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摘要：近年来，在山西省及国内其他地方因采矿等原因形成的欠固结土回填场地越来越多，随着架空输电线路的快速发展，在欠固结土地区进行勘察作业时选择高效、经济适用的勘察方法，显得非常重要。多道瞬态面波勘探技术是近几年研究及应用进展迅速的高新地球物理勘探技术，在工程勘察中有着广阔的应用远景。本文首先叙述了工程地震仪（SWS工程勘探与检测系统）多道瞬态面波勘探原理、技术方法以及数据处理解释，然后通过在山西省欠固结土地区架空输电线路勘察中的实际应用进行了研究和总结。
关键词：多道瞬态面波;欠固结土;架空输电线路勘察
Abstract：In recent years，more and more unfixed soil backfill sites have been formed in Shanxi Province and other parts of China due to mining and other reasons.With the rapid development of the power industry，especially overhead transmission lines，survey operations are carried out in under-consolidated soil areas.It is very important to choose an efficient and economical survey method.Multi-channel transient surface wave survey technology is a high-tech geophysical exploration technology that has been rapidly developed in recent years and has broad application prospects in engineering surveys.This paper first describes the survey principle，technical method and data processing explanation of multi-channel transient surface wave technology of Engineering Seismograph（Surface Wave System），and the research and summary were carried out through the practical application of overhead transmission lines exploration in the under-consolidated soil areas of Shanxi Province.
Key words：transient rayleigh surface wave;under-consolidated soil;overhead transmission lines exploration
0 引言
面波，顾名思义即沿地面表层传播的弹性应力波，因而也叫地滚波。面波分为瑞雷波（Rayleigh wave）和拉夫波（Love wave），而瑞雷波在振动波組中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞雷波勘探[1] 。
多道瞬态面波勘探技术（以下简称面波勘探）是我国工程技术人员于20世纪90年代新型地球物理勘探理论方法，在二十多年的工程勘察及工程检测中应用较为广泛。北京市水电物探研究所刘云祯等研制SWS型多功能瞬态面波仪面世，使面波的工程应用与研究在国内有了更大进展。面波勘探相对其他地震勘探方法具有以下优点[2] ：野外工作简便快捷，不受岩土饱水程度影响，浅层分辨率高，属单排列点测方式比较适用于地形切割起伏较大条件下的勘察工作等，从而使面波勘探在工程勘察领域得到了广泛的应用[2] 。在电力工程方面，特别是欠固结土地区的架空输电线路工程勘察中，国内应用较少。
本文通过面波勘探技术的适用条件、原理的介绍，解译成果与工程实例的钻探资料进行分析比较，就该技术进行介绍和探讨。
