8瞬态多道瑞利波勘探技术李哲生.doc

瞬态多道瑞利波勘探技术的原理
方法、仪器设备和应用实例
李哲生
(福建省建筑设计研究院)

提要
本文阐述了瞬态多道瑞利波勘探的原理和方法，提出了适用该方法的仪器和设备工程为实例，介绍了这种方法在岩土工程勘察中的应用。
关键词瑞利波稳态法瞬态法瞬态多道瑞利波勘探技术
一前言
在进行折射法和反射法地震勘探时，由纵波激震震源产生的地震波在传播过程中，不可避免地产生瑞利波，为了取得折射波的初至或反射波的同相轴，需要选择合适的窗口和滤波，将瑞利波作为干扰波设法排除。但近些年来，人们已成功地利用瑞利波传播过程中的频散特性，将其应用于岩土工程勘察中来。
瑞利波勘探法根据震源形式不同可分为二大类：一为稳态法，另一为瞬态法。前些年，主要以稳态激振方法为主，其代表为日本VIC株式会社的GR-810、GR-830地下勘探机。国内也有一些类似的仪器设备，它们的勘探原理都相同，即利用扫频仪和功率放大器发出的谐波电流推动电磁激振器对地面产生稳态面波，由相隔一定距离的拾振器将接收到的面波振动转换为电压量送入计算机(频谱分析仪)进行相关计算，得出频散曲线。
由于稳态激振面波勘探方法设备较为复杂，重量也大，随之根据其原理，出现了瞬态面波勘探方法，其设备较为轻便，测试速度快。但也有许多缺点，其一是瞬态激振的功率密度谱分布不均，许多频率能量大小，随机干扰大，以致于频散曲线与理论相差太大，常常无法利用。其二是仍按照稳态激振面波勘探方法接收地面震动波，致使所有的波，如反射波、折射波、直达波等均作为干扰波而与面波混在一块，有可能导致误差较大的结果，这也是稳态激振面波勘探方法主要缺点之一。为了克服这些缺点，目前发展了一种新的面波勘探方法--瞬态多道瑞利波勘探技术。它的激振可采用不同材料和质量的锤或重物下落激振，在地面布置多个拾震器，并选择最佳面波接收窗口接收震动，通过多次迭加多道和相关迭加，使得频谱能量加大，干扰减小。据此，北京水电物探研究所(原北京华水物探研究所)研制了SWS多功能面波仪，并将分析处理软件装入计算机内。经过许多工程应用表明，这种方法在地基场地土类型和建筑场地类别的划分、建筑场地土层的划分、地基加固效果评价、灾害地质体调查等方面应用具有轻便、快速、准确等特点。

二方法原理
在地面施一适当的竖向激振力(可用大锤敲击地面或吊高重物自由下落)，地下介质中可产生纵波、横波和瑞利波，可用如下的波动方程来描述它们的运动。

其中，为质点位移场的势函数，Vp和Vs分别为纵波和横波的速度。对于平面波可得(1)式的一个解为：
（X，Y，Z，t）=A
（X，Y，Z，t）=B
式中：V1=[1-(Vr/Vp)]V2=[1-(Vr/Vs)]
K为波效，Vr为瑞利波速，A、B为常数。
由(2)式可得到为瑞利波传播的二个特性：一是瑞利波振幅随深度衰减，能量大致被限制在一个波长以内；二是由地面振动波的瞬时相位可确定瑞利波传播的相速度。瞬态面波法即根据这二个特性，在相距一定距离的地面二点安置拾振器，接收面波振动，通过频谱分析，作出波长—波速频散曲线，从而算出地下土层的瑞利波速Vr。瑞利波速和横波波速的关系为
Vs=（为泊松比）
当从0.25至0.5时，Vr/Vs从0.92至0.95。由此可将瑞利波波速换算成横波波速。
瞬态多道瑞利波是在地面上沿着面波传播的方向布置间距相等的多个拾振器，一般可为12个或24个。选择适当的偏移距和道间距，以满足最佳面波接收窗口和最佳探测深度。将多个拾振器信号通过逐道频谱分析和相关计算，并进行迭加，得出一条频散曲线，从而消除了大量的随机干扰，信号中各频率成分能量大为增强，使得地质体在频散曲线上的反映更加突出，判断准确性大大增强。

三瞬态多道瑞利波的采集方法

在时域内，面波采集的质量好坏，直接影响到计算出的频散曲线。与反射法地震勘探方法相同，瞬态多道面波勘探也存在一个最佳窗口问题。弹性波在时间空间域内传播时，其各种波型(直达波、折射波、反射波、声波和面波)均遵循各自的传播规律，在应用瞬态多道瑞利波方法时应注意；
1．各道采样必须设计排列在面波域内，且采集到足够长的记录
2．尽量使采集到的波型单一，即；不使直达波的后续波或反射、折射波干扰面波，同时避免周围的干扰振动。
3．采集的波形不能失真。
根据以上原则，在设计排列时，应按照不同的探测深度选择不同的偏移距和道间距，偏移距较小时，产生的高频分量就大些，由之，浅部的信息就强些；若需突出深部信息，应使偏移距放大些，致使高频分量衰减，而低频分量突出。
同样也根据探测深度选择道间距。对于同样的道间距，反映深部的信号频率较低，传感器之间该频率的相位差较小，而为了突出有效信号，必须使相位差有一定的值，所以必须使道间距加大些。反之，减少道间距，避免相位差超过360度。
瞬态多道瑞利波法的激震可采用大锤或吊