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内容摘要：交河故城台地边缘向内20m的范围内，结构面大量发育，严重切割台地土体，已成为危害交河故城台地稳定性的首要隐患。因此，掌握结构面在空间上的发育特征，成为研究台地土体破坏机理和科学保护加固的关键；由于台地土体属于文物的范畴，结构面在空间的发育特征无法采取常规有损的探测手段，本文利用面波探测方法对结构面在空间上的发育特征进行了初步研究，试验结果表明，多瞬道面波技术可以较为准确地判别出裂隙的长度、张开度和空间延展形态，从而为交河故城抢险加固工程提供了科学的依据。
关键词：交河故城；结构面；面波探测；研究
中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106(2007)05-0074-04
前言
交河故城为全国第一批重点文物保护单位，坐落在吐鲁番西面大约10km处的雅尔乃孜沟旁，是古代西域“城郭诸国”之一的车师前国的都城。历经2000多年战火和自然作用的洗礼，故城已遭受了严重破坏，尤其是故城台地土体在地质内外营力的共同作用下，已经处于极度危险的状态。台地边缘结构面密布，卸荷裂隙和节理最为发育，大部分卸荷裂隙和节理共生发育，相互连通，切割台地，形成巨大的不稳定体，目前已成为危害交河故城台地稳定性的首要隐患。因此，如何正确评价台地裂隙的空间分布特征，关系到台地抢救加固工程的科学性和经济性，但是由于台地土体是文物这一特殊性，大型的破坏性钻探和坑探工程不能运用，面波探测方法以其无损伤、高精度的特点成为研究的首选。
一 台地土体结构面的平面发育特征
1.1 结构面平面分布特征
台地上较为发育的结构面主要分布在台地边缘向内20m范围内，平面分布不均匀。东北边较西北边发育、密集，对台地土体的切割破坏严重。裂隙与台地边缘平行延伸并侧切台地，纵横交错将崖体切割为一面临空，或后缘裂隙与侧切裂隙贯通将崖体切割为板状、柱状、楔状体等，构成有利的破坏边界。后缘裂隙延伸长，最长可达50m，其中节理呈“之”字形延伸。卸荷裂隙的发育与台地微地形地貌关系密切，台地转弯处裂隙明显密集。
1.2 结构面类型及特征
台地发育的结构面主要有节理、卸荷裂隙两种类型，节理发育大致归类为三组。卸荷裂隙一组发育(表1)。节理以走向25°和走向325°两组最为发育；卸荷裂隙，北西走向，均值328°；两种类型结构面的倾角均较为大，近于直立。
1.3 结构面规模
结构面规模主要指其长度或延续性、切穿性及裂隙深度。通过平面调查发现，卸荷裂隙长度呈正态分布，数量多，以1-3m和3-5m居多，各占总裂隙的30％以上，最长可达50m；其次为5m-10m，占总裂隙的22％；长度大于10m的占裂隙数的10％以上；小于1m者仅占1％。多数延伸长度大者为与崖体边缘平行的卸荷裂隙，追踪节理发育，两组节理长度多在1-5m，侧切崖体。
二 结构面立面特征调查中存在的问题
由于台地发育的卸荷裂隙均以较大倾角向下发育且倾角出现小幅变化，张开度也随着裂隙切割深度呈现一定梯度的递减变化且台地土体四面临空，构成20-30m不等的高大陡直边坡。因此，裂隙在台地面的观测深度非常有限，无法得出裂隙的具体立面延伸长度，进而裂隙在立面的张开度变化和充填状况无法精确的测绘或计算得出。常规的探测手段如坑探、钻探等虽能较为直观的反映裂隙在空间的发育特征，但是对于台地的破坏性是巨大而不可逆的，与文物保护的宗旨和精神背道而驰，因此，一种无损伤的高分辨率、高精度的探测和合理的探测方法成为解决问题的关键所在。
三 面波探测的基本原理
