石土、壤土和黏土,下伏基岩为石灰岩,区域内有岩溶通道和断层构造存在。覆盖层和溶洞、断层破碎带因密度低、含水率高等特点,呈现低波速和低阻的特征;完整基岩则呈现相对高波速和高电阻率的特点。因此上覆覆盖层和下伏基岩之间,溶洞、断层发育区与完整基岩之间这种明显的物性差异,为探测覆盖层厚度和地下岩体完整性提供了良好的地球物理前提。

结合探测目的,本次研究主要利用了高密度电阻率法、面波法和大地电磁方法进行综合研究分析。

图7所示为测区内高密度电法获取的电阻率剖面。在0~110 m桩号范围内的地表覆盖层为干黏性土,含水率低,电阻率相对较高,对直流电的向下传播起到高阻屏蔽作用,无法有效识别覆盖层厚度。虽然对于黏土覆盖区域内的岩溶通道有一定的低阻反映,但受制于地表高阻体屏蔽的影响,整体效果较差。

图8所示的大地电磁探测成果图,其有效探测深度约200 m。由于电磁法受高阻屏蔽较小,因此可一定程度上获取深部信息。但是因其存在探测盲区,使得浅部50 m范围内有效信息很少。如图所示,由于大地电磁法存在一定的探测盲区,因此无法有效识别覆盖层厚度;对浅层存在的岩溶通道虽有一定的表征,但由于通道较浅,其反映并不强烈;而对于区域内较深部位存在的构造,则表征出明显的低阻异常,可有效地圈定断层的位置与倾向。

图9所示的面波成果,在采用场源补偿的情况下,其有效探测深度约70 m。由于覆盖层和下伏基岩之间,溶洞、断层发育区与完整基岩之间的波速存在较大差异,因此根据此特点便可有效分辨出覆盖层厚度和下伏基岩中存在的岩溶通道及断层分布。如图所示,根据面波速度变化梯度,设置260 m/s波速为覆盖层与下伏基岩的交界面,且其探测深度与两端已存在的钻孔揭示深度相一致;对于50 m桩号位置的岩溶通道具有良好的反映,且这种横向的分辨能力明显优于高密度电阻率法和大地电磁法;在探测深度范围内其对较深部位存在的断层也有一定反映,且其倾向与大地电磁探测出的结果相对一致。综合面波探测成果与大地电磁成果,可有效地解决覆盖层厚度、岩溶通道及断层破碎带等地质问题。

综合上述分析,对于一些复杂的地质情况,传统的直流电法应用能力受到了极大的限制,尤其在铁帽等高阻屏蔽区域,常规电法探测技术由于高阻屏蔽效应,导致相关电流无法有效向下传播,探测效果较差;大地电磁等方法由于其探测盲区的限制,浅层探测效果不佳,这也是其方法本身所不可避免的。

由于波速具有稳定性好、受外界干扰小等因素,在采用了场源补偿情况下的面波探测技术,其探测深度、精度均有一定程度的提高,可有效地解决70 m范围内的地质问题。在面对铁帽等高速体存在的情况下,大深度的面波探测技术可有效地避免传统瞬态面波陷入的高速屏蔽,获取的地层信息更加丰富。