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瞬态面波法在工程勘察中的应用面波勘探是一种能够快速并准确测试地表浅层地质信息的物理勘探法，近些年来才在我国出现并应用。
随着信息时代软硬件的快速完善和进步，瞬态面波法渐渐为人们所熟知并采用。
本文将介绍面波勘探技术的概况，工作原理以及野外测试法，并通过实例来说明其在工程中的应用。
标签：面波勘探稳态面波检波器震源面波通过地表由震源向外传播，它的波阵面呈圆柱面。
和体波不同的是，面波能量更强而速度和频率却较低，很容易识别，所以在地质结构探测的物探方法中更具有优越性。
1面波勘探技术概况在反射波地震勘探中，面波是一种被压制和去除的干扰波。
面波在地层介质传播中会携带经过介质中的如岩性、速度、深度等地质信息。
将这些地质信息有效的提取出来。
尤其是面波所擅长探测的浅层地质问题。
相对于传播于弹性空间的介质体积内的体波，还有一种波，它从能量角度来说分布在弹性分界面附近，这就是面波。
面波是一种沿地表传播的弹性波。
1887年，英国数学物理学家瑞雷预言了一种振幅沿纵向呈指数衰减的干扰波——面波。
面波是沿着地表层传播的，约为一个波长的厚度。
这种面波的传播特性能够反映该片区域的地址情况，对于解决人们了解掌握浅层地质信息很有帮助，所以此面波就以它的发现者命名为“瑞雷面波”。
2面波工作原理面波勘探取决于震源和接收两大因素，根据震源和接收方式的不同分为瞬态法和稳态法。
（1）稳态面波。
稳态震源下以一个固定频率激发垂直于地面的简谐振动，并以单频简谐波的方式传播，就是稳态面波。
我们一般用检波器在地面进行面波的接收，按照相位差或者时间差法就能够计算出这个频率下的面波速度VR。
通过改变震源频率，反复测量和计算能得出一组频率不同的面波速度并绘制曲线VR-f。
稳态面波根据其震源频率的不同可以产生出许多不同频率的面波。
我们通过运用日本VIC株式会社在80年代推出的佐藤GR-810自动地下勘探机，可以设计各种频率的震源，从而能够一步步的改变面波的穿透深度。
瞬态面波野外数据采集流程第一步：仪器准备首先要准备好地震仪器及附件。
常用的仪器有地震野外数据采集仪、重锤、接收器、地震记录器等。
在准备过程中需要检查仪器和附件的完好性，确保其能正常工作。
第二步：场地选择和布置面波数据采集需要选择合适的场地，一般选择地形平坦、没有建筑物和大的地下障碍物的地方。
选择完场地后，需要进行布置。
布置的方法一般采用线性布点或网格布点方式，根据实际需要确定布点的间距和数量。
第三步：测线铺设按照布点的位置，在场地上铺设测线。
一般使用固定长度的测线（几十米至几百米），根据实际需要确定测线的长度和方向。
铺设的方法可以采用人工测量和标志测点，也可以使用GPS和测距仪等仪器辅助。
第四步：重锤激发在每个测点上，使用重锤进行激发。
激发时需要注意保持重锤的竖直状态，力度适中，以避免对数据采集的影响。
每个测点可以进行多次激发，以获取较好的地震波数据。
第五步：接收器布置将接收器布置在测线上的各个测点上。
接收器可以是地面接收器，也可以是埋在地下的接收器。
接收器布置时要保持一定的间距，以避免相邻接收器之间的干扰。
第六步：数据采集完成测点的激发和接收器的布置后，开始进行数据的采集。
数据采集时需要将地震记录器与接收器连接，确保数据采集的准确性。
通过设置合适的采样率和采样时间，获取有效的地震波数据。
第七步：数据处理和分析采集到的地震波数据需要进行处理和分析。
处理的方法可以采用滤波、去噪、反演等技术，以提取地下结构的信息。
分析结果可以绘制出剖面图、速度模型图等，用于进一步的解释和应用。
第八步：数据解释和应用通过对野外数据进行解释和分析，可以获取地下结构的信息。
根据野外数据的解释和分析结果，可以进行地质勘察、岩土工程设计等应用，为地下工程的建设提供参考。
以上是瞬态面波野外数据采集的流程。
这个流程主要包括仪器准备、场地选择和布置、测线铺设、重锤激发、接收器布置、数据采集、数据处理和分析以及数据解释和应用等步骤。
一、实验目的1.熟悉面波法中面波数据窗口的圈定；2.掌握在F-K 域进行频谱分析，用频散数据进行深度解释。