面波探测也称弹性波频率测深。瞬态面波技术是利用弹性面波中能量最强、振幅最大、频率最低、易识别测量的瑞利波进行工作，具有仪器设备轻便，对探测场地条件要求低，探测速度快等优点。
面波是一种特殊的地震波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，瑞利波是由SV波与P波干涉而形成，其能量主要集中在介质表面附近，能量的衰减与传播距离与r成正比，要比体波(P波和s波)衰减慢得多。传播过程中，介质的质点运动轨迹为长轴垂直于地面、逆时针方向旋转的极化椭圆，并以高度约一个波长(λR)的圆柱体为波前向外扩散传播。在瞬态激震下，地面产生的瑞雷波沿地面传播，其穿透深度约为一个波长，同一波长的瑞雷波传播特征反映了介质性质在水平方向的变化情况，而不同的波长则反映了不同深度的地下情况。由于面波的能量主要集中在半波长以内，因此，地面测得的瑞雷波速度Vr反映的主要是半波长深度范围内介质的性质。
当用重锤激振地面时，利用不同频率f的瑞雷面波，得到不同深度范围波速Vr。绘出面波勘探点的Vr-H曲线(即频散曲线)。由勘察原理可知，频散曲线上Vr反映的是一定水平范围及从零到半波长地层内的平均速度。然后通过Vr-H频散曲线，反演解释出不同岩土层的面波波速Vr。利用多个面波点排列，即可绘制面波波速等值线断面图，还可直接利用反演解释结果绘制地层推断解释图。
四 面波探测台地土体结构面立面形态的初步试验
在交河故城台地结构面立面测试条件尚不具备的情况下，选取交河台地附近同一时期2#台地一处结构面发育处(图1)，该结构面与交河故城台地大多数卸荷裂隙发育机制相一致，具有典型的代表意义，按照实验方案开展了面波裂隙测深的试验工作，以苏州一光OTS534全站仪与北京水利水电研究所的SWS-1型多功能综合物探仪组成的联合观测系统进行数据采集工作(图2)。
4.1 面波现场探测
为取得合适的道间距、偏移距、激震能量、采样时间与间隔等采集参数，在实测工作之前，首先进行试验，通过多种方案对比分析，确定了合理的采集参数，实测采用12道检波器接收，并将检波器对称埋置在勘探点一侧，震源点和检波器沿垂直滑动方向在平坦的平台排列，测线沿垂直方向布置，在排列单侧激振。由于本次探测要求精度高，需要反映浅部详细信息，选用28Hz、38Hz、100Hz的检波器接收，采样点数为2048个，以8磅和0.5重磅激振。为避免丢失面波某一频段的信息，采用全通档滤波方式，为增强激发信号，提高信噪比，采用5-10次叠加。
4.2 探测成果的整理、分析与解释
探测点布置工作依据探测目的及有关规程规范，沿结构面立面延展方向布置面波测点2个、测点间距1m，经室内整理，汇总分析得到100Hz检波器接收、0.5m道间距、1m偏移距2048采样点为探测该裂隙的最佳方案。据此解译采集波形，得到最优频散曲线2组(图3、4)，并经波速反演与正演，得到波速印象彩色图(图版17)和面波地质剖面各1个(图5)。波速印象彩图和面波解译地质图较为准确、直观地反应了该处裂隙L1、L2的立面形态特征、张开度以及与表层土体之间的距离。
4.3 探测成果的校核
为了验证面波探测裂隙形态的可行性与准确性，探测后对探测裂隙进行了现场开挖比较，对比结果(表2)显示，面波对裂隙立面形态探测结果准确，与实际裂隙发育情况偏差极小，具有可信度与准确性。
五 结论
5.1 交河故城台地土体结构面大量发育，对台地土体的切割破坏严重，构成有利于台地土体破坏的组合方式，已成为危害交河故城台地稳定的首要隐患。