1 多道瞬态面波勘探技术特点
1.1 基本原理
按照激振震源的不同，面波有可分为天然源面波与人工源面波。按照激振方式不同，人工源面波法又进一步分为稳态面波法和瞬态面波法。
稳态面波法是通过改变震源的激振频率来得到不同波长的瑞雷波在地层表层的传播速度，形式类似于电法的频率测深，早期阶段常规地震勘探中，因弹性波频率测深使用的是面波中的瑞雷波[3] ，稳态面波法亦曾被称为弹性波频率测深。
瞬态面波法是通过锤击、落重冲击震源或炸药震源进行竖向激振，产生一定频率范围的瑞雷波。再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的面波分离出来，从而得到一条Vr-f曲线或Vr-λr曲线，通过解释，可获得地层深度及面波速度。通过绘制频散曲线，分析其变化规律，了解岩土工程的地质条件和岩土性质[4] 。
其具有以下几种主要特性：
（1）面波在自由表面附近传播时，质点在波传播方向的垂直平面内振动，振幅随深度呈指数函数急剧衰减，质点的振动轨迹以波传播的方向或反方向的椭圆轨道运动。
（2）面波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数减小，大部分能量损失在二分之一波长的深度范围内，这说明面波某一波长的波速主要与深度小于二分之一波长的地层物性有关。 （3）在多层介质中，面波具有明显的频散特性。面波沿地面表层传播，影响表层的深度约为一个波长，因此同一波长面波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播特性反映着不同深度的地质情况。
1.2 主要设备
本次面波勘探使用我国北京水电物探研究所生产的SWS-6A型工程勘探与工程检测仪，包括地震仪主机、检波器、地震专用电缆、振源、触发器等。具有面波采集、地震映象采集等功能，该仪器具备特点：瞬时浮点放大，A/D转换24位，采样动态范围120～132dB，采样率0.01～20ms多档可选，仪器频带宽度 0.5～4000Hz。
1.3 现场测试
面波勘探进行现场勘探时采用多道检波器进行接收，方便面波的对比和分析：
（1）采用线性等道间距排列方式，震源在检波器排列以外延长线上激发;
（2）道间距一般应小于最小勘探深度所需波长的 1/2;
（3）检波器排列长度应大于预期面波最大波长的一半（相应最大探测深度）;
（4）偏移距的大小，需根据任务要求通过现场试验确定[5] 。
现场布置示意图如图1.3所示。
1.4 数据处理与分析
面波数据的处理分析主要内容包括：
（1）首先对原始资料进行整理，检查核对，编录，并计算各频率条件下面波的传播速度;确定面波时间～空间窗口，然后在频率～波数域内提取面波，进行频散分析并形成频散曲线图;
（2）根据频散曲线的变化，对层数和各层速度的变化范围做出定性解释;进行定量解释，确定各层的厚度，计算各层的面波传播速度，并对获得结果进行反演拟合解释，直到拟合相关系数满足要求为止;
（3）绘制成图，绘制成果表，对资料做出地质解释，对各层的岩土工程性质做出综合评价。
2 工程实例
根据山西省境内欠固结土分布情况，选择典型铝土矿回填场地、露天煤矿回填场地、其他填土试验场地共三个有架空线路或相关电力设施运行的欠固结土场地。
本次面波勘探主要目的是查明杆塔基础范围内欠固结土密实度差异，划分地层，为架空输电线路的基础方案设计及选型提供参数依据。根据《多道瞬态面波勘察技术规程》[6] 及现场踏勘情况及钻探数据，为使低频信号有足够相位差，道间距应尽量大，但不应使相位差大于360°;为使面波和直达波、折射波、反射波等干扰波有效分离，偏移距也应尽量大，但是由于道间距、偏移距增大能量传递的衰减严重，信号的信噪比降低，对数据分析不利，因此须权衡各方面因素综合确定。经现场试验最后确定采集参数为24道采集，道间距为2米，偏移距10～15米，使用63.5Kg重锤竖向锤击垫板作为震源。
2.1 铝土矿回填场地
山西阳泉某采煤沉陷区光伏基地汇集站配套220kV送出项目某杆塔位于典型的铝矾土回填区，地层为填土（Q4ml），主要由碎石土组成，颜色灰、灰黑，松散～稍密，稍湿，土质不均匀，夹块石、漂石（母岩成分为砂岩、铝土页岩等），含大量角砾和中粗砂，混粉土、粉质粘土。填土年代约2～5年，该层厚度大于30m，分布于整个场地。