二、实验内容1.对外业所采集的瞬态瑞雷面波原始波形记录进行整理和评价；2.对原始波形记录进行滤波处理，压制某些干扰波；3.圈定有效波(面波)数据窗口；4.在F—K 域进行频谱分析，做出频散曲线，进行深度解释。
三、实验步骤1.地震记录的整理和评价（1)地震记录的整理对外业实验班报记录进行检查和整理，严格检查记录的质量，班报记录的参数，校对剖面号、测点是否正确，复核记录与填写参数的一致性。
（2)地震记录的评价满足下列条件者，评为“合格”记录。
观测系统正确，符合设计要求；各检波道工作良好，无不工作道；实验班报记录填写准确无误。
2.对原始记录进行滤波处理在原始记录中，除了面波是有效波外，其它都是干扰波。
由于面波的频率低，能量强，而干扰波(反射波、折射波和声波等)频率较高、能量较弱，因此对原始波形记录进行低通滤波处理可压制干扰波，增强有效波。
3.圈定面波数据窗口首先在处理地震数据窗口下装入具有SEG-2 数据格式的单边激发等道距地震记录文件，然后对波形记录进行监视显示。
监视显示可上下移动记录图像，并可增减垂直和水平比例尺，还可增减记录波形的振幅和改变波形的显示颜色或灰度，并可上、下移动光标至记录的任意位置读取横坐标距离和纵坐标时间，另外还可以读取记录参数(如采样率、道间距等)。
进行监视显示后，接着可圈定面波数据窗口。
在X-t 域(距离—时间域)及相应的速度域调整X1,X2,V1,V2 即可圈定面波数据窗口。
X1,X2 为调整道窗口，V1,V2 为相应的高阶及低阶面波窗口。
也就是说把形似扫帚状的面波区域圈定起来。
在调整面波窗口时，通过上下左右箭头键、翻页键等将光标转向，在X-V 窗口中自动显示X1,X2,V1,V2 的值。
4.瑞雷波速度的确定瞬态激振所产生的面波记录波形，是时间域信号，包含了多个单频瑞雷波。
多道瞬态面波法在强夯地基处理检测中的应用摘要：近年来，多道瞬态面波法的快速发展具有快速、经济的特点，适用小场地等特点, 而且其测试成果直观。
强夯法是建筑地基处理中常用的一种施工方法，施工简单，效果显著，造价低廉。
为了评价地基强夯效果，经常采用平板荷载试验确定地基承载力，采用静力触探或动力触探试验确定地基的深度和均匀性。
然而，这些传统试验只能得到地基的部分信息，不能全面、快速地评价地基处理效果。
关键词：多道瞬态面波法；强夯地基；检测；应用强夯法是一种利用夯击锤自由落体来冲击地基并产生冲击能和振动能来加固地基的方法,基于这个原理,强夯法又被成为动力固结法。
由于强夯法具有适用范围广、施工简便、经济实惠等优点,因而被广泛应用。
强夯法加固效果的检验一直以来是研究的热点问题,常用的检验方法是根据土性选用原位测试和室内土工试验。
然而传统的检测方法费时费力,检测数量庞大,且会对地基造成不同程度的损坏,因此结合现场试验,利用多道瞬态面波法这一简便环保的无损检测方法来对强夯法的地基处理效果进行检测。
1检测原理及方法面波在地球表层进行传播,其传播特点是同等波长能反映出地层岩性在水平方向的规律变化情况,而面波能采集浅层不同深度范围内的各种波长数据,因而能反映地层从浅到深不同深度范围内的地质变化情况。
多道瞬态面波法是利用瑞利面波在地下地层传播过程中,其振幅随深度衰减能量基本限制在一个波长范围内,某一面波波长的一半即为地层深度(半波长解释法),即同一波长的面波的传播特性反映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不同深度的地质情况。
在地面通过锤击、落重或炸药震源,产生一定频率范围的瑞利面波,再通过振幅谱分析和相位谱分析,把记录中不同频率的瑞利波分离开来,从而得到Vr—f曲线或Vr—λ曲线,通过解释,获得地层深度及面波速度。
地震波按传播方式可以划分为三种类型:纵波、横波和面波。
面波只在介质的表面传播,但其传播速度却与介质内部构造有着密切的关系,主要的面波有瑞雷波和勒夫波,目前主要是利用瑞雷波进行工程检测。
第20卷第1期物探与化探V ol.20.No.1 1996年2月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORATION Feb., 1996瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实例刘云祯王振东(北京市水电物探研究所，北京100024) (地矿部工勘办，北京100812)摘要本文介绍我国研制开发的SWS瞬态面波数据采集处理系统的主要技术指标、软件特点与运行环境及工程应用实例，指出多道面波采集系统在发展瞬态面波法方面的关键作用。
