本科毕业论文
浅层、超浅层物探方法应用现状分析 THE APPLICATION STATUS OF SHALLOW AND ULTRA SHALLOW GEOPHYSICAL METHOD APPLICATION
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摘要
随着中国工程施工的大量进行，一些浅层、超浅层的地质问题也暴露出来。为了解决这些地质问题，近几年开发出了一些新的浅层物探方法来解决这些问题。我们利用地质雷达法可以勘测地下的断层。地质雷达具有高频率的特点，它的特点决定它在浅层的物探有很大的作用，当工程施工遇到断层的时候，因为断层的上下盘的标志层具有不同的介电差异，当地质雷达的高频电磁波穿过的时候就能判定断层的位置和信息。我们利用瑞利面波勘探来探测地下的溶洞，由于瑞利面波在分层介质中的频散以及面波的传播速度与介质的物理性质有关系，所以当瑞利面波穿过地下溶洞的时候面波的频散曲线和传播速度会发生变化。工程上遇到滑坡都是在一些陡峭的山区。一般的物探方法和钻孔难以测量，我们采用近地表反射波的方法来测量滑坡的特性。在介质表面用震源施加一瞬时冲击，产生应力脉冲波（主要考虑纵波）传人介质内，质内部缺陷表面（洞、窝、分层）或底部边界反射到介质内，反过来，又被介质表面反射回介质内，从而再 一次被介质内部缺陷表面或底部边界反射。因此，应力波在介质表面/内部缺陷表面或介质表面/底部边界之间多次来回反射产生了瞬态共振条件，其共振频率能在振幅谱中辨别出，可用于确定构件厚度和内部缺陷深度。电法勘探可以根据地下浅部岩溶区的电性差异通过高密度电法来探测地下岩溶。瞬变电磁法可以根据地下视电阻率差异来判断地下裂隙存在，进而判断地下水的存在和信息。
关键词：浅层、超浅层物探，地质雷达勘探，面波勘探，反射波勘探，冲击回波勘探，直流电法勘探，瞬变电磁法勘探。
THE APPLICATION STATUS OF SHALLOW AND ULTRA SHALLOW GEOPHYSICAL METHOD
APPLICATION
ABSTRACT
In recent years our country made great efforts in the area of construction, most of the construction is restricted to shallow range. In the construction process will inevitably be some geological problems encountered in shallow areas. For example: fault, karst, and groundwater, as Slope failure. The geological problems in construction process known as disaster-like existence, they will not only affect the construction plans, even on threats to the safety of construction workers. In order to solve these problems, need to use before construction engineering survey technology to detect the target area, an analysis of detection results are required to arrange the project implementation. This article focuses on these geophysical techniques and specific analysis of its application in the construction. KEYWORDS: shallow, shallow geophysical exploration, geological radar, Rayleigh wave exploration, surface wave exploration, reflection wave exploration, electrical prospecting, transient electromagnetic exploration
目录
引言................................................................ 1
1、浅层探测的目标体................................................. 1
1．1断层 ......................................................... 1
1.1.1、断层的介绍 ............................................... 1
1.1.2、断层在隧道施工中的影响 ................................... 1
1.2、岩溶 ......................................................... 2
1.2.1、岩溶的介绍 ............................................... 2
1.2.2、岩溶对工程施工的影响 ..................................... 2
1.3、地下水 ....................................................... 3
1.3.1、地下水的介绍 ............................................. 3
1.3.2地下水对于工程施工的危害 .................................. 4
1.4、斜坡破坏 ..................................................... 5
1.4.1、斜坡破坏介绍 ............................................. 5
1.4.2、斜坡破坏的危害 ........................................... 6
2、浅层物探方法及对于地下目标体的应用............................... 7
2.1、地质雷达法 ................................................... 7
2.1.1、地质雷达法的介绍 ......................................... 7
2.1.2、地质雷达的工作原理 ....................................... 7
2.1.3、地质雷达在溶洞探测中的应用 ............................... 7
2.1.4、地质雷达确定断层参数 ..................................... 8
2.2、面波勘探法 ................................................... 9
2.2.1、面波勘探的介绍 ........................................... 9
2.2.2面波勘探的原理 ............................................ 9
2.2.3、面波勘探在溶洞探测中的应用 .............................. 10
2.3、近地表反射波勘探 ............................................ 12
2.3.1、反射波法的介绍 .......................................... 12
2.3.2、反射波法的工作原理 ...................................... 13
2.3.3、反射波法在滑坡勘探中的应用 .............................. 14
2.4.冲击回波勘探 ................................................. 15
2.4.1、冲击回波的原理 .......................................... 15
2.4.2、冲击回波检测混凝土结构 .................................. 17
2.5、电法勘探 .................................................... 19
2.5.1电法勘探的介绍 ........................................... 19
2.5.2高密度电法勘察无充填溶洞 ................................. 19
2.6、瞬变电磁法勘探 .............................................. 22
2.6.1、瞬变电磁法的介绍 ........................................ 22
2.6.2、瞬变电磁法在地下工程探水中的应用 ........................ 23
3、综合浅层物探技术的工程应用实例.................................. 24
3.1、综合物探在地基工程勘察中的应用 .............................. 24
3.1.1、研究区地质概况 .......................................... 24
3.1.2、数据采集及参数设置 ...................................... 24
3.1.3、资料处理 ................................................ 25
3.1.4、资料分析与处理 .......................................... 26
结论............................................................... 28
参考文献........................................................... 29
致谢............................................................... 31
引言
随着我国大规模工程建设工作的开展, 以地基勘探为主要目的的浅层勘探工作量呈 指数形式增长, 其勘探目的层埋深一般在几 十米以内。大量的物探方法被引入浅层勘探工作中, 资源勘探中长期使用的地震勘探技术也被引入浅层勘探工作。但是在实际的工程实施中浅层超浅层物探是一个长期以来未能解决的物探研究课题，几十米以内的工程探测存在盲区，探测精度往往达不到要求。为了达到工程施工的精度要求，针对每个环节采取针对的技术措施，减小盲区以及提高探测精度，需要对浅层超浅层物探进行系统性的研究，浅层的目标体主要包括：断层、岩溶、地下水、斜坡破坏等。
1、浅层探测的目标体
1．1断层
1.1.1、断层的介绍
断层是地壳岩层因受力达到一定强度而发生破裂，并沿着破裂面有明显的相对移动的构造而成。地壳中有一个裂口或破裂带，而且沿着它相邻的岩体发生运动。断层长度变化很大，从几厘米至几百公里不等。断层是一种面状的构造，断层面是将一个岩块断开分成两部分、断开岩块或岩层顺着它滑动的破裂面。断层面往往不是一个单一的面，而是由一系列破裂面或次级断层组成的带。断层的规模越
1.1.2、断层在隧道施工中的影响
对于工程施工有危害的断层一般为活断层，活断层是指目前正在活动的断层，或者是近期曾有过活动并且短时间之后还会可能重新活动的断层。活断层的错动会对工程建筑物造成损伤，活断层按错动速率可以分级(如表1-1)。
表1-1 活断层按错动速率分级