5.2 初步面波探测结果显示，面波作为一种无损伤高精度探测手段完全满足卸荷裂隙立面延展形态精确探测的研究目的，是台地土体结构面空间发育特征研究的有效手段。
5.3 探测结果的正确性关键是研究者对于研究对象的理解程度以及合理的探测方案。
致谢：
本次研究工作得到了敦煌研究院张鲁高级工程师的关心和支持，在这里对他表示由衷的谢意。
责任编辑：齐双吉
关键词：交河故城；结构面；面波探测；研究
中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106(2007)05-0074-04
前言
交河故城为全国第一批重点文物保护单位，坐落在吐鲁番西面大约10km处的雅尔乃孜沟旁，是古代西域“城郭诸国”之一的车师前国的都城。历经2000多年战火和自然作用的洗礼，故城已遭受了严重破坏，尤其是故城台地土体在地质内外营力的共同作用下，已经处于极度危险的状态。台地边缘结构面密布，卸荷裂隙和节理最为发育，大部分卸荷裂隙和节理共生发育，相互连通，切割台地，形成巨大的不稳定体，目前已成为危害交河故城台地稳定性的首要隐患。因此，如何正确评价台地裂隙的空间分布特征，关系到台地抢救加固工程的科学性和经济性，但是由于台地土体是文物这一特殊性，大型的破坏性钻探和坑探工程不能运用，面波探测方法以其无损伤、高精度的特点成为研究的首选。
一 台地土体结构面的平面发育特征
1.1 结构面平面分布特征
台地上较为发育的结构面主要分布在台地边缘向内20m范围内，平面分布不均匀。东北边较西北边发育、密集，对台地土体的切割破坏严重。裂隙与台地边缘平行延伸并侧切台地，纵横交错将崖体切割为一面临空，或后缘裂隙与侧切裂隙贯通将崖体切割为板状、柱状、楔状体等，构成有利的破坏边界。后缘裂隙延伸长，最长可达50m，其中节理呈“之”字形延伸。卸荷裂隙的发育与台地微地形地貌关系密切，台地转弯处裂隙明显密集。
1.2 结构面类型及特征
台地发育的结构面主要有节理、卸荷裂隙两种类型，节理发育大致归类为三组。卸荷裂隙一组发育(表1)。节理以走向25°和走向325°两组最为发育；卸荷裂隙，北西走向，均值328°；两种类型结构面的倾角均较为大，近于直立。
1.3 结构面规模
结构面规模主要指其长度或延续性、切穿性及裂隙深度。通过平面调查发现，卸荷裂隙长度呈正态分布，数量多，以1-3m和3-5m居多，各占总裂隙的30％以上，最长可达50m；其次为5m-10m，占总裂隙的22％；长度大于10m的占裂隙数的10％以上；小于1m者仅占1％。多数延伸长度大者为与崖体边缘平行的卸荷裂隙，追踪节理发育，两组节理长度多在1-5m，侧切崖体。
二 结构面立面特征调查中存在的问题
由于台地发育的卸荷裂隙均以较大倾角向下发育且倾角出现小幅变化，张开度也随着裂隙切割深度呈现一定梯度的递减变化且台地土体四面临空，构成20-30m不等的高大陡直边坡。因此，裂隙在台地面的观测深度非常有限，无法得出裂隙的具体立面延伸长度，进而裂隙在立面的张开度变化和充填状况无法精确的测绘或计算得出。常规的探测手段如坑探、钻探等虽能较为直观的反映裂隙在空间的发育特征，但是对于台地的破坏性是巨大而不可逆的，与文物保护的宗旨和精神背道而驰，因此，一种无损伤的高分辨率、高精度的探测和合理的探测方法成为解决问题的关键所在。
三 面波探测的基本原理
面波探测也称弹性波频率测深。瞬态面波技术是利用弹性面波中能量最强、振幅最大、频率最低、易识别测量的瑞利波进行工作，具有仪器设备轻便，对探测场地条件要求低，探测速度快等优点。