通过上图的结果可以看出，根据面波速度，结合原位測试可把勘探深度内的地层分为3层。表层约2.5m厚的土层面波速度在110～170m/s区间变化，动探击数在3～20之间，平均击数8.5，为松散-稍密状态的填土，地表受车辆碾压，局部为稍密状态，承载力特征值推荐值为165kPa;2.5m到约26m土层面波速度在90～270m/s区间变化，动探击数在3～18之间，平均击数6.7，为松散-稍密状态的填土，承载力特征值推荐值为130kPa;大于26m土层面波速度在270～390m/s区间变化，动探击数在3～16之间，平均击数8.7，为稍密状态的填土，承载力特征值推荐值为170kPa。
2.2露天煤矿回填场地
山西晋中某光伏扶贫电站项目工程位于某露天煤矿回填区内，地貌上属于低中山区，场区地势北高南低。由于露天煤矿开采以及矿坑回填，形成了数个高度不一、形状面积大小各异的台阶地和矿坑。场区地层主要为第四系全新统填土（Q4ml），主要由碎石土组成，颜色灰、灰黑，松散～中密，稍湿，土质不均匀，夹块石（母岩成分为砂岩、页岩、石灰岩、煤矸石等），含大量角砾和中粗砂，混粉土、粉质粘土。填土年代为1-2年，东侧回填较厚，西侧回填较薄，该层厚度大于30m，分布于整个场地。
通过上图的结果可以看出，根据面波速度，结合原位测试可把勘探深度内的地层分为3层。表层约1.5m厚的土层面波速度在90～130m/s区间变化，动探击数在2～8之间，平均击数5.7，为松散～稍密状态的填土，承载力特征值推荐值为110kPa;1.5m到约17m土层面波速度在100～260m/s区间变化，动探击数在1～14之间，平均击数6.6，为松散-稍密状态的填土，承载力特征值推荐值为215kPa;大于17m土层面波速度在260～390m/s区间变化，动探击数在6～22之间，平均击数12.1，为稍密～中密状态的填土，承载力特征值推荐值为240kPa。
2.3其他填土场地
山西吕梁某风电220kV送出工程某终端塔，地貌上属低山丘陵，地层为煤矿矿渣、场地平整清除的基岩、覆土等，回填厚度较大，场地较宽阔。杆塔地层为填土（Q4ml），主要由碎石土组成，颜色灰、灰黑，稍密～中密，稍湿，土质不均匀，夹块石、漂石（母岩成分为砂岩、页岩、石灰岩等），含大量角砾和中粗砂，混粉土、粉质粘土。填土年代约3-5年，该层厚度大于30m，分布于整个场地。 通过上图的结果可以看出，根据面波速度，结合原位测试可把勘探深度内的地层分为3层。表层约2.0m厚的土层面波速度在80～120m/s区间变化，动探击数在1～13之间，平均击数5.8，为松散～稍密状态的填土，承载力特征值推荐值为115kPa;2.0m到约21m土层面波速度在120～280m/s区间变化，动探击数在4～18之间，平均击数8.3，承载力特征值推荐值为165kPa，为松散-稍密状态的填土;大于21m土层面波速度在280～390m/s区间变化，动探击数在7～15之间，平均击数12.1，为稍密～中密状态的填土，承载力特征值推荐值为240kPa。
2.4 勘察效果
本次将工程地震仪应用于架空输电线路欠固结土勘察，使用多道瞬态面波技术对欠固结土的分布范围、深度及厚度进行划分，解释结果显示与钻探原位测试结果高度一致，充分体现了多道瞬态面波技术应用于欠固结土密实度划分的可靠性、准确性，从而为工程地质评价提供了充分依据。
3 结论
（1）使用工程地震仪在欠固结土地区架空输电线路勘察中进行面波勘探是可行的，可用于查明欠固结土密实度差异，便于地质分层，为架空输电线路的基础方案设计及选型提供参数依据。
（2）分析本次试验结果，面波勘探与钻探等常规勘探地质分层基本吻合，可靠性及准确性较高，具有野外工作简便快捷，成果清晰直观、勘察成本低廉，绿色环保等优点。
（3）面波勘探的关键是通过试验合理选择各种参数，得到良好的面波记录，减小频散曲线的误差，确保地层分层的正确性。
（4）面波勘探在类似电力工程的覆盖层勘察中适用性较广，特别是在场址不确定的工程前期阶段，或者工程场地及传统勘探方法受限、工期紧张，无法满足设计要求的情况下，在有限时间内，通过面波快速勘探，结合现场踏勘调绘，可初步推测覆盖层地层性质，为后续勘察方法的选用进行提供依据;结合传统勘探方法可进一步节约成本、提高勘察效率。在今后类似工程中有较高的应用价值，值得推广。
参考文献：
[1] 杨成林.瑞雷波勘探[M].北京：地质出版社，1993.
[2] 刘云祯主编.工程物探新技术[M].北京：地质出版社，2006.
[3] 王振东编著.浅层地震勘探应用技术[M].北京：地质出版社，1988.