一般来说，活断层对于工程安全性的影响可以大致分为四个方面。
（1） 断层活动有可能会产生破坏性的地震，地震的振动效应会对工程建筑的
结构具有破坏作用，造成建筑物的倒塌、破坏或者功能的实效。
（2） 地震的震动效应可能会导致震陷、液化、滑坡以及崩塌等地质灾害，进
而会导致地基的失效或对工程设施的直接破坏。
（3） 地震断层地表错动对于工程设施的破坏，到目前为止，中国大陆产生的
1明显的地表断层的最小震级是1888年甘肃景泰发生的6级地震，该地4
震产生了长38km的地表破裂带，最大的水平位移为2.3m，一般来说，随着震级的增大，地震地表的破裂带的规模和位移也增大。但是，当地震地表破裂带的规模和位移大小受断错性质、构造环境、岩层介质、第四系覆盖层的特点及厚度等影响，和震级大小不一定呈简单的比例关系。
（4） 活动断层除了会发生突发断错以外，还有可能会以缓慢蠕滑的方式活
动，同样或造成跨断层或者附近的建筑物的破坏。例如1973年炉霍7.6级地震之后，在1984年在主断层之上又覆盖了一个纪念碑，纪念碑分两部分跨断层建造，到1998年，两侧的碑体已近有12mm的左旋位移。其蠕滑速率是该断层全新世以来平均滑动速率的1/15。
1.2、岩溶
1.2.1、岩溶的介绍
岩溶也被称为喀斯特，岩溶是指可溶性的岩层，例如，碳酸盐岩（灰岩、白云岩）等受到含有二氧化碳的流水的物理化学作用会产生裂隙、沟槽和空洞，除此之外还会因为空洞顶板坍塌使地表出现凹穴、洼地等现象。岩溶的发育的影响因素主要包括：岩石的可溶性、地质构造（岩层面的断层、裂隙等）和地下水。溶洞在附加荷载或者振动的作用下，会出现地基变形塌陷，建筑物倒塌的情况。因此，在工程施工中溶洞的存在、位置以及发育情况会影响工程的施工。
岩溶根据型态的大小不同，可以将岩溶分为：
（1） 洞穴型：洞穴型是指发育规模小于50m的干溶洞或者充填型溶洞裂隙
型：裂隙型是指各种构造裂隙经过溶蚀形成的岩溶裂隙。岩溶裂隙的宽度一般在1cm～1m，平面延续性好，地下水运动已不符合达西定律。
（2） 管道型：管道型是指岩溶裂隙经过进一步溶蚀扩大呈回汇流的管道特
征。
（3） 大型溶洞：大型溶洞是发育规模大于50㎥的干溶洞或者充填型溶洞。
1.2.2、岩溶对工程施工的影响
在工程施工中，岩溶造成的影响主要有一下几个方面：
（1） 突水突泥：在岩溶及岩溶发育的区域，一般造成施工进度缓慢，严重的
时候会导致人员的伤亡、场地的损毁、工期的延误等灾害。由于岩溶水
危害严重，突水、突泥灾害分为以下四级：
A级，特大突水、大型突水、突泥、高水压，发生突水的时候短时间内
就会淹没施工设施及工作面，威胁施工人员安全，突水时间长达数小时至数十小时。
B级，中小型突水、突泥。可能会导致施工停止，对施工人员有一定的影响。
C级，小型涌水、涌泥。
D级，涌突水可能性很小。
（2） 地基（坝）承载力不足：在覆盖型的岩溶地区，上覆的松软土强度较
低，或者建筑物荷载过大，导致地基发生剪切破坏，最后致使建筑物的变形和破坏。
（3） 地基（坝）不均匀沉降：在覆盖型的岩溶地区，下伏的石芽、溶沟、漏
斗、落水洞等造成地基岩面产生较大的起伏，当其上有性质不同的时候，厚度不同的粘性土分布的时候，在建筑物附近加载荷载作用之下，产生地基的不均匀沉降，从而导致建筑物的开裂、倾斜、倾倒和破坏。
（4） 地基（坝）滑动：在裸露的岩溶地区，当基础砌置在溶隙、溶沟、落水
洞漏斗附近的时候，有可能会在基础岩体倾向临空的软弱结构面产生滑动，造成建筑物的破坏。
（5） 地表塌陷：在地基（坝）主要受力层的范围之内，如果有溶洞、暗河、土
洞等的时候，在自然的条件之下，或者因为建筑物的附加荷载、抽排地下水等因素作用下，引起地面开裂、沉陷、以致地基（坝）突然沉降，造成地表的塌陷，进而导致建筑物的破坏。溶洞引起的地表沉降塌陷的示意图如（图2-1）。
图1-1 地表塌陷示意图
图中从左至右分别是：土洞形成以前；土洞初步形成；土洞向上发展；地表塌陷；形成蝶形洼地。
1.3、地下水
1.3.1、地下水的介绍
水是人类赖以生存、不可或缺的资源。作为水资源的一个组成部分，地下
水的分布广泛，变化稳定，水质良好，便于应用，是理想的饮用的水源，也是
生活、工业和农业用水的重要供水水源。20世纪70年代，前苏联学者提出了地下水圈的概念。他们认为，从地壳浅部到地幔，以各种不同形态存在的水是相互转换、不可分割的统一整体，称为地下水圈。地面以下岩土空隙中普遍赋存水。其中，岩土空隙完全被水所充满的部分，称为饱和带，其顶面为地下水面；地面以下到地下水面之上，岩土空隙被水和空气填充，称为非饱和带。地下水的功能有很多，地下水既是营力，又是致灾因子，除了使岩土体发生位移、水库诱发地震外，地下水还会引发其他的很多地质灾害，例如，地面沉降、岩溶塌陷、地裂缝、矿坑与隧道突水、海水入侵含水层、潜蚀管涌、石窟文物损坏等。
1.3.2地下水对于工程施工的危害
地下水对于建筑施工的设计方案、工程投资、施工方法与工期以及工程的长期使用都有很密切的关系，而且，在基础施工时，如果对地下水的处理不够合理还可能导致不良的影响，甚至发生工程事故。地下水对工程的影响很大，水文地质在建筑物的基础设计、工程地质灾害防治等方面都起到至关重要的影响。随着工程勘察的发展，地下水的将受到越来越广泛的重视，水文地质工作将会对勘察水平的提高起到越来越大的作用。
对于粘性土，伴随着含水量的增加，粘性土的抗剪强度急剧下降。会造成土方边坡发生滑坡、塌方。粘性土是一种比表面积比较大的细颗粒土。颗粒一般是次生矿物，比起矿物几乎没什么强度。当粘性土比较干燥的时候，土中基本上都是结合水。因为结合水不传递静水压力，干燥的粘性土会有比较强的抗剪强度，但是当粘性土含水量上升的时候，土中大部分都是自由水。自由水会让这些极细的土颗粒距离变大，失去了彼此吸附的能力。除此之外，自由水在土颗粒之间会起到润滑的作用。而且，自由水在土中形成的静水压力也会使得粘性土的的强度变低。
对于砂土，当其中的含水量变多的时候，就会发生流砂、管涌。当流砂发生的时候。土体就会丧失承载能力。流砂严重的时候还会引起边坡塌方、地基土体发生流动。致使地基被掏空、地表下陷或者地基破坏。当管涌发生的时候，将会破坏地基的强度，产生地洞、地表塌陷，影响基坑周围建筑物和地下建筑物的安全。
地下水还会引起岩土工程危害，主要是因为地下水的水位升降变化和地下水动力作用这两个因素造成的。地下水位变化引起的危害分为三种方式：
（1） 水位上升引起的岩土工程危害
潜水位上升会引起：土壤沼泽化、盐渍化，岩土和地下建筑物的腐蚀性变大；斜坡等岩土发生崩塌滑移等不良地质现象；造成粉细砂及粉土饱
和液化、导致流砂、管涌等现象；地下硐室充水、建筑物失稳、基础上浮。
（2） 地下水位下降引起的岩土工程危害：o
地下水位降低大部分是因为人为因素导致的，例如地下水的大量抽采、修建水库截取下游的地下水以及采矿活动。地下水的过量下降，常常会引起地裂、地面沉降、地面塌陷等地质灾害以及水资源的枯竭、水质恶化等问题，对于建筑物的稳定性以及人类居住环境会造成很大的危害。
（3） 地下水升降对岩土工程的危害
地下水的升降变化会造成膨胀的岩体出现不均匀的膨胀变形。当地下水升降过于频繁的时候，会导致膨胀幅度太大，进而形成地裂引起建筑物的破坏。地下水在天然状态下水动力作用比较弱，一般不会造成什么危害，但是当人为的活动改变地下水的天然动力的平衡条件的时候，往往会引起一些严重的岩土工程危害，例如，流砂、管涌等。
1.4、斜坡破坏
1.4.1、斜坡破坏介绍
斜坡破坏的类型很多，主要包括崩塌和滑坡两种常见的形式。 崩塌：
斜坡被陡峭的破裂面分割而成的岩土体，突然的脱离母体并且以垂直位移为主，以跳跃、翻滚、坠落的方式堆积在坡脚，这种现象和过程被称为崩塌。根据崩塌的不同，可以分为岩和土崩两种；按照规模大小不同又可以分为山崩和坠石；如果这种现象发生在海潮、河岸边，则称为岸蹦。一些土质的斜坡也会经常发生土崩，例如，高陡且垂直发育的黄土斜坡，最常见的破坏方式就是崩塌，如（图4-1）。崩塌的特诊是:一般发生在高陡的斜坡的坡肩处；致电的食量位移前置方向比起水平位移大得多；崩塌发生的时候没有依附面；一般是突然发生的，运动比较快。
图1-2 黄土陡坡崩塌
滑坡：
滑坡的岩土体沿着贯通的剪切破坏面（带），以水平运动为主。滑坡的机制是某一个滑移面上面的剪切面超过了这个面的抗剪切强度所导致的。滑坡的规模可能会相差很大。滑坡的特征是：通常是比较深层的破坏，滑移面深入到坡体内部以至坡脚下；质点位移的矢量水平方向上大于铅直方向上的值；有依附面的存在；滑移速度比较慢，大多具有“整体性”。滑坡的形态示意图如（4-
2）所示。
图1-3 滑坡形态要素示意图
① -后缘环状拉裂缝；②-滑坡后壁；③-横向裂缝及滑坡台阶；④-滑坡舌及隆张；⑤-滑坡侧壁及与状裂缝；⑥-滑坡体；⑦-滑坡床；⑧-滑动面
1.4.2、斜坡破坏的危害
斜坡破坏一般发生在雨季或者春季冰雪融化的时候，大部分的滑坡对于乡村的危害主要是摧毁农田、房屋、破坏森林、道路以及农业机械设施和水利水电设施、威胁人畜生命。除了这些危害，滑坡还会对水利水电工程、公路、铁路、河运和海洋工程造成很大的危害，除了直接伤害到人类外还会因为次生灾害间接地危害人类
因斜坡变形破坏给人类工程建设带来的危害在国内外有很多的事例。在我国，由于特殊的自然地理和地质条件的制约，斜坡地质灾害的分布很广泛，活动比较强烈，危害也比较严重，是山区主要的工程地质动力地质作用。比如在29世纪90年代以来，平均每年因为斜坡而导致的地质灾害大约导致1000人的死亡，直接的经济损失高达200亿元。
人工边坡变形破坏主要是因为水利、土木、交通、矿山等基础建设中的地面以及地下开挖造成的事故和灾害。例如1989年1月7日，在建的云南省大型的水电站漫湾工程在开挖左侧坝肩的过程中突然发生一次高达100m的岩质边坡滑坡，它的体积大约1.08×105㎥，这一滑坡使发电站推迟一年的发电，直接损失高达亿元。又如1903年4月29日凌晨4时，在加拿大Alberta省Frank
滑坡，
因为地下采煤导致失稳边坡的坡高640m、宽915m、厚152m、总方量3×10㎥的滑坡。滑坡掩埋了坡下的村庄，大约70人丧生。
由此可以知道，无论是天然的斜坡还是人工的边坡，这些变形破坏会对坡下的人类工程设施、经济活动和人的生命财产安全造成很大的危害。所以必须十分重视斜坡工程的问题，并做好斜坡破坏变形的勘探工作[1]。
7
2、浅层物探方法及对于地下目标体的应用
2.1、地质雷达法
2.1.1、地质雷达法的介绍
地质雷达探测是一种先进的探测技术，是最近十几年之间才发展起来的一种新兴的地球物理勘探的技术。它的优点是：分辨率高、快速经济、灵活方便、定位准确、实时图像显示、剖面直观等。现在已经成功应用于工程质量无损检测、岩土工程勘察、水文地质调查、生态环境检测、矿产资源勘查、城市地下管网普查、文物及考古探测等很多领域。并且取得了显著的效果和经济效益，在工程实施中不断提高完善，在之后的工程探测也一定会发挥越来越重要的作用。
2.1.2、地质雷达的工作原理
地质雷达的工作原理很简单，简单来说就是通过特定的仪器向地下发送高频、甚高频脉冲形式的电磁波。电磁波在介质中传播，当碰到电性差异的地下目标体, 如在分界面、空洞等时, 电磁波就会发生反射, 返回到地面时被接收天线接收。在对接收天线接收到的雷达波进行分析和处理的基础上, 根据接收到的雷达强度、波形、 双程时间等参数就可以推断地下目标体的空间位置、电性、结构及几何形态, 从而达到对地下隐蔽目标物的探测( 如图 2-1 所示) 。地质雷达探测是一种非破坏性的探测技术, 可以安全地用于城市的工程建设, 并具有较高的探测精度和分辨率[2]。
2.1.3、地质雷达在溶洞探测中的应用
图2-1 探地雷达工作原理示意图
图一中的R是发射天线，T是发射天线。电磁波在地下传播过程中当遇到目标体或基岩的时候发生反射，反射的信号回到地面由天线R接收并且记录，最后被主机处理就可以得到雷达记录的回波曲线了（如图2-2所示）。
图2-2 探地雷达记录的回波
图2中的横坐标的单位是m，横坐标是地面的探测距离，在地面打点可以得到各个点对应的点位下面的介质分布情况；纵坐标代表的是电磁波从到反射回地面并被接收所需要的时间。可以根据雷达记录的双反射时间就可以根据公式（1）得到该界面的埋藏深度H:
H=（1-1）
其中的t是目标雷达的反射时间；c是雷达波在真空中的传播速度
（0.3m/ns）；ϵr是目标层雷达的介质的相对介电常数的均值。最后根据雷达资料进一步处理，可以得到雷达剖面图，可以根据剖面图进行地质解释[3]
。
