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瞬态面波技术是近年来发展起来的一种新的工程物探方法,在水利水电、公路、铁路、煤田和工业与民用建筑等领域有着广泛的应用,它的解决问题的能力和应用效果是传统物探方法不可替代或比拟的。与传统的物探方法相比,瞬态面波技术有着明显的优势,如成本低、工效高;源检距小,几乎不受场地的限制;能量大,易于激发和观测;VR较低,分辨率高;利用VR可求出横波速度,进而换算出剪切模量、标贯值、地基承载力等岩土工程参数。尽管如此,瞬态面波技术在震源、检波器、处理和反演解释等方面尚需进一步探讨和完善。为此,本文重点研究了锤击、重锤和炸药震源的频率特性和能量特征;深入探讨了多道瞬态面波技术的偏移距和道间距理论要求,强调依据现场试验选取合理观测系统的重要性;详细阐明了目前瞬态面波处理软件包之外的几种简单易行的处理方法的必要性和重要性。
数据采集是瞬态面波技术在工程勘测中成功应用的前提和基础,它涉及到硬件设备(主要包括仪器、检波器和震源)和观测系统的选择两个方面。目前在我国水利水电行业中用于瞬态面波技术的仪器主要有SWS系列仪器、ES2401、ES2404、R24和S12等常规地震仪;所用检波器的中心频率多为10Hz或4Hz,因为宽频带的检波器是得到良好面波记录的基本要件,一般要求在预期的频段具备平稳的幅度和相位特性;震源一般有锤击、重锤(也叫落重)和炸药三种方式,它们所激发面波的频率特性取决于激发脉冲的能量和激发地点地层的刚度,一般来说,激发能量越大或围岩越软,产生的面波越富含低频成份,因此,重锤是瞬态面波的理想震源,而且增加锤重和落距,有利于得到更丰富低频成份的面波信号。另一方面,必要的试验工作是选择恰当的瞬态面波观测系统的基础,瞬态面波的面波“最佳窗口”应遵循以下几个原则:(1)排列必须设计在面波区域内,且要有足够的记录长度;(2)尽可能地采集到单一的波型,即尽量避免直达波的后续波或反射波、折射波干扰面波;(3)采集到的波形不能()真;(4)由于目前主要是利用基本振型的面波来评价岩土工程地质的物性和构造问题,所以在选择观测系统时还应避免高阶振型面波的干扰。目前,瞬态面波技术一般有共检波器中点几何图形观测系统和检波器纵向排列观测系统两种,其中后者是水利水电勘测中常用的瞬态面波观测系统。合理的道间距和偏移距主要是根据现场试验以及现场的地层情况和探测目来选择,一般来说,道间距Δx和两信号的相位差Δφ应分别满足:λR/3<Δx<λR,2π/3<Δφ<2π;而偏移距的选择则要考虑不同深度地层信息的详细程度和可靠程度,如果要想获得浅部地层的较为详细信息,应该在有效避开直达波、高阶波等干扰波的前提下,偏移距应尽可能地小一些;反之,偏移距则应尽可能地大一些。
瞬态面波资料的处理和解释包括瞬态面波的识别、分离和提取、瞬态面波速度的计算和确定以及“之”字曲线的反演和解释等等,其核心问题是面波速度的计算和“之”曲线的确定,这就需要合理的、恰当的处理手段和方法,在实际工作中最常用的处理方法主要有切除、频率滤波、能量衰减(增益控制)、F-K滤波和τ-P变换等,但由于层状介质中面波的频散特性决定了其频散方程的非线性,在τ-P域内面波并不能收敛成P轴上的一个“点”,而是分散在反射波椭圆之外(P>PR)区域中的一些零散点,所以在实际工作中τ-P变换只是偶尔作尝试性应用。实践表明,借助于切除、频率滤波、能量衰减、F-K滤波等手段来处理和利用空间自相关法(SPACE法,也叫互谱法)、频率—波数法(F-K法)、时频分析法等方法来求取面波相速度和频散曲线就能取得较好的效果。
在水利水电勘测中,利用瞬态面波技术进行第四系分层和探测软弱地质体或异常体最为广泛,效果也较好,也是其它物探方法难以实现和替代的;利用瞬态面波技术进行工程检测主要是由于面波速度VR与剪切波速度Vs比较接近,且有明确的换算关系,并由此可以得出其它相关的岩土力学参数,实际应用成果表明,利用瞬态面波技术来测定Vs、VP、γ、e、E、G等岩土力学参数和检查工程质量具有效率高、成本低和成果可靠的特点,已为广大的工程技术人员所接受。