[4] 徐晓星.综合勘察技术在岩土工程勘察中的应用[J].北京：《中国高新科技》，2018（6）.
[5] 温建华.探讨瑞利波法在地基强夯检测中的应用[J].成都：建材与装饰，2017（5）.
[6] JGJ/T 143-2017《多道瞬態面波勘察技术规程》[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.
（作者单位：太原理工大学）
关键词：多道瞬态面波;欠固结土;架空输电线路勘察
Abstract：In recent years，more and more unfixed soil backfill sites have been formed in Shanxi Province and other parts of China due to mining and other reasons.With the rapid development of the power industry，especially overhead transmission lines，survey operations are carried out in under-consolidated soil areas.It is very important to choose an efficient and economical survey method.Multi-channel transient surface wave survey technology is a high-tech geophysical exploration technology that has been rapidly developed in recent years and has broad application prospects in engineering surveys.This paper first describes the survey principle，technical method and data processing explanation of multi-channel transient surface wave technology of Engineering Seismograph（Surface Wave System），and the research and summary were carried out through the practical application of overhead transmission lines exploration in the under-consolidated soil areas of Shanxi Province.
Key words：transient rayleigh surface wave;under-consolidated soil;overhead transmission lines exploration
0 引言
面波，顾名思义即沿地面表层传播的弹性应力波，因而也叫地滚波。面波分为瑞雷波（Rayleigh wave）和拉夫波（Love wave），而瑞雷波在振动波組中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞雷波勘探[1] 。
多道瞬态面波勘探技术（以下简称面波勘探）是我国工程技术人员于20世纪90年代新型地球物理勘探理论方法，在二十多年的工程勘察及工程检测中应用较为广泛。北京市水电物探研究所刘云祯等研制SWS型多功能瞬态面波仪面世，使面波的工程应用与研究在国内有了更大进展。面波勘探相对其他地震勘探方法具有以下优点[2] ：野外工作简便快捷，不受岩土饱水程度影响，浅层分辨率高，属单排列点测方式比较适用于地形切割起伏较大条件下的勘察工作等，从而使面波勘探在工程勘察领域得到了广泛的应用[2] 。在电力工程方面，特别是欠固结土地区的架空输电线路工程勘察中，国内应用较少。
本文通过面波勘探技术的适用条件、原理的介绍，解译成果与工程实例的钻探资料进行分析比较，就该技术进行介绍和探讨。
1 多道瞬态面波勘探技术特点
1.1 基本原理
按照激振震源的不同，面波有可分为天然源面波与人工源面波。按照激振方式不同，人工源面波法又进一步分为稳态面波法和瞬态面波法。