2.1.4、地质雷达确定断层参数
地下工程中断层的存在与否可以直接关系到工程施工方案的确定，因此，
在工程施工之前，必须进行必要的断层勘察，为地下的工程合理设计、正确施工、全面评价等方案提供可靠的资料。地下工程常见的介质基本上都是土、煤、泥岩、页岩、砂岩和灰岩等，这些都具有比较低的电导率，电磁波在其中传播的能量衰减比加慢，因此，利用地质雷达可以满足工程的勘察精度。断层的参数主要包括：断层位置、走向、倾向、倾角、落差和充填物等。
地质雷达多次沿着水平方向或者岩层层位探测。可以直接判断断层面的位置和形态，而连续确定的断层面的位置的连线就可以确定断层的走向。多次沿着垂直向或垂直岩层层位方向探测，在地质雷达的剖面图上就可以判断断层的倾向倾角，所以，地质雷达法可以直接确定地下工程一定深度范围内断层的位置、走向、倾向和倾角的参数[4]。
标志层是指相邻岩层的岩石性质差别比较大的岩层，标志层的上下界面的介质的电性差异比较大，地质雷达就容易分辨，断层的落差可以通过探寻上下盘标志层的位置来分析得出。走向基本一致的断层带的总落差就可以根据每一条断层落差的探测来分析得到[5]。
2.2、面波勘探法
2.2.1、面波勘探的介绍
当地震发生的时候，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。波动向地球内部和表层传播，形成了连续介质的地震波。地球的介质，包括表层的岩石和地球深部的物质，都不是完全的弹性体，但是因为地球内部有很高的压力，地震波的传播速度很大，波动的介质带来的应力和应变都是瞬时的，能量的消耗很小，所以可以近似的把地震波看成弹性波。地震波有两种类型，一种波是在弹性介质内部向四周传播的称为体波，体波分为纵波和横波，另一种是指沿着两种介质的界面传播，称为面波。这里我们主要介绍面波，面波也分为两种类型：一种是沿着自由表面（介质与大气层的界面）传播的波，称为瑞利波；另一种是在低速岩层覆盖高速岩层的情况下，沿着两个岩层界面传播的波，称为勒夫波。面波勘探，也成为弹性波频率测深，是国内外近几年才发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。因为面波中瑞利波（R波）在振动波组中的能量是最强、振幅最大、频率最低的波，容易识别和测量，所以面波勘探一般是瑞利面波勘探[6]。
2.2.2面波勘探的原理
面波探测技术的基本原理具体来说就是;利用面波沿着介质表面传播，在多层介质中相会随着速度变化等特征。通过激发一定频率范围内的瑞利面波，在地面沿着面波的传播方向上，每隔一定的道间距∆X设置N组检波器，就可以检测到面波在( N- 1) ∆X 这个长度范围内的传播过程。
相邻两个X长度道之间面波传播的速度VR为：
VR=2πfi∆X/∆ψ （2-1）
（N-1）的范围内的平均速度⎺V为：
⎺V=2πfi(N−1)∆X/∑n−1i=1∆ψi （2-2）
公式中的fi是面波的频率; ∆ψi是相邻检波器的相位差。
∆X可以根据具体的实验需要来确定，∆ψ相位差可以根据信号处理分析来求取。
在同一地区的一系列频率的VR值就可以得到一条VR-fi曲线，把λR=VR/fi转换成VR-λR曲线。这种速度随着频率变化的曲线称为频散曲线。频散曲线的变化规律跟岩土的结构性质和地质条件有直接关系，因此，分析这种内在的关系就可以达到探测地下地质体的目的[7]。
2.2.3、面波勘探在溶洞探测中的应用
面波勘探主要利用了瑞雷波的两种特性：⑴瑞雷波在分层介质中传播时的频散特性；⑵瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质的密切相关性。我们通过建立模型来分析面波勘探在溶洞探测中的应用，模型包括：涵管、防空洞。
（1） 涵洞 上部约为2m厚的人工填土，下部是空间1.5m高的涵洞。实测
中，偏移距从2m到12m变化，道间距在0.5m和1m中选择。16磅重锥垫软木锤击。经过数据处理之后，以偏移距为4m，道间距为1m的排列为最佳，频散曲线如图2-3所示。
图2-3 频散曲线图
图2-1中频散曲线（1.9～3.3）m处各点无规律跳动，连线后，锯齿状特征明显，且上下界面与实地观测相符。
（2） 防空洞 地表是夹碎石的粘土层，深度（0.8～2.2）m处是一个防空
洞，频散曲线如图2-4所示
:
图2-4 频散曲线图
图2-2中（1～2）m处频散曲线有上下拐点对应防空洞的上下界面。且速度VR 减小。
试验表明：（1）当地下存在溶洞时， 会影响瑞雷波的传播速度，与正常区段比较，VR 减小。影响程度与空洞的直径、顶面埋深H和λR有关。当
λR ﹤ H或λR ﹥5H时， 影响较小，当λR =(2～3)H时,影响较大；(2)溶洞对频散曲线的影响特征为：频散曲线在空洞埋深出现无规律的跳动， 把各点连成曲线，将成为锯齿状曲线。
面波勘探作为一种新的浅层物理勘探方法，优点是：简单、快捷、应用范围广、场地要求小。通过模型分析我们可以从以下两个方面判断浅层地下有没有溶洞：（1）频散曲线是否有规律的跳动，各个频散点连线之后是否呈锯齿状；（2）瑞利波速度VR 的变化[8]。
2.3、近地表反射波勘探
2.3.1、反射波法的介绍
反射波法采用人工激发震源, 使震源附近质点产生振动, 形成的地震波在地下介质中传播, 当遇到两种不同弹性介质界面时, 便产生反射,
利用反射波
的强度、 频谱、 相位、 波长和反射波的传播时间和空间的关系来解决相关地质问题。与其它物探方法相比, 反射波法具有分辨率高、 精度高、信息丰富的特点, 尤其是可以得到岩土的力学参数, 近年来在工程勘查领域得到了广泛应用。
2.3.2、反射波法的工作原理
反射波法勘探就是用人工方法( 如锤击、爆炸等) 产生振动, 研究振动在地下介质中的传播规律, 以查明地下地质情况。反射波法的工作流程如图 2-5 所示。首先采用人工激发震源, 使震源附近质点产生振动, 振动在地下传播形成地震波。当地震波遇到两种不同弹性介质界面时, 便产生反射。反射波到达地面时,又引起地面质点的振动。检波器把地面质点的振动转变为电振动, 然后通过电缆把电振动输送到地震仪器里, 先把它放大, 然后通过模数转换将电振动转化为数字形式记录下来供后续资料处理和解释使用。
图2-5 地震反射波法流程
浅层地震反射波工作的前提是地下必须存在有波阻抗的差异界面。图2-6所示的就是其工作原理，当在测线的不同位置O1、O2、O3……等处进行激发时，可以在一系列对应的观测点S1、S2、S3……上接收到来自地下反射界面R上同一点A的反射波，其相应的到时分别为t1、t2、t3……，其中A点称为共反射点，M称为共中心点。我们把共反射点各叠加道的数据在资料处理时从原始共炮点记录道里集中抽出集合在一起，就形成了共反射点道集的右半支。然后交换激发点O和接收点S，则可得到共反射点道集的左半支，这样便可形成
一条完整的共反射点时距曲线。然后通过正常时差校正，把双曲线型的共反射
点时距曲线校正成一条直线，然后进行同相叠加，便可得到M点处相当于自激自收的反射信息。另外，对于测线上其它各点采用相同的方法进行处理，便可得到一组反映各点自激自收反射信息的叠加时间剖面。
图2-6 共反射点叠加道的集及时距曲线
2.3.3、反射波法在滑坡勘探中的应用
众所周知, 滑坡体大多位于地形地貌起伏较大山体较陡的山坡地带, 通常是其前后缘高差较大且滑坡体的面积相对不大, 对其进行勘探, 工作场地相对不开阔。针对这类工程地质问题勘探, 仅仅依靠钻探的方法是不够的, 而该勘探手段设备笨重, 搬运困难。加之勘探费用比较高,致使钻孔数量有限, 所取得的地质资料信息量也相对较少, 所以靠几孔之见来查明滑坡体的整体形态是很困难的。应用常规的地震初至折射法或电测深法来探测此类工程地质问题, 又将受到地形地貌及工作现场狭窄等环境的限制。而地震浅层反射法则克服了上述物探方法的缺点, 该方法具有分层能力强、勘测场地小、不受地层速度倒转限制和所需震源能量小等特点。实践证明: 浅层反射法可在滑坡体勘探中发挥作用。
水平叠加剖面资料的处理, 系采用东勘院物探公司开发的SSP浅层反射数据处理系统进行资料处理。其处理流程为:
原始地震记录→格式输入→屏幕预
处理→初至切除→频谱分析→速度扫描→动校正→水平叠加→时深转换→打印时间→和深度曲线剖面图。得到深度曲线剖面图如（图3-3）所示。
图2-7 深度曲线剖面图
分析测区水平叠加时深曲线剖面图可知: 顺坡向剖面大约在4 380m高程以下及横坡向剖面的中间部位，时间剖面 T 1 同相轴振幅较大, 基本可连续追踪基岩顶板的反射波，反射波同相轴沿剖面时间变化范围为 20～60ms, 多数在 30～40ms, 对应的深度剖面图深度变化范围为 10～30m。而在4380 m高程以上及横坡向剖面的两侧, 由于覆盖层较浅， T 1 同相轴时断时续，波形混乱无规律，因此反射法在该地段失去作用,这部分勘探资料由小折射波法提供，度变化范围为3～8 m。
综合分析物探资料表明: 整个塌滑体的覆盖层厚度范围为 3～28 m 之间, 可见其变化范围较大。一般在4380 m 高程以上及滑坡体上下游边缘部位的覆盖层较薄，其厚度为 3～8 m; 而在4380 m高程以下滑坡体中间部位的覆盖层厚度较厚，多数为15～25 m[9]。
2.4.冲击回波勘探
2.4.1、冲击回波的原理
在物体表面施加机械冲击，在其内部激发瞬时的应力波，包括纵波P横波S和面波R。如（图2-8）所示，纵波和横波被内部缺陷或外边界反射所引起的表面位移由放置在冲击点附近的位移换能器检测。因为冲击点下方纵波的幅度为最大值，而横波的幅度比较小，所以表面位移主要由纵波产生，应力波在自由界面和内部缺陷/外边界之间多次反射，形成瞬时共振，从而使波形具有周期性特征，这种周期性在幅度谱中表现为对应于缺陷或边界深度的频率峰值，涌快速傅里叶变换将时域波形转化为幅度谱，从而获得换能器接收到的纵波频率。
如果已知结构内部纵波波速CP,则内部缺陷或者外界深度h为：
ℎ=Cpf（4-1）
式中f是反射波的主频率
该公式适用于混凝土与声阻抗低于混凝土材料间的界面，如果混凝土/空气界面和混凝土/水界面[10]。
如果待测材料的声阻抗比较高，则采用以下的公式：
ℎ=
Cp4f （4-2）
图2-8 冲击回波检测示意图
由于不同界面存在着不同的纵波反射形式,所以计算公式有所不同。如果下层材料的声阻抗低于纵波人射的材料（如固/气界面）,反射后波的应力将改符号，即人射纵波在界面处由压缩波反射为拉伸波，或相反（如图2-9）所示。图2-9-a为在固体混凝土板上进行冲击回波实验的示意图，其中实线表示压缩波，虚线表示拉伸波。冲击源在物体内部激发压缩波，并在混凝土/空气界面反 射为拉伸波。该拉伸波在上表面产生向下位移再次转化为压缩波。如（图2-9-b）位移波形所示，应力波在上下表面来回反射 ,相同的位移间的间隔为T=2d/CP(d是板的厚度)，对应公式（4-1）。
图2-9 混凝土/空气界面纵波反射示意图
相反，如果第二种材料的声阻抗高于纵波入射材料，则应力在界面处不改变符号。图2-9-a中对于钢筋混凝土板进行冲击回波实验示意图。图2-9-b
为其
波形。应力波在混凝土/钢界面不发生变化，因此相同位移间的间隔是T=4d/CP ，对应于公式（4-2）。
图2-10 混凝土/钢界面纵波反射示意图
由上可知，如果两种界面深度相近，可以根据频率的不同区分界面的类型。另外，还必须考虑反射波的幅度。两种材料声阻抗的不同决定了界面上反 射波的能量大小，从而决定了用冲击回波法能否探测到该界面[11]。
2.4.2、冲击回波检测混凝土结构
在介质表面用震源施加一瞬时冲击，产生应力脉冲波（主要考虑纵波）传人介质内，质内部缺陷表面（ 洞、窝、分层）或底部边界反射到介质内，反过 来，又被介质表面反射回介质内，从而再 一次被介质内部缺陷表面或底部边界反射，如图所示4-1所示。因此，应力波在介质表面/内部缺陷表面或介质表 面/底部边界之间多次来回反射产生了瞬态共振条件，其共振频率能在振幅谱中辨别出，可用于确定构件厚度和内部缺陷深度[12]。
图2-11 冲击回波检测技术原理图
在震源附近布置传感器，用于探测反射纵波到达而引起的表面垂直位移 , 如图2-11所示.图2-11中用箭头表明的是沿介质表面传播首次到达传感器的纵波 （P 波）、剪切波（S波）和瑞利波（Ρ 波）
，曲线后面部分是由于应力波在
介质中来回反射造成的，反射纵波的振幅Uref为：
Uref=A1(Z2−Z1)/(Z2+Z1) （4-3）
式中：Z1、Z2为交界面两侧介质的声阻抗；A1 为波所引起介质颗粒运动的位移[13].