面波是一种特殊的地震波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，瑞利波是由SV波与P波干涉而形成，其能量主要集中在介质表面附近，能量的衰减与传播距离与r成正比，要比体波(P波和s波)衰减慢得多。传播过程中，介质的质点运动轨迹为长轴垂直于地面、逆时针方向旋转的极化椭圆，并以高度约一个波长(λR)的圆柱体为波前向外扩散传播。在瞬态激震下，地面产生的瑞雷波沿地面传播，其穿透深度约为一个波长，同一波长的瑞雷波传播特征反映了介质性质在水平方向的变化情况，而不同的波长则反映了不同深度的地下情况。由于面波的能量主要集中在半波长以内，因此，地面测得的瑞雷波速度Vr反映的主要是半波长深度范围内介质的性质。
当用重锤激振地面时，利用不同频率f的瑞雷面波，得到不同深度范围波速Vr。绘出面波勘探点的Vr-H曲线(即频散曲线)。由勘察原理可知，频散曲线上Vr反映的是一定水平范围及从零到半波长地层内的平均速度。然后通过Vr-H频散曲线，反演解释出不同岩土层的面波波速Vr。利用多个面波点排列，即可绘制面波波速等值线断面图，还可直接利用反演解释结果绘制地层推断解释图。
四 面波探测台地土体结构面立面形态的初步试验
在交河故城台地结构面立面测试条件尚不具备的情况下，选取交河台地附近同一时期2#台地一处结构面发育处(图1)，该结构面与交河故城台地大多数卸荷裂隙发育机制相一致，具有典型的代表意义，按照实验方案开展了面波裂隙测深的试验工作，以苏州一光OTS534全站仪与北京水利水电研究所的SWS-1型多功能综合物探仪组成的联合观测系统进行数据采集工作(图2)。
4.1 面波现场探测
为取得合适的道间距、偏移距、激震能量、采样时间与间隔等采集参数，在实测工作之前，首先进行试验，通过多种方案对比分析，确定了合理的采集参数，实测采用12道检波器接收，并将检波器对称埋置在勘探点一侧，震源点和检波器沿垂直滑动方向在平坦的平台排列，测线沿垂直方向布置，在排列单侧激振。由于本次探测要求精度高，需要反映浅部详细信息，选用28Hz、38Hz、100Hz的检波器接收，采样点数为2048个，以8磅和0.5重磅激振。为避免丢失面波某一频段的信息，采用全通档滤波方式，为增强激发信号，提高信噪比，采用5-10次叠加。
4.2 探测成果的整理、分析与解释
探测点布置工作依据探测目的及有关规程规范，沿结构面立面延展方向布置面波测点2个、测点间距1m，经室内整理，汇总分析得到100Hz检波器接收、0.5m道间距、1m偏移距2048采样点为探测该裂隙的最佳方案。据此解译采集波形，得到最优频散曲线2组(图3、4)，并经波速反演与正演，得到波速印象彩色图(图版17)和面波地质剖面各1个(图5)。波速印象彩图和面波解译地质图较为准确、直观地反应了该处裂隙L1、L2的立面形态特征、张开度以及与表层土体之间的距离。
4.3 探测成果的校核
为了验证面波探测裂隙形态的可行性与准确性，探测后对探测裂隙进行了现场开挖比较，对比结果(表2)显示，面波对裂隙立面形态探测结果准确，与实际裂隙发育情况偏差极小，具有可信度与准确性。
五 结论
5.1 交河故城台地土体结构面大量发育，对台地土体的切割破坏严重，构成有利于台地土体破坏的组合方式，已成为危害交河故城台地稳定的首要隐患。
5.2 初步面波探测结果显示，面波作为一种无损伤高精度探测手段完全满足卸荷裂隙立面延展形态精确探测的研究目的，是台地土体结构面空间发育特征研究的有效手段。
5.3 探测结果的正确性关键是研究者对于研究对象的理解程度以及合理的探测方案。
致谢：
本次研究工作得到了敦煌研究院张鲁高级工程师的关心和支持，在这里对他表示由衷的谢意。
责任编辑：齐双吉