稳态面波法是通过改变震源的激振频率来得到不同波长的瑞雷波在地层表层的传播速度，形式类似于电法的频率测深，早期阶段常规地震勘探中，因弹性波频率测深使用的是面波中的瑞雷波[3] ，稳态面波法亦曾被称为弹性波频率测深。
瞬态面波法是通过锤击、落重冲击震源或炸药震源进行竖向激振，产生一定频率范围的瑞雷波。再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的面波分离出来，从而得到一条Vr-f曲线或Vr-λr曲线，通过解释，可获得地层深度及面波速度。通过绘制频散曲线，分析其变化规律，了解岩土工程的地质条件和岩土性质[4] 。
其具有以下几种主要特性：
（1）面波在自由表面附近传播时，质点在波传播方向的垂直平面内振动，振幅随深度呈指数函数急剧衰减，质点的振动轨迹以波传播的方向或反方向的椭圆轨道运动。
（2）面波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数减小，大部分能量损失在二分之一波长的深度范围内，这说明面波某一波长的波速主要与深度小于二分之一波长的地层物性有关。 （3）在多层介质中，面波具有明显的频散特性。面波沿地面表层传播，影响表层的深度约为一个波长，因此同一波长面波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播特性反映着不同深度的地质情况。
1.2 主要设备
本次面波勘探使用我国北京水电物探研究所生产的SWS-6A型工程勘探与工程检测仪，包括地震仪主机、检波器、地震专用电缆、振源、触发器等。具有面波采集、地震映象采集等功能，该仪器具备特点：瞬时浮点放大，A/D转换24位，采样动态范围120～132dB，采样率0.01～20ms多档可选，仪器频带宽度 0.5～4000Hz。
1.3 现场测试
面波勘探进行现场勘探时采用多道检波器进行接收，方便面波的对比和分析：
（1）采用线性等道间距排列方式，震源在检波器排列以外延长线上激发;
（2）道间距一般应小于最小勘探深度所需波长的 1/2;
（3）检波器排列长度应大于预期面波最大波长的一半（相应最大探测深度）;
（4）偏移距的大小，需根据任务要求通过现场试验确定[5] 。
现场布置示意图如图1.3所示。
1.4 数据处理与分析
面波数据的处理分析主要内容包括：
（1）首先对原始资料进行整理，检查核对，编录，并计算各频率条件下面波的传播速度;确定面波时间～空间窗口，然后在频率～波数域内提取面波，进行频散分析并形成频散曲线图;
（2）根据频散曲线的变化，对层数和各层速度的变化范围做出定性解释;进行定量解释，确定各层的厚度，计算各层的面波传播速度，并对获得结果进行反演拟合解释，直到拟合相关系数满足要求为止;
（3）绘制成图，绘制成果表，对资料做出地质解释，对各层的岩土工程性质做出综合评价。
2 工程实例
根据山西省境内欠固结土分布情况，选择典型铝土矿回填场地、露天煤矿回填场地、其他填土试验场地共三个有架空线路或相关电力设施运行的欠固结土场地。
本次面波勘探主要目的是查明杆塔基础范围内欠固结土密实度差异，划分地层，为架空输电线路的基础方案设计及选型提供参数依据。根据《多道瞬态面波勘察技术规程》[6] 及现场踏勘情况及钻探数据，为使低频信号有足够相位差，道间距应尽量大，但不应使相位差大于360°;为使面波和直达波、折射波、反射波等干扰波有效分离，偏移距也应尽量大，但是由于道间距、偏移距增大能量传递的衰减严重，信号的信噪比降低，对数据分析不利，因此须权衡各方面因素综合确定。经现场试验最后确定采集参数为24道采集，道间距为2米，偏移距10～15米，使用63.5Kg重锤竖向锤击垫板作为震源。
2.1 铝土矿回填场地
山西阳泉某采煤沉陷区光伏基地汇集站配套220kV送出项目某杆塔位于典型的铝矾土回填区，地层为填土（Q4ml），主要由碎石土组成，颜色灰、灰黑，松散～稍密，稍湿，土质不均匀，夹块石、漂石（母岩成分为砂岩、铝土页岩等），含大量角砾和中粗砂，混粉土、粉质粘土。填土年代约2～5年，该层厚度大于30m，分布于整个场地。
通过上图的结果可以看出，根据面波速度，结合原位測试可把勘探深度内的地层分为3层。表层约2.5m厚的土层面波速度在110～170m/s区间变化，动探击数在3～20之间，平均击数8.5，为松散-稍密状态的填土，地表受车辆碾压，局部为稍密状态，承载力特征值推荐值为165kPa;2.5m到约26m土层面波速度在90～270m/s区间变化，动探击数在3～18之间，平均击数6.7，为松散-稍密状态的填土，承载力特征值推荐值为130kPa;大于26m土层面波速度在270～390m/s区间变化，动探击数在3～16之间，平均击数8.7，为稍密状态的填土，承载力特征值推荐值为170kPa。