把传感器获得的时域信号通过快速傅立叶变换法来转变为频域信号,即把位移一时间曲线转换成振幅-频率关系曲线(振幅谱) ,如图2-12所示,根据式4-4可求出混凝土结构厚度[14]。
图2-12 时域信号示意图
如混凝土结构构件中存在缺陷(蜂窝或孔洞),因应力波要绕过内部缺陷才 能被底部边界面反射,而使传播路径增大,因此,在振幅谱中结构厚度频率向低频的部分漂移,这是判断缺陷存在的关键因素。缺陷的位置也能通过振幅谱分析确定。由于纵波在缺陷表面的反射将在振幅谱的高频部分产生一个显著的振幅峰值或一系列显著的振幅峰值（如混凝土结构中存在蜂窝情况）,如图2-12所示 , 可由式(4-5)推测裂缝深度。
如所测试的构件中纵波传播的速度为Cp，振幅谱中与振幅峰值相应的主频 率为f，则内部缺陷（内部蜂窝和孔洞）深度d或构件厚度h为
d(h)=0.96Cp2f=Cp,p/2f （4-4）
3Cp×(t2−t1)+HD=√[−H2 （4-5） 2式中Cp为介质中表观（视）纵波速度，为无限介质中纵波速度的96％（主 要是考虑了结构构件形状尺寸对纵波传播速度的影响）[15]
2.5、电法勘探
2.5.1电法勘探的介绍
这里我们主要介绍高密度电法在浅层物探中的应用。高密度电法和电测深法，在铺设一次导线之后只完成一个记录点的数据观测，高密度电法进行二维地电断面测量，具有剖面法和测深法的功能，与常规的电法相比，高密度电法具有以下优点:
(1) 电极布设一次性完成，减少了因为电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差。能有效进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得丰富的关于地电结构状态的信息。
(2) 数据采集和收录全都实现了自动化或者半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误。可以实现资料的现场实时处理和脱机处理，根据需要自动绘制和打印各种成果图件，大大提高了电阻率法的智能化程度。
由此可见，高密度电阻率法是一种成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力显著提高的电法勘探新方法。高密度电法供电为低频交流电，测量 结果为地层视电阻率，因此实际上属于直流电阻率法，其工作框图见（图2-
13）。
图2-13 高密度电法工作示意图
高密度电法数据采集系统由主机、多路电极转换器、电极系，部分组成 。 多路电极转换器通过电缆控制电极系各电极的供电与测量状态。主机通过通讯 电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令、向电极供电并接收、存贮测量数据。数据采集结果自动存入主机，主机通过通讯软件把原始数据传输给计算机。计算机将数据转换成处理软件要求的数据格式，经相应处理模块进行畸 变点剔除、地形校正等预处理后，最终二维反演、成图[16]。
2.5.2高密度电法勘察无充填溶洞
本次勘察的是永宁隧道，探测一共布置两条测线，分别是沿着隧道左线中
轴线的DF1-DF1和隧道右中轴线的DF2-DF2。如图2-14所示是探测所得的ρs断面及对应的解释地质剖面。2-14a、6-14b为测线DF1-DF1所得的ρs断面及解释剖面，2-14c、2-14d是测线DF2-DF2所得ρs 断面及解释剖面。
从ρs断面可以看出，两条断面从起点到终点方向ρs 值逐渐增大，各异常面在两断面上具有很好的可追踪性，根据所得的ρs 断面异常、现场踏勘和后期开挖揭露，做出了相应的解释剖面，断面主要异常点统计如表2-1。
从统计表可以看出，各地质体的电性特征明显，粘土充填溶槽的ρs 值﹤125Ω·m；充填的强溶蚀裂隙带ρs 值125～375Ω·m； 充填的中-微溶蚀裂隙带ρs 值375～1000Ω·m ；完整的三叠系永宁镇组灰岩1000～5000Ω·m ；无充填溶洞的ρs 值＞5000Ω·m ，与围岩相比，显示为相对高阻闭合区。[17]。
图2-14 永宁隧道电法探测ρs剖面及解释图
a. 右边ρs剖面：b.右边解释剖面：
图2-14’ 永宁隧道电法探测ρs剖面及解释图
c.左边ρs剖面：d.左线解释剖面
表2-1 断面主要异常点统计
2.6、瞬变电磁法勘探
2.6.1、瞬变电磁法的介绍
瞬变电磁法（TEM）是一 种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工 源电磁探测方法。它利用不接地的回线（磁源）或接地的回线（电偶源）向地下发送一次脉冲磁场（一次场），在其激发下，地下地质体就会产生相应的感应涡
流，它是随时间变化的感应电磁场（二次场）。由于二次场包含地下地质体的地电信息，在一次场间歇期间，观测二次场的特征，提取这些信息，就可以达到探测地下地质体的目的[16]。它 以20世纪40年代前苏联科学家A．H．Тихонов的理论研究为基础，近年来，瞬变电磁法是电法勘探领域发展最快的一种重要方法。相对于其它地球物理方法，TEM具有探测深度大，分辨能力强，反映的地电信息丰富等优点[18]。
在工程领域，瞬变电磁法方法有其独特的优势，在覆盖层厚度探测及分层，基岩划分，探测地下裂隙、基底断裂、破碎带，沙漠干旱地区找水，地下空洞（煤矿采空区）探测等领域都有成功的案例[19]。
2.6.2、瞬变电磁法在地下工程探水中的应用
图2-15为本次勘探中的100线视电阻率断面图，横坐标为点号，纵坐标为水平深度[20]；颜色由红至蓝，反映地层视电阻率的由高到低的变化。从图可看出红色虚线圈定的为一低阻异常区[21]。该区域视电阻率值为20～30欧姆/米，控制点较多，异常很可靠。判断该区域裂隙较发育，含地下水可能性较大[22]。确定01孔在此处施工，钻进至23m处出水，水量约40m3/d。出水井深于电法资料中25m处的低阻异常区吻合较好，说明电阻率成像结果可靠。证明了运用瞬变电磁法寻找浅部地下水是可行的[23]。
图2-15 100线视电阻率断面图
3、综合浅层物探技术的工程应用实例
3.1、综合物探在地基工程勘察中的应用
3.1.1、研究区地质概况
测区地貌为一山丘的斜坡面，主要由三个高低不同的台阶组成，第一层台阶位于靠近丘顶位置，最后一个台阶靠近丘底，坡面下有一条废水渠，水深大约在3m左右，且常年有水。测区上覆地层成分变化较大，有人工回填物，成分主要为砖块、瓦砾等建筑废料，质地疏松，以及第四系全新统人工填土（Q4ml）杂填土；其下是第四系上更新统冲击层（Q3al）粉质黏土，然后是白 垩系上统灌口组（K2g ）卵石，下伏强风化和中风化基岩为侏罗系遂宁组（J3sn），岩性主要为粉砂质泥岩，据现场勘察所知：台阶Ⅰ和台阶Ⅱ上覆较浅的黏土层，台阶Ⅲ表层为鹅卵石[24]。
3.1.2、数据采集及参数设置
此次高密度电法工作根据勘探目的和现场勘探情况，此次勘探采用α装 置和β装置对数据进行采集。其中α装置对垂向分辨率比横向分辨率灵敏度高，抗干扰能力强，勘探深度较大，对电性的垂向变化（如对水平地层的分层）较有利。β装置能有效突出地下电性异常区域，横向分辨率和纵向分辨率适中。由此次勘探目的选取电极距为3m，60电极测量[25]。
为了选取合适的工作参数，本次浅层地震勘探工作施工前在勘探区域做了一定数量的试验工作，以确定最佳的激发接收条件、观测系统及仪器工作参 数。试验段选在测线上具有代表性的地段。最终选定偏移距为1m，道间距为2m，采用24道接收，激发方式为锤击震源；为了得到更高的信噪比，观测系统选用6次覆盖观测系统，场地限制区域采用变观处理（如图3-1）[26]
图3-1 六级覆盖观测系统综合平面布置
3.1.3、资料处理
高密度电法数据处理采用Res2dinv瑞典高密度软件进行处理，处理中， RMS误差小于10％即视为达到精度要求，且处理结果无过多修饰性处理，以保证结果的真实性和可信性。把格式转换好的视电阻率，经数据预处理消除坏点（如某一电极连接不通或因接地电阻过高而产生的异常数据），保留数据较
一 致的数据点（如图3-2）。然后，把预处理后的数据经地形校正，再选用合适的反演方法（此次采用最小二乘法），就能得到关于地下的视电阻率分布图[27]。
图3-2 高密度电法数据处理流程
地震反射波法数据处理采用采用了VISTA地震数据处理软件系统进行处理。野外采集的原始记录质量较好，干扰波主要为面波和声波。通过对全道记录作频谱分析，客观地反映了浅层地震记录的频率分布范围。在对各记录频谱进行分析的过程中，分别选取低通，高通和带通三种滤波器进行了数字滤波， 经多次试验和对比，在一定程度上压制了声波和高频随机干扰波，并用FK
二
维扇形滤波和相干加强的方式，对面波和其他干扰波进行了压制。在叠后的时间剖面上做了中值滤波和FK信噪分离，提高了最终输出的反射水平叠加时间剖面的信噪比。地震反射波法数据处理的具体处理流程（如图3-3）所示[28]。
图3-3 浅层地震数据处理流程
3.1.4、资料分析与处理
首先，通过高密度电法视电阻率断面图（图3-4）对测区进行定性分析， 从图中可大致将测区分为三层：表层电阻率较低，且分布均匀；中间层电阻率较高，且分布不均；深部层电阻率较低，分布不均匀，且有局部低电阻率异常区域。然后，通过浅层地震反射波法水平叠加时间剖面图（图3-5）对测区地层进行定量解释。从图中也大致可把测区分为三层：浅层为低速层，纵波速度在 低于1200ｍ/ｓ；中层速度分布不均匀，纵波速度在1200～1600ｍ/ｓ之间变化；深层速度分布也不均匀，纵波速度在1400～2400ｍ/ｓ之间变化[29]。
对比分析图3-4和图3-5可以发现，在断面0～108m位置有一段低视电阻率值且厚度在2～5m之间的低阻区域，但这一区域在地震水平叠加时间剖面曲线上反映不明显。这是由于这一覆盖层深度太小，通过地震发射波法探测的效果不显著[30]。
图3-4 高密度电法视电阻率断面
图3-5 浅层地震反射波法水平叠加时间剖面
结合高密度电法、 地震反射波法和现 有 的 地质资料， 对测区地质情况作详细的描述， 并将成果绘制成综合物探推测的地质断面图（3-6）。
测区表层视电阻率ρs＝10～30Ω·ｍ， 纵波速度VP＝300～600ｍ/ｓ,该 层在断面0～108ｍ处，厚度在0～10m之间。推断盖层为第四系覆盖层，主要为粉质黏土和类沙土层。下伏岩层视电阻率ρs＝40～70Ω·ｍ，波速变化范围较大，纵波速度VP＝800～1600ｍ/ｓ。盖层厚度在10～20ｍ之间。从纵波速度和视电阻率值上可推断盖层为白垩系上统灌口组卵石层，之间夹杂人工回填物，主要为建筑废渣，从而表现为局部高阻异常[31]。深部岩层视电阻率ρs＝20～30Ω·ｍ，纵波速度VP＝1400～2000ｍ/ｓ。 盖层厚度在40～50ｍ之间。从纵波速度推断该层为侏罗系遂宁组，岩性主要为强风化和中风化的粉砂质泥岩。该层中间存在区域低阻异常，视电阻率ρs＝5～15Ω·ｍ，视电阻率变化范围较小，且明显低于周围围岩，纵波速度VP＝2200～2400ｍ/ｓ，纵波速度明显高于周围围岩。该区域既是低阻区，又是高速区，从而推断该区域异常为鱼塘回填后形成的富水性异常区域[32]。
图3-6 综合物探推测的地质断面
结论
浅层物探手法目前广泛应用于工程施工的各个领域，这些物探手法具有不同的优缺点。地质雷达法可以用于比较准确的查明溶洞、地下水、断层以及不良地质体的位置和分布情况，与常规物探手法相比具有轻便、快捷、经济的特点。雷达探测的精度虽然比较高，可是探测数据的判释主要依赖于判释人员的技术和经验，特别是对于回波形态的微小差异，需要人员具有较丰富的经验。瞬态面波勘探技术与常规的手法相比具有现场场地工作条件不高、不受各地层速度影响、对于浅部地层分辨率高的特点。，虽然面波勘探技术在工程中的应用已经很广泛了，可是在实际的工作中还是存在以下问题：从理论模型的解释中还不能准确的解释面波频率曲线的“Z”字型现象、对于面波勘探深度的确定还是经验公式。冲击回波法勘探与常规的物探手法相比具有分层能力强、勘探场地小、不受地层速度倒转的限制和所需震源能量小的特点。高密度电法与其他的电法相比是一种成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力显著提高的特点。除此之外，高密度电法的电极布置一次性完成，减少了因点击设置引起的干扰和由此带来的测量误差；它能有效的进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的信息。近年来瞬变电磁法的应用范围越来越广泛，随着技术的进步和一起系统的简洁化，轻便化，瞬变电磁法在工程地球物理勘探领域不失为一种精细并且行之有效的方法。但是在实际的应用中：瞬变电磁法采集信号收到噪声和弱信号的影响；仪器不够轻便化，装置不够简单也是缺点。
