瑞雷面波在地下管线勘查中的应用

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[摘 要]瑞雷面波是近地表勘探中常用的方法之一，具有其他地震勘探没有的优点：分辨率高、适用条件广泛、简单易操作等，并且已经比较成熟的应用于各种领域，特别是在管线和地下空洞的勘探中具有很好的效果，因此研究地下管线的瑞雷面波波形特征具有重要意义。

[关键词]瑞雷面波；频散

中图分类号：TG296 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0226-01

1 研究目的和意义

近年来，滑坡调查、工程地质勘探、地下空洞、溶洞、飞机、火车、高速跑道安全检测等与周围性质明显不同的情况成为大型工程中的问题，因此探测地下实际情况是具有非常实用的意义，这样我们可以预防一些大型地质灾害。随着科技的发展，瑞雷波的频散特性也被人们发现，频散特性就是在不均匀的介质中，瑞雷面波传播是同时含有不同频率的，不同频率的波具有不同的波速，人们利用它的这一特性在探测地下实际情况中得到了较好的效果。例如在大面积、厚度较大的碎石、卵石、漂石等粗颗粒土层地区进行岩土工程勘察工作，钻探难度较大，如采用瑞利波法勘探，配合钻探工作，则显示其巨大的优越性，能够有效的提高勘察效率及勘探精度，并可明显的降低勘察成本。[1]因此，对瑞雷面波法进行更深的研究具有很大的意义。

2 国内研究现状

在我国，在1987年，铁路系统首先引进GR2810型面波勘探只是用于解决铁路和公路路基的勘探问题，在同一年河北省地球物理勘察院率先应用浅层地震仪和国产电磁激振器组装成的勘探仪器，开展了瑞雷面波法的试验研究。1989年，杨成林等人利用TER2RALOG浅震仪配备国产可控震源以及自制的附属设备，组成了稳态瑞雷波法勘探系统，进完成了划分第四纪地层、评价地基处理效果等方面的研究。近几年来，在瑞雷波勘探的基础理论和基本应用等方面取得了大量可喜的研究成果。国内外关于瑞雷波勘探方面的实践和理论研究目前日益增多。[2]

但根据目前来看，目前人们对瑞雷面波的认识还不完整，瑞雷面波的反射特性等研究还十分不成熟。所以总结分析瑞雷波勘察技术的来源和现在的状况，探讨瑞雷波勘察技术将来的研究方向是有其实在的应用价值的。

3 瑞雷面波勘探简介

当地震波在到达明显和周围介质性质不同的界面时，一般是速度、弹性、密度等的性质，这时可能会产生反射、折射，同时产生只沿着界面传播的面波。我们把沿地球表面传播或沿界面传播的波叫面波。面波主要分为两种不同类型的波：一种是质点在波的传播方向垂直平面振动，这种波的质点的运动轨迹主要是椭圆形状的，这个椭圆是沿逆时针运动的，而且传播的振幅随深度变大时呈指数关系快速衰减的，而且横波波速稍比它的传播速度稍大；[3]另一种是质点在垂直于波传播方向的平面内振动。前一种类型的波是最初由英国学者瑞雷在理论上确定的，叫瑞雷波；后一种类型的波由拉夫从数学理论方面上加以证明其的存在，叫拉夫波。

3.1 瑞雷面波勘探的分类

根据激发震源的不同，我们可以把瑞雷面波勘探具体分为：瞬态法、稳态法。[4]稳态法是使用激发装置激发出一定单频的简谐振动，从而在所勘探的介质中产生所需要探测的瑞雷波。我们不断地改变仪器输出的频率，就可以得到不同频率所对应的瑞雷波相速度。稳态法所需要的时间比较长，实际操作也更成熟些。缺点是仪器比较大比较不好操作，现场勘探费时。瞬态法是使用重锤在介质表面激发信号，进而在地下介质中激发出具有一定频率带宽的波动，然后提取出瑞雷波相速度，得到瑞雷波的频散曲线。[5]瞬态法则具有轻便、快捷效率高的特点。所用的采集系统就是地震勘探数据采集系统。实际上天然地震也是属于瞬态法勘探的，只不过天然地震的震源形式不同，而且它的信号的记录方法和勘探目的也不相同而已。瞬态瑞雷波法实验所采用的仪器比较容易操作，采集速度比较快，只是瞬态法提取瑞雷波相速度的方法比较复杂难懂，而且它探测深度必须是浅层的。[6]

3.2 瑞雷面波勘探城市中地下管线的可行性

因为城市中地上空间的限制，城市中的地下管线错综复杂，生活中的许多方面都需要管线，涉及到排水、燃气、电力、通信等行业，这些行业是城市赖以生存和发展的物质基础之一。这些地下管线组成城市管线网，是一个城市能够可持续发展的基础保障，但是面对城市建设的高速发展，地下管线管理分散带来的问题也日趋严重，各行业私自在地下铺设管线，因施工造成管线损坏导致城市的停电、停水、停气也经常发生，这都深深的影响了人们的日常生活的进行，因此探测地下管线的需求日趋强烈，瑞雷波不同于其他的面波，具有用于地下探测非常优越的优势，先说下瑞雷波法具有的特点：

1）瑞利波是由不均匀的P波和SV波叠加而成，P-SV波耦合的面波。

2）瑞利波可以在半无限均匀弹性介质空间上传播时无频散，传播速度小于S波的传播速度，大约为S波速度的0.9194倍。

3）瑞利波沿自由面传播，其振幅随深度大体呈指数衰减。瑞利波在地表面的质点运动轨迹为逆进椭圆，垂直方向振幅约为水平方向的1.5倍。大约在1/5波长深度以下，质点震动轨迹为顺进椭圆。

4）半无限非均匀弹性介质空间（如分层均匀的空间）的自由面上也存在瑞利波，但这种瑞利波存在频散。由于地球不是均匀介质，且通常地下深层的波速比浅层的快，频率愈低（波长愈长）的瑞利波穿透的深度愈深，因而传播速度愈快，所以在地震记录上低频波先到达，高频波后到。会形成瑞利波的有明显频散特征的记录。显然面波频散曲线可以作为反演地下介质速度结构的重要资料之一。

这些特点使瑞雷波在地下能够比较容易的区别出来，在使用瑞雷波探测地下情况时，主要是根据瑞雷波的频散特性，即不同的频率对应着不同的速度。我们可以在地表面沿着所需要测的物体走向，以道间距在地表布设N+1个地震检波器，所以我们的测量范围就是，同时设定瑞雷波频率为f，每两个挨着的检波器接收到的时间差为，则瑞雷波速度为如下式（2-6）、（2-7）

（2-6）

或者 （2-7）

因此在测量范围N大小内的平均速度为如下式（2-8）、（2-9）

（2-8）

或者 （2-10）

根据所获得的速度和其对应的频率，我们可以画出速度-频率（V-f）曲线图，再根据频率和波长、深度和波长的关系，可以直接推出速度-深度（V-h）曲线图，然后根据瑞雷波的特性，找出地下异常的地方。因此瑞雷波能够应用于城市中地下管线的探测。

参考文献

[1] 张正东.瑞利波法在岩土工程勘察中的应用[J].建筑科技与管理，2009年（第二期）.

[2] 祁生文，孙进忠，何华.瑞雷波勘探的研究现状及展望[J].地球物理学进展，2002年12月（第4期）.

[3] 孙洁娣.基于多地震动传感器的管道安全监测预警关键技术的研究[D].天津大学，2009.

[4] 杨善清.瞬态面波勘探在建筑地基勘察中的应用及问题探讨[J].商品与质量：建筑与发展，2012年（16期）.