2.2露天煤矿回填场地
山西晋中某光伏扶贫电站项目工程位于某露天煤矿回填区内，地貌上属于低中山区，场区地势北高南低。由于露天煤矿开采以及矿坑回填，形成了数个高度不一、形状面积大小各异的台阶地和矿坑。场区地层主要为第四系全新统填土（Q4ml），主要由碎石土组成，颜色灰、灰黑，松散～中密，稍湿，土质不均匀，夹块石（母岩成分为砂岩、页岩、石灰岩、煤矸石等），含大量角砾和中粗砂，混粉土、粉质粘土。填土年代为1-2年，东侧回填较厚，西侧回填较薄，该层厚度大于30m，分布于整个场地。
通过上图的结果可以看出，根据面波速度，结合原位测试可把勘探深度内的地层分为3层。表层约1.5m厚的土层面波速度在90～130m/s区间变化，动探击数在2～8之间，平均击数5.7，为松散～稍密状态的填土，承载力特征值推荐值为110kPa;1.5m到约17m土层面波速度在100～260m/s区间变化，动探击数在1～14之间，平均击数6.6，为松散-稍密状态的填土，承载力特征值推荐值为215kPa;大于17m土层面波速度在260～390m/s区间变化，动探击数在6～22之间，平均击数12.1，为稍密～中密状态的填土，承载力特征值推荐值为240kPa。
2.3其他填土场地
山西吕梁某风电220kV送出工程某终端塔，地貌上属低山丘陵，地层为煤矿矿渣、场地平整清除的基岩、覆土等，回填厚度较大，场地较宽阔。杆塔地层为填土（Q4ml），主要由碎石土组成，颜色灰、灰黑，稍密～中密，稍湿，土质不均匀，夹块石、漂石（母岩成分为砂岩、页岩、石灰岩等），含大量角砾和中粗砂，混粉土、粉质粘土。填土年代约3-5年，该层厚度大于30m，分布于整个场地。 通过上图的结果可以看出，根据面波速度，结合原位测试可把勘探深度内的地层分为3层。表层约2.0m厚的土层面波速度在80～120m/s区间变化，动探击数在1～13之间，平均击数5.8，为松散～稍密状态的填土，承载力特征值推荐值为115kPa;2.0m到约21m土层面波速度在120～280m/s区间变化，动探击数在4～18之间，平均击数8.3，承载力特征值推荐值为165kPa，为松散-稍密状态的填土;大于21m土层面波速度在280～390m/s区间变化，动探击数在7～15之间，平均击数12.1，为稍密～中密状态的填土，承载力特征值推荐值为240kPa。
2.4 勘察效果
本次将工程地震仪应用于架空输电线路欠固结土勘察，使用多道瞬态面波技术对欠固结土的分布范围、深度及厚度进行划分，解释结果显示与钻探原位测试结果高度一致，充分体现了多道瞬态面波技术应用于欠固结土密实度划分的可靠性、准确性，从而为工程地质评价提供了充分依据。
3 结论
（1）使用工程地震仪在欠固结土地区架空输电线路勘察中进行面波勘探是可行的，可用于查明欠固结土密实度差异，便于地质分层，为架空输电线路的基础方案设计及选型提供参数依据。
（2）分析本次试验结果，面波勘探与钻探等常规勘探地质分层基本吻合，可靠性及准确性较高，具有野外工作简便快捷，成果清晰直观、勘察成本低廉，绿色环保等优点。
（3）面波勘探的关键是通过试验合理选择各种参数，得到良好的面波记录，减小频散曲线的误差，确保地层分层的正确性。
（4）面波勘探在类似电力工程的覆盖层勘察中适用性较广，特别是在场址不确定的工程前期阶段，或者工程场地及传统勘探方法受限、工期紧张，无法满足设计要求的情况下，在有限时间内，通过面波快速勘探，结合现场踏勘调绘，可初步推测覆盖层地层性质，为后续勘察方法的选用进行提供依据;结合传统勘探方法可进一步节约成本、提高勘察效率。在今后类似工程中有较高的应用价值，值得推广。
参考文献：
[1] 杨成林.瑞雷波勘探[M].北京：地质出版社，1993.
[2] 刘云祯主编.工程物探新技术[M].北京：地质出版社，2006.
[3] 王振东编著.浅层地震勘探应用技术[M].北京：地质出版社，1988.
[4] 徐晓星.综合勘察技术在岩土工程勘察中的应用[J].北京：《中国高新科技》，2018（6）.
[5] 温建华.探讨瑞利波法在地基强夯检测中的应用[J].成都：建材与装饰，2017（5）.
[6] JGJ/T 143-2017《多道瞬態面波勘察技术规程》[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.
（作者单位：太原理工大学）