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致谢
感谢我的导师胡泽安老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我在工作学习中的榜样，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，从开始的收集资料，初稿的审核到最后的定稿的整个过程中，老师都及时给予我建议，之处不足之处，帮助我更好的组织论文结构，不断的充实论文的内容。
同时我要感谢我们组的其他成员，在论文的编写过程中我们组所有的 成员相互帮组，我们相互指出论文中的不足之处以及问题，然后我们再一起集中修改，最后才形成我们的最终论文。
本科毕业论文
浅层、超浅层物探方法应用现状分析 THE APPLICATION STATUS OF SHALLOW AND ULTRA SHALLOW GEOPHYSICAL METHOD APPLICATION
学院（部）：
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年 月 日
摘要
随着中国工程施工的大量进行，一些浅层、超浅层的地质问题也暴露出来。为了解决这些地质问题，近几年开发出了一些新的浅层物探方法来解决这些问题。我们利用地质雷达法可以勘测地下的断层。地质雷达具有高频率的特点，它的特点决定它在浅层的物探有很大的作用，当工程施工遇到断层的时候，因为断层的上下盘的标志层具有不同的介电差异，当地质雷达的高频电磁波穿过的时候就能判定断层的位置和信息。我们利用瑞利面波勘探来探测地下的溶洞，由于瑞利面波在分层介质中的频散以及面波的传播速度与介质的物理性质有关系，所以当瑞利面波穿过地下溶洞的时候面波的频散曲线和传播速度会发生变化。工程上遇到滑坡都是在一些陡峭的山区。一般的物探方法和钻孔难以测量，我们采用近地表反射波的方法来测量滑坡的特性。在介质表面用震源施加一瞬时冲击，产生应力脉冲波（主要考虑纵波）传人介质内，质内部缺陷表面（洞、窝、分层）或底部边界反射到介质内，反过来，又被介质表面反射回介质内，从而再 一次被介质内部缺陷表面或底部边界反射。因此，应力波在介质表面/内部缺陷表面或介质表面/底部边界之间多次来回反射产生了瞬态共振条件，其共振频率能在振幅谱中辨别出，可用于确定构件厚度和内部缺陷深度。电法勘探可以根据地下浅部岩溶区的电性差异通过高密度电法来探测地下岩溶。瞬变电磁法可以根据地下视电阻率差异来判断地下裂隙存在，进而判断地下水的存在和信息。
关键词：浅层、超浅层物探，地质雷达勘探，面波勘探，反射波勘探，冲击回波勘探，直流电法勘探，瞬变电磁法勘探。
THE APPLICATION STATUS OF SHALLOW AND ULTRA SHALLOW GEOPHYSICAL METHOD
APPLICATION
ABSTRACT
In recent years our country made great efforts in the area of construction, most of the construction is restricted to shallow range. In the construction process will inevitably be some geological problems encountered in shallow areas. For example: fault, karst, and groundwater, as Slope failure. The geological problems in construction process known as disaster-like existence, they will not only affect the construction plans, even on threats to the safety of construction workers. In order to solve these problems, need to use before construction engineering survey technology to detect the target area, an analysis of detection results are required to arrange the project implementation. This article focuses on these geophysical techniques and specific analysis of its application in the construction. KEYWORDS: shallow, shallow geophysical exploration, geological radar, Rayleigh wave exploration, surface wave exploration, reflection wave exploration, electrical prospecting, transient electromagnetic exploration
目录
引言................................................................ 1
1、浅层探测的目标体................................................. 1
1．1断层 ......................................................... 1
1.1.1、断层的介绍 ............................................... 1
1.1.2、断层在隧道施工中的影响 ................................... 1
1.2、岩溶 ......................................................... 2
1.2.1、岩溶的介绍 ............................................... 2
1.2.2、岩溶对工程施工的影响 ..................................... 2
1.3、地下水 ....................................................... 3
1.3.1、地下水的介绍 ............................................. 3
1.3.2地下水对于工程施工的危害 .................................. 4
1.4、斜坡破坏 ..................................................... 5
1.4.1、斜坡破坏介绍 ............................................. 5
1.4.2、斜坡破坏的危害 ........................................... 6
2、浅层物探方法及对于地下目标体的应用............................... 7
2.1、地质雷达法 ................................................... 7
2.1.1、地质雷达法的介绍 ......................................... 7
2.1.2、地质雷达的工作原理 ....................................... 7
2.1.3、地质雷达在溶洞探测中的应用 ............................... 7
2.1.4、地质雷达确定断层参数 ..................................... 8
2.2、面波勘探法 ................................................... 9
2.2.1、面波勘探的介绍 ........................................... 9
2.2.2面波勘探的原理 ............................................ 9
2.2.3、面波勘探在溶洞探测中的应用 .............................. 10
2.3、近地表反射波勘探 ............................................ 12
2.3.1、反射波法的介绍 .......................................... 12
2.3.2、反射波法的工作原理 ...................................... 13
2.3.3、反射波法在滑坡勘探中的应用 .............................. 14
2.4.冲击回波勘探 ................................................. 15
2.4.1、冲击回波的原理 .......................................... 15
2.4.2、冲击回波检测混凝土结构 .................................. 17
2.5、电法勘探 .................................................... 19
2.5.1电法勘探的介绍 ........................................... 19
2.5.2高密度电法勘察无充填溶洞 ................................. 19
2.6、瞬变电磁法勘探 .............................................. 22
2.6.1、瞬变电磁法的介绍 ........................................ 22
2.6.2、瞬变电磁法在地下工程探水中的应用 ........................ 23
3、综合浅层物探技术的工程应用实例.................................. 24
3.1、综合物探在地基工程勘察中的应用 .............................. 24
3.1.1、研究区地质概况 .......................................... 24
3.1.2、数据采集及参数设置 ...................................... 24
3.1.3、资料处理 ................................................ 25
3.1.4、资料分析与处理 .......................................... 26
结论............................................................... 28
参考文献........................................................... 29
致谢............................................................... 31
引言
随着我国大规模工程建设工作的开展, 以地基勘探为主要目的的浅层勘探工作量呈 指数形式增长, 其勘探目的层埋深一般在几 十米以内。大量的物探方法被引入浅层勘探工作中, 资源勘探中长期使用的地震勘探技术也被引入浅层勘探工作。但是在实际的工程实施中浅层超浅层物探是一个长期以来未能解决的物探研究课题，几十米以内的工程探测存在盲区，探测精度往往达不到要求。为了达到工程施工的精度要求，针对每个环节采取针对的技术措施，减小盲区以及提高探测精度，需要对浅层超浅层物探进行系统性的研究，浅层的目标体主要包括：断层、岩溶、地下水、斜坡破坏等。
1、浅层探测的目标体
1．1断层
1.1.1、断层的介绍
断层是地壳岩层因受力达到一定强度而发生破裂，并沿着破裂面有明显的相对移动的构造而成。地壳中有一个裂口或破裂带，而且沿着它相邻的岩体发生运动。断层长度变化很大，从几厘米至几百公里不等。断层是一种面状的构造，断层面是将一个岩块断开分成两部分、断开岩块或岩层顺着它滑动的破裂面。断层面往往不是一个单一的面，而是由一系列破裂面或次级断层组成的带。断层的规模越
1.1.2、断层在隧道施工中的影响
对于工程施工有危害的断层一般为活断层，活断层是指目前正在活动的断层，或者是近期曾有过活动并且短时间之后还会可能重新活动的断层。活断层的错动会对工程建筑物造成损伤，活断层按错动速率可以分级(如表1-1)。
表1-1 活断层按错动速率分级
一般来说，活断层对于工程安全性的影响可以大致分为四个方面。
（1） 断层活动有可能会产生破坏性的地震，地震的振动效应会对工程建筑的
结构具有破坏作用，造成建筑物的倒塌、破坏或者功能的实效。
（2） 地震的震动效应可能会导致震陷、液化、滑坡以及崩塌等地质灾害，进
而会导致地基的失效或对工程设施的直接破坏。
（3） 地震断层地表错动对于工程设施的破坏，到目前为止，中国大陆产生的
1明显的地表断层的最小震级是1888年甘肃景泰发生的6级地震，该地4
震产生了长38km的地表破裂带，最大的水平位移为2.3m，一般来说，随着震级的增大，地震地表的破裂带的规模和位移也增大。但是，当地震地表破裂带的规模和位移大小受断错性质、构造环境、岩层介质、第四系覆盖层的特点及厚度等影响，和震级大小不一定呈简单的比例关系。
（4） 活动断层除了会发生突发断错以外，还有可能会以缓慢蠕滑的方式活
动，同样或造成跨断层或者附近的建筑物的破坏。例如1973年炉霍7.6级地震之后，在1984年在主断层之上又覆盖了一个纪念碑，纪念碑分两部分跨断层建造，到1998年，两侧的碑体已近有12mm的左旋位移。其蠕滑速率是该断层全新世以来平均滑动速率的1/15。
1.2、岩溶
1.2.1、岩溶的介绍
岩溶也被称为喀斯特，岩溶是指可溶性的岩层，例如，碳酸盐岩（灰岩、白云岩）等受到含有二氧化碳的流水的物理化学作用会产生裂隙、沟槽和空洞，除此之外还会因为空洞顶板坍塌使地表出现凹穴、洼地等现象。岩溶的发育的影响因素主要包括：岩石的可溶性、地质构造（岩层面的断层、裂隙等）和地下水。溶洞在附加荷载或者振动的作用下，会出现地基变形塌陷，建筑物倒塌的情况。因此，在工程施工中溶洞的存在、位置以及发育情况会影响工程的施工。
岩溶根据型态的大小不同，可以将岩溶分为：
（1） 洞穴型：洞穴型是指发育规模小于50m的干溶洞或者充填型溶洞裂隙
型：裂隙型是指各种构造裂隙经过溶蚀形成的岩溶裂隙。岩溶裂隙的宽度一般在1cm～1m，平面延续性好，地下水运动已不符合达西定律。
（2） 管道型：管道型是指岩溶裂隙经过进一步溶蚀扩大呈回汇流的管道特
征。
（3） 大型溶洞：大型溶洞是发育规模大于50㎥的干溶洞或者充填型溶洞。
1.2.2、岩溶对工程施工的影响
在工程施工中，岩溶造成的影响主要有一下几个方面：
（1） 突水突泥：在岩溶及岩溶发育的区域，一般造成施工进度缓慢，严重的
时候会导致人员的伤亡、场地的损毁、工期的延误等灾害。由于岩溶水
危害严重，突水、突泥灾害分为以下四级：
A级，特大突水、大型突水、突泥、高水压，发生突水的时候短时间内
就会淹没施工设施及工作面，威胁施工人员安全，突水时间长达数小时至数十小时。
B级，中小型突水、突泥。可能会导致施工停止，对施工人员有一定的影响。
C级，小型涌水、涌泥。
D级，涌突水可能性很小。
（2） 地基（坝）承载力不足：在覆盖型的岩溶地区，上覆的松软土强度较
低，或者建筑物荷载过大，导致地基发生剪切破坏，最后致使建筑物的变形和破坏。
（3） 地基（坝）不均匀沉降：在覆盖型的岩溶地区，下伏的石芽、溶沟、漏
斗、落水洞等造成地基岩面产生较大的起伏，当其上有性质不同的时候，厚度不同的粘性土分布的时候，在建筑物附近加载荷载作用之下，产生地基的不均匀沉降，从而导致建筑物的开裂、倾斜、倾倒和破坏。
（4） 地基（坝）滑动：在裸露的岩溶地区，当基础砌置在溶隙、溶沟、落水
洞漏斗附近的时候，有可能会在基础岩体倾向临空的软弱结构面产生滑动，造成建筑物的破坏。
（5） 地表塌陷：在地基（坝）主要受力层的范围之内，如果有溶洞、暗河、土
洞等的时候，在自然的条件之下，或者因为建筑物的附加荷载、抽排地下水等因素作用下，引起地面开裂、沉陷、以致地基（坝）突然沉降，造成地表的塌陷，进而导致建筑物的破坏。溶洞引起的地表沉降塌陷的示意图如（图2-1）。
图1-1 地表塌陷示意图
图中从左至右分别是：土洞形成以前；土洞初步形成；土洞向上发展；地表塌陷；形成蝶形洼地。
1.3、地下水
1.3.1、地下水的介绍
水是人类赖以生存、不可或缺的资源。作为水资源的一个组成部分，地下
水的分布广泛，变化稳定，水质良好，便于应用，是理想的饮用的水源，也是
生活、工业和农业用水的重要供水水源。20世纪70年代，前苏联学者提出了地下水圈的概念。他们认为，从地壳浅部到地幔，以各种不同形态存在的水是相互转换、不可分割的统一整体，称为地下水圈。地面以下岩土空隙中普遍赋存水。其中，岩土空隙完全被水所充满的部分，称为饱和带，其顶面为地下水面；地面以下到地下水面之上，岩土空隙被水和空气填充，称为非饱和带。地下水的功能有很多，地下水既是营力，又是致灾因子，除了使岩土体发生位移、水库诱发地震外，地下水还会引发其他的很多地质灾害，例如，地面沉降、岩溶塌陷、地裂缝、矿坑与隧道突水、海水入侵含水层、潜蚀管涌、石窟文物损坏等。
1.3.2地下水对于工程施工的危害
地下水对于建筑施工的设计方案、工程投资、施工方法与工期以及工程的长期使用都有很密切的关系，而且，在基础施工时，如果对地下水的处理不够合理还可能导致不良的影响，甚至发生工程事故。地下水对工程的影响很大，水文地质在建筑物的基础设计、工程地质灾害防治等方面都起到至关重要的影响。随着工程勘察的发展，地下水的将受到越来越广泛的重视，水文地质工作将会对勘察水平的提高起到越来越大的作用。
对于粘性土，伴随着含水量的增加，粘性土的抗剪强度急剧下降。会造成土方边坡发生滑坡、塌方。粘性土是一种比表面积比较大的细颗粒土。颗粒一般是次生矿物，比起矿物几乎没什么强度。当粘性土比较干燥的时候，土中基本上都是结合水。因为结合水不传递静水压力，干燥的粘性土会有比较强的抗剪强度，但是当粘性土含水量上升的时候，土中大部分都是自由水。自由水会让这些极细的土颗粒距离变大，失去了彼此吸附的能力。除此之外，自由水在土颗粒之间会起到润滑的作用。而且，自由水在土中形成的静水压力也会使得粘性土的的强度变低。
对于砂土，当其中的含水量变多的时候，就会发生流砂、管涌。当流砂发生的时候。土体就会丧失承载能力。流砂严重的时候还会引起边坡塌方、地基土体发生流动。致使地基被掏空、地表下陷或者地基破坏。当管涌发生的时候，将会破坏地基的强度，产生地洞、地表塌陷，影响基坑周围建筑物和地下建筑物的安全。
地下水还会引起岩土工程危害，主要是因为地下水的水位升降变化和地下水动力作用这两个因素造成的。地下水位变化引起的危害分为三种方式：
（1） 水位上升引起的岩土工程危害
潜水位上升会引起：土壤沼泽化、盐渍化，岩土和地下建筑物的腐蚀性变大；斜坡等岩土发生崩塌滑移等不良地质现象；造成粉细砂及粉土饱
和液化、导致流砂、管涌等现象；地下硐室充水、建筑物失稳、基础上浮。
（2） 地下水位下降引起的岩土工程危害：o
地下水位降低大部分是因为人为因素导致的，例如地下水的大量抽采、修建水库截取下游的地下水以及采矿活动。地下水的过量下降，常常会引起地裂、地面沉降、地面塌陷等地质灾害以及水资源的枯竭、水质恶化等问题，对于建筑物的稳定性以及人类居住环境会造成很大的危害。
（3） 地下水升降对岩土工程的危害
地下水的升降变化会造成膨胀的岩体出现不均匀的膨胀变形。当地下水升降过于频繁的时候，会导致膨胀幅度太大，进而形成地裂引起建筑物的破坏。地下水在天然状态下水动力作用比较弱，一般不会造成什么危害，但是当人为的活动改变地下水的天然动力的平衡条件的时候，往往会引起一些严重的岩土工程危害，例如，流砂、管涌等。
1.4、斜坡破坏
1.4.1、斜坡破坏介绍
斜坡破坏的类型很多，主要包括崩塌和滑坡两种常见的形式。 崩塌：
斜坡被陡峭的破裂面分割而成的岩土体，突然的脱离母体并且以垂直位移为主，以跳跃、翻滚、坠落的方式堆积在坡脚，这种现象和过程被称为崩塌。根据崩塌的不同，可以分为岩和土崩两种；按照规模大小不同又可以分为山崩和坠石；如果这种现象发生在海潮、河岸边，则称为岸蹦。一些土质的斜坡也会经常发生土崩，例如，高陡且垂直发育的黄土斜坡，最常见的破坏方式就是崩塌，如（图4-1）。崩塌的特诊是:一般发生在高陡的斜坡的坡肩处；致电的食量位移前置方向比起水平位移大得多；崩塌发生的时候没有依附面；一般是突然发生的，运动比较快。
图1-2 黄土陡坡崩塌
滑坡：
滑坡的岩土体沿着贯通的剪切破坏面（带），以水平运动为主。滑坡的机制是某一个滑移面上面的剪切面超过了这个面的抗剪切强度所导致的。滑坡的规模可能会相差很大。滑坡的特征是：通常是比较深层的破坏，滑移面深入到坡体内部以至坡脚下；质点位移的矢量水平方向上大于铅直方向上的值；有依附面的存在；滑移速度比较慢，大多具有“整体性”。滑坡的形态示意图如（4-
2）所示。
图1-3 滑坡形态要素示意图
① -后缘环状拉裂缝；②-滑坡后壁；③-横向裂缝及滑坡台阶；④-滑坡舌及隆张；⑤-滑坡侧壁及与状裂缝；⑥-滑坡体；⑦-滑坡床；⑧-滑动面
1.4.2、斜坡破坏的危害
斜坡破坏一般发生在雨季或者春季冰雪融化的时候，大部分的滑坡对于乡村的危害主要是摧毁农田、房屋、破坏森林、道路以及农业机械设施和水利水电设施、威胁人畜生命。除了这些危害，滑坡还会对水利水电工程、公路、铁路、河运和海洋工程造成很大的危害，除了直接伤害到人类外还会因为次生灾害间接地危害人类
因斜坡变形破坏给人类工程建设带来的危害在国内外有很多的事例。在我国，由于特殊的自然地理和地质条件的制约，斜坡地质灾害的分布很广泛，活动比较强烈，危害也比较严重，是山区主要的工程地质动力地质作用。比如在29世纪90年代以来，平均每年因为斜坡而导致的地质灾害大约导致1000人的死亡，直接的经济损失高达200亿元。
人工边坡变形破坏主要是因为水利、土木、交通、矿山等基础建设中的地面以及地下开挖造成的事故和灾害。例如1989年1月7日，在建的云南省大型的水电站漫湾工程在开挖左侧坝肩的过程中突然发生一次高达100m的岩质边坡滑坡，它的体积大约1.08×105㎥，这一滑坡使发电站推迟一年的发电，直接损失高达亿元。又如1903年4月29日凌晨4时，在加拿大Alberta省Frank
滑坡，
因为地下采煤导致失稳边坡的坡高640m、宽915m、厚152m、总方量3×10㎥的滑坡。滑坡掩埋了坡下的村庄，大约70人丧生。
由此可以知道，无论是天然的斜坡还是人工的边坡，这些变形破坏会对坡下的人类工程设施、经济活动和人的生命财产安全造成很大的危害。所以必须十分重视斜坡工程的问题，并做好斜坡破坏变形的勘探工作[1]。
7
2、浅层物探方法及对于地下目标体的应用
2.1、地质雷达法
2.1.1、地质雷达法的介绍
地质雷达探测是一种先进的探测技术，是最近十几年之间才发展起来的一种新兴的地球物理勘探的技术。它的优点是：分辨率高、快速经济、灵活方便、定位准确、实时图像显示、剖面直观等。现在已经成功应用于工程质量无损检测、岩土工程勘察、水文地质调查、生态环境检测、矿产资源勘查、城市地下管网普查、文物及考古探测等很多领域。并且取得了显著的效果和经济效益，在工程实施中不断提高完善，在之后的工程探测也一定会发挥越来越重要的作用。
2.1.2、地质雷达的工作原理
地质雷达的工作原理很简单，简单来说就是通过特定的仪器向地下发送高频、甚高频脉冲形式的电磁波。电磁波在介质中传播，当碰到电性差异的地下目标体, 如在分界面、空洞等时, 电磁波就会发生反射, 返回到地面时被接收天线接收。在对接收天线接收到的雷达波进行分析和处理的基础上, 根据接收到的雷达强度、波形、 双程时间等参数就可以推断地下目标体的空间位置、电性、结构及几何形态, 从而达到对地下隐蔽目标物的探测( 如图 2-1 所示) 。地质雷达探测是一种非破坏性的探测技术, 可以安全地用于城市的工程建设, 并具有较高的探测精度和分辨率[2]。
2.1.3、地质雷达在溶洞探测中的应用
图2-1 探地雷达工作原理示意图
图一中的R是发射天线，T是发射天线。电磁波在地下传播过程中当遇到目标体或基岩的时候发生反射，反射的信号回到地面由天线R接收并且记录，最后被主机处理就可以得到雷达记录的回波曲线了（如图2-2所示）。
图2-2 探地雷达记录的回波
图2中的横坐标的单位是m，横坐标是地面的探测距离，在地面打点可以得到各个点对应的点位下面的介质分布情况；纵坐标代表的是电磁波从到反射回地面并被接收所需要的时间。可以根据雷达记录的双反射时间就可以根据公式（1）得到该界面的埋藏深度H:
H=（1-1）
其中的t是目标雷达的反射时间；c是雷达波在真空中的传播速度
（0.3m/ns）；ϵr是目标层雷达的介质的相对介电常数的均值。最后根据雷达资料进一步处理，可以得到雷达剖面图，可以根据剖面图进行地质解释[3]
。
2.1.4、地质雷达确定断层参数
地下工程中断层的存在与否可以直接关系到工程施工方案的确定，因此，
在工程施工之前，必须进行必要的断层勘察，为地下的工程合理设计、正确施工、全面评价等方案提供可靠的资料。地下工程常见的介质基本上都是土、煤、泥岩、页岩、砂岩和灰岩等，这些都具有比较低的电导率，电磁波在其中传播的能量衰减比加慢，因此，利用地质雷达可以满足工程的勘察精度。断层的参数主要包括：断层位置、走向、倾向、倾角、落差和充填物等。
地质雷达多次沿着水平方向或者岩层层位探测。可以直接判断断层面的位置和形态，而连续确定的断层面的位置的连线就可以确定断层的走向。多次沿着垂直向或垂直岩层层位方向探测，在地质雷达的剖面图上就可以判断断层的倾向倾角，所以，地质雷达法可以直接确定地下工程一定深度范围内断层的位置、走向、倾向和倾角的参数[4]。
标志层是指相邻岩层的岩石性质差别比较大的岩层，标志层的上下界面的介质的电性差异比较大，地质雷达就容易分辨，断层的落差可以通过探寻上下盘标志层的位置来分析得出。走向基本一致的断层带的总落差就可以根据每一条断层落差的探测来分析得到[5]。
2.2、面波勘探法
2.2.1、面波勘探的介绍
当地震发生的时候，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。波动向地球内部和表层传播，形成了连续介质的地震波。地球的介质，包括表层的岩石和地球深部的物质，都不是完全的弹性体，但是因为地球内部有很高的压力，地震波的传播速度很大，波动的介质带来的应力和应变都是瞬时的，能量的消耗很小，所以可以近似的把地震波看成弹性波。地震波有两种类型，一种波是在弹性介质内部向四周传播的称为体波，体波分为纵波和横波，另一种是指沿着两种介质的界面传播，称为面波。这里我们主要介绍面波，面波也分为两种类型：一种是沿着自由表面（介质与大气层的界面）传播的波，称为瑞利波；另一种是在低速岩层覆盖高速岩层的情况下，沿着两个岩层界面传播的波，称为勒夫波。面波勘探，也成为弹性波频率测深，是国内外近几年才发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。因为面波中瑞利波（R波）在振动波组中的能量是最强、振幅最大、频率最低的波，容易识别和测量，所以面波勘探一般是瑞利面波勘探[6]。
2.2.2面波勘探的原理
面波探测技术的基本原理具体来说就是;利用面波沿着介质表面传播，在多层介质中相会随着速度变化等特征。通过激发一定频率范围内的瑞利面波，在地面沿着面波的传播方向上，每隔一定的道间距∆X设置N组检波器，就可以检测到面波在( N- 1) ∆X 这个长度范围内的传播过程。
相邻两个X长度道之间面波传播的速度VR为：
VR=2πfi∆X/∆ψ （2-1）
（N-1）的范围内的平均速度⎺V为：
⎺V=2πfi(N−1)∆X/∑n−1i=1∆ψi （2-2）
公式中的fi是面波的频率; ∆ψi是相邻检波器的相位差。
∆X可以根据具体的实验需要来确定，∆ψ相位差可以根据信号处理分析来求取。
在同一地区的一系列频率的VR值就可以得到一条VR-fi曲线，把λR=VR/fi转换成VR-λR曲线。这种速度随着频率变化的曲线称为频散曲线。频散曲线的变化规律跟岩土的结构性质和地质条件有直接关系，因此，分析这种内在的关系就可以达到探测地下地质体的目的[7]。
2.2.3、面波勘探在溶洞探测中的应用
面波勘探主要利用了瑞雷波的两种特性：⑴瑞雷波在分层介质中传播时的频散特性；⑵瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质的密切相关性。我们通过建立模型来分析面波勘探在溶洞探测中的应用，模型包括：涵管、防空洞。
（1） 涵洞 上部约为2m厚的人工填土，下部是空间1.5m高的涵洞。实测
中，偏移距从2m到12m变化，道间距在0.5m和1m中选择。16磅重锥垫软木锤击。经过数据处理之后，以偏移距为4m，道间距为1m的排列为最佳，频散曲线如图2-3所示。
图2-3 频散曲线图
图2-1中频散曲线（1.9～3.3）m处各点无规律跳动，连线后，锯齿状特征明显，且上下界面与实地观测相符。
（2） 防空洞 地表是夹碎石的粘土层，深度（0.8～2.2）m处是一个防空
洞，频散曲线如图2-4所示
:
图2-4 频散曲线图
图2-2中（1～2）m处频散曲线有上下拐点对应防空洞的上下界面。且速度VR 减小。
试验表明：（1）当地下存在溶洞时， 会影响瑞雷波的传播速度，与正常区段比较，VR 减小。影响程度与空洞的直径、顶面埋深H和λR有关。当
λR ﹤ H或λR ﹥5H时， 影响较小，当λR =(2～3)H时,影响较大；(2)溶洞对频散曲线的影响特征为：频散曲线在空洞埋深出现无规律的跳动， 把各点连成曲线，将成为锯齿状曲线。
面波勘探作为一种新的浅层物理勘探方法，优点是：简单、快捷、应用范围广、场地要求小。通过模型分析我们可以从以下两个方面判断浅层地下有没有溶洞：（1）频散曲线是否有规律的跳动，各个频散点连线之后是否呈锯齿状；（2）瑞利波速度VR 的变化[8]。
2.3、近地表反射波勘探
2.3.1、反射波法的介绍
反射波法采用人工激发震源, 使震源附近质点产生振动, 形成的地震波在地下介质中传播, 当遇到两种不同弹性介质界面时, 便产生反射,
利用反射波
的强度、 频谱、 相位、 波长和反射波的传播时间和空间的关系来解决相关地质问题。与其它物探方法相比, 反射波法具有分辨率高、 精度高、信息丰富的特点, 尤其是可以得到岩土的力学参数, 近年来在工程勘查领域得到了广泛应用。
2.3.2、反射波法的工作原理
反射波法勘探就是用人工方法( 如锤击、爆炸等) 产生振动, 研究振动在地下介质中的传播规律, 以查明地下地质情况。反射波法的工作流程如图 2-5 所示。首先采用人工激发震源, 使震源附近质点产生振动, 振动在地下传播形成地震波。当地震波遇到两种不同弹性介质界面时, 便产生反射。反射波到达地面时,又引起地面质点的振动。检波器把地面质点的振动转变为电振动, 然后通过电缆把电振动输送到地震仪器里, 先把它放大, 然后通过模数转换将电振动转化为数字形式记录下来供后续资料处理和解释使用。
图2-5 地震反射波法流程
浅层地震反射波工作的前提是地下必须存在有波阻抗的差异界面。图2-6所示的就是其工作原理，当在测线的不同位置O1、O2、O3……等处进行激发时，可以在一系列对应的观测点S1、S2、S3……上接收到来自地下反射界面R上同一点A的反射波，其相应的到时分别为t1、t2、t3……，其中A点称为共反射点，M称为共中心点。我们把共反射点各叠加道的数据在资料处理时从原始共炮点记录道里集中抽出集合在一起，就形成了共反射点道集的右半支。然后交换激发点O和接收点S，则可得到共反射点道集的左半支，这样便可形成
一条完整的共反射点时距曲线。然后通过正常时差校正，把双曲线型的共反射
点时距曲线校正成一条直线，然后进行同相叠加，便可得到M点处相当于自激自收的反射信息。另外，对于测线上其它各点采用相同的方法进行处理，便可得到一组反映各点自激自收反射信息的叠加时间剖面。
图2-6 共反射点叠加道的集及时距曲线
2.3.3、反射波法在滑坡勘探中的应用
众所周知, 滑坡体大多位于地形地貌起伏较大山体较陡的山坡地带, 通常是其前后缘高差较大且滑坡体的面积相对不大, 对其进行勘探, 工作场地相对不开阔。针对这类工程地质问题勘探, 仅仅依靠钻探的方法是不够的, 而该勘探手段设备笨重, 搬运困难。加之勘探费用比较高,致使钻孔数量有限, 所取得的地质资料信息量也相对较少, 所以靠几孔之见来查明滑坡体的整体形态是很困难的。应用常规的地震初至折射法或电测深法来探测此类工程地质问题, 又将受到地形地貌及工作现场狭窄等环境的限制。而地震浅层反射法则克服了上述物探方法的缺点, 该方法具有分层能力强、勘测场地小、不受地层速度倒转限制和所需震源能量小等特点。实践证明: 浅层反射法可在滑坡体勘探中发挥作用。
水平叠加剖面资料的处理, 系采用东勘院物探公司开发的SSP浅层反射数据处理系统进行资料处理。其处理流程为:
原始地震记录→格式输入→屏幕预
处理→初至切除→频谱分析→速度扫描→动校正→水平叠加→时深转换→打印时间→和深度曲线剖面图。得到深度曲线剖面图如（图3-3）所示。
图2-7 深度曲线剖面图
分析测区水平叠加时深曲线剖面图可知: 顺坡向剖面大约在4 380m高程以下及横坡向剖面的中间部位，时间剖面 T 1 同相轴振幅较大, 基本可连续追踪基岩顶板的反射波，反射波同相轴沿剖面时间变化范围为 20～60ms, 多数在 30～40ms, 对应的深度剖面图深度变化范围为 10～30m。而在4380 m高程以上及横坡向剖面的两侧, 由于覆盖层较浅， T 1 同相轴时断时续，波形混乱无规律，因此反射法在该地段失去作用,这部分勘探资料由小折射波法提供，度变化范围为3～8 m。
综合分析物探资料表明: 整个塌滑体的覆盖层厚度范围为 3～28 m 之间, 可见其变化范围较大。一般在4380 m 高程以上及滑坡体上下游边缘部位的覆盖层较薄，其厚度为 3～8 m; 而在4380 m高程以下滑坡体中间部位的覆盖层厚度较厚，多数为15～25 m[9]。
2.4.冲击回波勘探
2.4.1、冲击回波的原理
在物体表面施加机械冲击，在其内部激发瞬时的应力波，包括纵波P横波S和面波R。如（图2-8）所示，纵波和横波被内部缺陷或外边界反射所引起的表面位移由放置在冲击点附近的位移换能器检测。因为冲击点下方纵波的幅度为最大值，而横波的幅度比较小，所以表面位移主要由纵波产生，应力波在自由界面和内部缺陷/外边界之间多次反射，形成瞬时共振，从而使波形具有周期性特征，这种周期性在幅度谱中表现为对应于缺陷或边界深度的频率峰值，涌快速傅里叶变换将时域波形转化为幅度谱，从而获得换能器接收到的纵波频率。
如果已知结构内部纵波波速CP,则内部缺陷或者外界深度h为：
ℎ=Cpf（4-1）
式中f是反射波的主频率
该公式适用于混凝土与声阻抗低于混凝土材料间的界面，如果混凝土/空气界面和混凝土/水界面[10]。
如果待测材料的声阻抗比较高，则采用以下的公式：
ℎ=
Cp4f （4-2）
图2-8 冲击回波检测示意图
由于不同界面存在着不同的纵波反射形式,所以计算公式有所不同。如果下层材料的声阻抗低于纵波人射的材料（如固/气界面）,反射后波的应力将改符号，即人射纵波在界面处由压缩波反射为拉伸波，或相反（如图2-9）所示。图2-9-a为在固体混凝土板上进行冲击回波实验的示意图，其中实线表示压缩波，虚线表示拉伸波。冲击源在物体内部激发压缩波，并在混凝土/空气界面反 射为拉伸波。该拉伸波在上表面产生向下位移再次转化为压缩波。如（图2-9-b）位移波形所示，应力波在上下表面来回反射 ,相同的位移间的间隔为T=2d/CP(d是板的厚度)，对应公式（4-1）。
图2-9 混凝土/空气界面纵波反射示意图
相反，如果第二种材料的声阻抗高于纵波入射材料，则应力在界面处不改变符号。图2-9-a中对于钢筋混凝土板进行冲击回波实验示意图。图2-9-b
为其
波形。应力波在混凝土/钢界面不发生变化，因此相同位移间的间隔是T=4d/CP ，对应于公式（4-2）。
图2-10 混凝土/钢界面纵波反射示意图
由上可知，如果两种界面深度相近，可以根据频率的不同区分界面的类型。另外，还必须考虑反射波的幅度。两种材料声阻抗的不同决定了界面上反 射波的能量大小，从而决定了用冲击回波法能否探测到该界面[11]。
2.4.2、冲击回波检测混凝土结构
在介质表面用震源施加一瞬时冲击，产生应力脉冲波（主要考虑纵波）传人介质内，质内部缺陷表面（ 洞、窝、分层）或底部边界反射到介质内，反过 来，又被介质表面反射回介质内，从而再 一次被介质内部缺陷表面或底部边界反射，如图所示4-1所示。因此，应力波在介质表面/内部缺陷表面或介质表 面/底部边界之间多次来回反射产生了瞬态共振条件，其共振频率能在振幅谱中辨别出，可用于确定构件厚度和内部缺陷深度[12]。
图2-11 冲击回波检测技术原理图
在震源附近布置传感器，用于探测反射纵波到达而引起的表面垂直位移 , 如图2-11所示.图2-11中用箭头表明的是沿介质表面传播首次到达传感器的纵波 （P 波）、剪切波（S波）和瑞利波（Ρ 波）
，曲线后面部分是由于应力波在
介质中来回反射造成的，反射纵波的振幅Uref为：
Uref=A1(Z2−Z1)/(Z2+Z1) （4-3）
式中：Z1、Z2为交界面两侧介质的声阻抗；A1 为波所引起介质颗粒运动的位移[13].
把传感器获得的时域信号通过快速傅立叶变换法来转变为频域信号,即把位移一时间曲线转换成振幅-频率关系曲线(振幅谱) ,如图2-12所示,根据式4-4可求出混凝土结构厚度[14]。
图2-12 时域信号示意图
如混凝土结构构件中存在缺陷(蜂窝或孔洞),因应力波要绕过内部缺陷才 能被底部边界面反射,而使传播路径增大,因此,在振幅谱中结构厚度频率向低频的部分漂移,这是判断缺陷存在的关键因素。缺陷的位置也能通过振幅谱分析确定。由于纵波在缺陷表面的反射将在振幅谱的高频部分产生一个显著的振幅峰值或一系列显著的振幅峰值（如混凝土结构中存在蜂窝情况）,如图2-12所示 , 可由式(4-5)推测裂缝深度。
如所测试的构件中纵波传播的速度为Cp，振幅谱中与振幅峰值相应的主频 率为f，则内部缺陷（内部蜂窝和孔洞）深度d或构件厚度h为
d(h)=0.96Cp2f=Cp,p/2f （4-4）
3Cp×(t2−t1)+HD=√[−H2 （4-5） 2式中Cp为介质中表观（视）纵波速度，为无限介质中纵波速度的96％（主 要是考虑了结构构件形状尺寸对纵波传播速度的影响）[15]
2.5、电法勘探
2.5.1电法勘探的介绍
这里我们主要介绍高密度电法在浅层物探中的应用。高密度电法和电测深法，在铺设一次导线之后只完成一个记录点的数据观测，高密度电法进行二维地电断面测量，具有剖面法和测深法的功能，与常规的电法相比，高密度电法具有以下优点:
(1) 电极布设一次性完成，减少了因为电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差。能有效进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得丰富的关于地电结构状态的信息。
(2) 数据采集和收录全都实现了自动化或者半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误。可以实现资料的现场实时处理和脱机处理，根据需要自动绘制和打印各种成果图件，大大提高了电阻率法的智能化程度。
由此可见，高密度电阻率法是一种成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力显著提高的电法勘探新方法。高密度电法供电为低频交流电，测量 结果为地层视电阻率，因此实际上属于直流电阻率法，其工作框图见（图2-
13）。
图2-13 高密度电法工作示意图
高密度电法数据采集系统由主机、多路电极转换器、电极系，部分组成 。 多路电极转换器通过电缆控制电极系各电极的供电与测量状态。主机通过通讯 电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令、向电极供电并接收、存贮测量数据。数据采集结果自动存入主机，主机通过通讯软件把原始数据传输给计算机。计算机将数据转换成处理软件要求的数据格式，经相应处理模块进行畸 变点剔除、地形校正等预处理后，最终二维反演、成图[16]。
2.5.2高密度电法勘察无充填溶洞
本次勘察的是永宁隧道，探测一共布置两条测线，分别是沿着隧道左线中
轴线的DF1-DF1和隧道右中轴线的DF2-DF2。如图2-14所示是探测所得的ρs断面及对应的解释地质剖面。2-14a、6-14b为测线DF1-DF1所得的ρs断面及解释剖面，2-14c、2-14d是测线DF2-DF2所得ρs 断面及解释剖面。
从ρs断面可以看出，两条断面从起点到终点方向ρs 值逐渐增大，各异常面在两断面上具有很好的可追踪性，根据所得的ρs 断面异常、现场踏勘和后期开挖揭露，做出了相应的解释剖面，断面主要异常点统计如表2-1。
从统计表可以看出，各地质体的电性特征明显，粘土充填溶槽的ρs 值﹤125Ω·m；充填的强溶蚀裂隙带ρs 值125～375Ω·m； 充填的中-微溶蚀裂隙带ρs 值375～1000Ω·m ；完整的三叠系永宁镇组灰岩1000～5000Ω·m ；无充填溶洞的ρs 值＞5000Ω·m ，与围岩相比，显示为相对高阻闭合区。[17]。
图2-14 永宁隧道电法探测ρs剖面及解释图
a. 右边ρs剖面：b.右边解释剖面：
图2-14’ 永宁隧道电法探测ρs剖面及解释图
c.左边ρs剖面：d.左线解释剖面
表2-1 断面主要异常点统计
2.6、瞬变电磁法勘探
2.6.1、瞬变电磁法的介绍
瞬变电磁法（TEM）是一 种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工 源电磁探测方法。它利用不接地的回线（磁源）或接地的回线（电偶源）向地下发送一次脉冲磁场（一次场），在其激发下，地下地质体就会产生相应的感应涡
流，它是随时间变化的感应电磁场（二次场）。由于二次场包含地下地质体的地电信息，在一次场间歇期间，观测二次场的特征，提取这些信息，就可以达到探测地下地质体的目的[16]。它 以20世纪40年代前苏联科学家A．H．Тихонов的理论研究为基础，近年来，瞬变电磁法是电法勘探领域发展最快的一种重要方法。相对于其它地球物理方法，TEM具有探测深度大，分辨能力强，反映的地电信息丰富等优点[18]。
在工程领域，瞬变电磁法方法有其独特的优势，在覆盖层厚度探测及分层，基岩划分，探测地下裂隙、基底断裂、破碎带，沙漠干旱地区找水，地下空洞（煤矿采空区）探测等领域都有成功的案例[19]。
2.6.2、瞬变电磁法在地下工程探水中的应用
图2-15为本次勘探中的100线视电阻率断面图，横坐标为点号，纵坐标为水平深度[20]；颜色由红至蓝，反映地层视电阻率的由高到低的变化。从图可看出红色虚线圈定的为一低阻异常区[21]。该区域视电阻率值为20～30欧姆/米，控制点较多，异常很可靠。判断该区域裂隙较发育，含地下水可能性较大[22]。确定01孔在此处施工，钻进至23m处出水，水量约40m3/d。出水井深于电法资料中25m处的低阻异常区吻合较好，说明电阻率成像结果可靠。证明了运用瞬变电磁法寻找浅部地下水是可行的[23]。
图2-15 100线视电阻率断面图
3、综合浅层物探技术的工程应用实例
3.1、综合物探在地基工程勘察中的应用
3.1.1、研究区地质概况
测区地貌为一山丘的斜坡面，主要由三个高低不同的台阶组成，第一层台阶位于靠近丘顶位置，最后一个台阶靠近丘底，坡面下有一条废水渠，水深大约在3m左右，且常年有水。测区上覆地层成分变化较大，有人工回填物，成分主要为砖块、瓦砾等建筑废料，质地疏松，以及第四系全新统人工填土（Q4ml）杂填土；其下是第四系上更新统冲击层（Q3al）粉质黏土，然后是白 垩系上统灌口组（K2g ）卵石，下伏强风化和中风化基岩为侏罗系遂宁组（J3sn），岩性主要为粉砂质泥岩，据现场勘察所知：台阶Ⅰ和台阶Ⅱ上覆较浅的黏土层，台阶Ⅲ表层为鹅卵石[24]。
3.1.2、数据采集及参数设置
此次高密度电法工作根据勘探目的和现场勘探情况，此次勘探采用α装 置和β装置对数据进行采集。其中α装置对垂向分辨率比横向分辨率灵敏度高，抗干扰能力强，勘探深度较大，对电性的垂向变化（如对水平地层的分层）较有利。β装置能有效突出地下电性异常区域，横向分辨率和纵向分辨率适中。由此次勘探目的选取电极距为3m，60电极测量[25]。
为了选取合适的工作参数，本次浅层地震勘探工作施工前在勘探区域做了一定数量的试验工作，以确定最佳的激发接收条件、观测系统及仪器工作参 数。试验段选在测线上具有代表性的地段。最终选定偏移距为1m，道间距为2m，采用24道接收，激发方式为锤击震源；为了得到更高的信噪比，观测系统选用6次覆盖观测系统，场地限制区域采用变观处理（如图3-1）[26]
图3-1 六级覆盖观测系统综合平面布置
3.1.3、资料处理
高密度电法数据处理采用Res2dinv瑞典高密度软件进行处理，处理中， RMS误差小于10％即视为达到精度要求，且处理结果无过多修饰性处理，以保证结果的真实性和可信性。把格式转换好的视电阻率，经数据预处理消除坏点（如某一电极连接不通或因接地电阻过高而产生的异常数据），保留数据较
一 致的数据点（如图3-2）。然后，把预处理后的数据经地形校正，再选用合适的反演方法（此次采用最小二乘法），就能得到关于地下的视电阻率分布图[27]。
图3-2 高密度电法数据处理流程
地震反射波法数据处理采用采用了VISTA地震数据处理软件系统进行处理。野外采集的原始记录质量较好，干扰波主要为面波和声波。通过对全道记录作频谱分析，客观地反映了浅层地震记录的频率分布范围。在对各记录频谱进行分析的过程中，分别选取低通，高通和带通三种滤波器进行了数字滤波， 经多次试验和对比，在一定程度上压制了声波和高频随机干扰波，并用FK
二
维扇形滤波和相干加强的方式，对面波和其他干扰波进行了压制。在叠后的时间剖面上做了中值滤波和FK信噪分离，提高了最终输出的反射水平叠加时间剖面的信噪比。地震反射波法数据处理的具体处理流程（如图3-3）所示[28]。
图3-3 浅层地震数据处理流程
3.1.4、资料分析与处理
首先，通过高密度电法视电阻率断面图（图3-4）对测区进行定性分析， 从图中可大致将测区分为三层：表层电阻率较低，且分布均匀；中间层电阻率较高，且分布不均；深部层电阻率较低，分布不均匀，且有局部低电阻率异常区域。然后，通过浅层地震反射波法水平叠加时间剖面图（图3-5）对测区地层进行定量解释。从图中也大致可把测区分为三层：浅层为低速层，纵波速度在 低于1200ｍ/ｓ；中层速度分布不均匀，纵波速度在1200～1600ｍ/ｓ之间变化；深层速度分布也不均匀，纵波速度在1400～2400ｍ/ｓ之间变化[29]。
对比分析图3-4和图3-5可以发现，在断面0～108m位置有一段低视电阻率值且厚度在2～5m之间的低阻区域，但这一区域在地震水平叠加时间剖面曲线上反映不明显。这是由于这一覆盖层深度太小，通过地震发射波法探测的效果不显著[30]。
图3-4 高密度电法视电阻率断面
图3-5 浅层地震反射波法水平叠加时间剖面
结合高密度电法、 地震反射波法和现 有 的 地质资料， 对测区地质情况作详细的描述， 并将成果绘制成综合物探推测的地质断面图（3-6）。
测区表层视电阻率ρs＝10～30Ω·ｍ， 纵波速度VP＝300～600ｍ/ｓ,该 层在断面0～108ｍ处，厚度在0～10m之间。推断盖层为第四系覆盖层，主要为粉质黏土和类沙土层。下伏岩层视电阻率ρs＝40～70Ω·ｍ，波速变化范围较大，纵波速度VP＝800～1600ｍ/ｓ。盖层厚度在10～20ｍ之间。从纵波速度和视电阻率值上可推断盖层为白垩系上统灌口组卵石层，之间夹杂人工回填物，主要为建筑废渣，从而表现为局部高阻异常[31]。深部岩层视电阻率ρs＝20～30Ω·ｍ，纵波速度VP＝1400～2000ｍ/ｓ。 盖层厚度在40～50ｍ之间。从纵波速度推断该层为侏罗系遂宁组，岩性主要为强风化和中风化的粉砂质泥岩。该层中间存在区域低阻异常，视电阻率ρs＝5～15Ω·ｍ，视电阻率变化范围较小，且明显低于周围围岩，纵波速度VP＝2200～2400ｍ/ｓ，纵波速度明显高于周围围岩。该区域既是低阻区，又是高速区，从而推断该区域异常为鱼塘回填后形成的富水性异常区域[32]。
图3-6 综合物探推测的地质断面
结论
浅层物探手法目前广泛应用于工程施工的各个领域，这些物探手法具有不同的优缺点。地质雷达法可以用于比较准确的查明溶洞、地下水、断层以及不良地质体的位置和分布情况，与常规物探手法相比具有轻便、快捷、经济的特点。雷达探测的精度虽然比较高，可是探测数据的判释主要依赖于判释人员的技术和经验，特别是对于回波形态的微小差异，需要人员具有较丰富的经验。瞬态面波勘探技术与常规的手法相比具有现场场地工作条件不高、不受各地层速度影响、对于浅部地层分辨率高的特点。，虽然面波勘探技术在工程中的应用已经很广泛了，可是在实际的工作中还是存在以下问题：从理论模型的解释中还不能准确的解释面波频率曲线的“Z”字型现象、对于面波勘探深度的确定还是经验公式。冲击回波法勘探与常规的物探手法相比具有分层能力强、勘探场地小、不受地层速度倒转的限制和所需震源能量小的特点。高密度电法与其他的电法相比是一种成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力显著提高的特点。除此之外，高密度电法的电极布置一次性完成，减少了因点击设置引起的干扰和由此带来的测量误差；它能有效的进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的信息。近年来瞬变电磁法的应用范围越来越广泛，随着技术的进步和一起系统的简洁化，轻便化，瞬变电磁法在工程地球物理勘探领域不失为一种精细并且行之有效的方法。但是在实际的应用中：瞬变电磁法采集信号收到噪声和弱信号的影响；仪器不够轻便化，装置不够简单也是缺点。
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致谢
感谢我的导师胡泽安老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我在工作学习中的榜样，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，从开始的收集资料，初稿的审核到最后的定稿的整个过程中，老师都及时给予我建议，之处不足之处，帮助我更好的组织论文结构，不断的充实论文的内容。
同时我要感谢我们组的其他成员，在论文的编写过程中我们组所有的 成员相互帮组，我们相互指出论文中的不足之处以及问题，然后我们再一起集中修改，最后才形成我们的最终论文。