关键词瞬态面波法，多道面波采集处理系统。
前言传统的地震勘探一直利用的是体波，利用天然地震中的面波推断地球内部构造的尝试约始于五十年代，利用人工激发的面波进行地质调查则是近二十几年的事。
面波有天然面波与人工面波之分，由于激振方式不同，致使面波法目前又进一步分为稳态面波法和瞬态面波法。
六十年代，美国人提出面波的半波长解释方法，并将稳态面波法首先用于地基勘察。
据报道有四个测点的探测深度曾超过10m，揭开了面波勘探的序幕。
在七十年代，我国工程界亦开展了稳态面波测试试验，主要是在基础块上进行，由于当时的技术条件尚不太成熟，还满足不了地基土分层的需要，因此，此类试验研究沉寂了一段时间。
较早将稳态面波法形成探测系统用于工程实践的是日本VIC公司，他们经过八年努力，于八十年代初推出GR810佐藤式全自动地下勘查机，并数次来中国表演，由于设备昂贵，我国迄今仅购置二台。
八十年代后期，稳态面波法试验研究在我国悄然兴起，地矿部、水利水电部、冶金部、中科院、浙江大学等均先后开展了应用开发研究。
进入九十年代，稳态面波法，特别是瞬态面波法，在硬件研制和软件开发两个方面，都相继取得引人注目的进展。
本文着重介绍我国自行开发研制的瞬态面波法的一种数据采集处理系统以及这一系统在机场、高速公路和浅层煤田上进行工程地质勘察的实例。
1瞬态面波法概要试验表明，瑞雷波某一波长的波速，主要与深度小于该波长一半的地层物性有关，这就是用一定波长的瑞雷波速度来表征一定深度地层物性的实验基础。
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，其形式与电法的频率测深有某些类似，故初期，在《浅层地震勘探应用技术》一书中，稳态面波法曾被称之为弹性波频率测深。
瞬态面波法不同的是通过锤击、落重乃至炸药震源，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瑞雷波分离出来，从而得到一条Vr-f曲线或Vr-λr曲线。
解释方法多采用半波长法，但进一步研究发现，半波长解释方法有时不够精确，实际应用中需作修正或改进。
现已研究出若干种解释方法。
推断层厚度的方法目前有一次导数极值点法和拐点法；计算层速度的方法有渐近线法、rr v λ∂∂H 极值法和近似计算法以及层厚度、层速度的综合解释法等。
在实际应用中，一般绘制r v - βλr (β为波长深度转换系数)，为便于分析频散曲线的变化规律，还同时绘出r r v λ∂∂-βλr 和rr v λ∂∂H-βλr 曲线。
通过正反演计算，进行人机联作速度分层，也是日趋常用的处理解释方法。
2 S WS 数据采集处理系统2.1 系统框图 ( 图1)2.2 SWS--1型多功能面波仪的主要技术指标道数：12道、24道，可扩展 为48道；测试时1道至多道可选放大器：瞬时浮点放大器； 图1 模数转换：20bit ；信号增强：32bit ；采样率：30μs-8ms 分若干档；采样点数：512—8192个样点分若干档；动态范围：120dB ；滤波器：高、低通模拟滤波；CPU ：80386或80486；RAM ：2Mb ，可扩为4Mb 、8Mb 、16Mb ；硬盘容量：80Mb ，可扩为120或200Mb ；软驱：1 ⨯ 3.5英寸，1.44Mb ；显示屏：640 ⨯ 480点阵VGA 液晶显示屏，可外配彩显显示彩色剖面；打印与绘图：输出各种纪录与处理结果；电源：DCl2V ，24道额定功耗小于25W ；体积：45 ⨯ 34 ⨯ 15cm 3；重量：8.8Kg ；使用环境：-5︒C —+45︒C2.3 软件特点与运行环境与SWS 多功能面波仪相配套的面波处理系统为SWS Ⅱ版本，地震勘探处理系统为CSP Ⅲ版本，这 图2 些处理系统功能强、直观、快捷、实用，适合于现场使用。
运行环境为各种CPU ，如386、486微机协处理器，DOS 版本在 3.0以上。
上述软件在多种型号打印机上均可实现打印与绘图输出，如CanonBJ Loex 、M1724、M2024、LQl500、LQl600、EXl0E 、AR —3240、M2724、M3070等。
面波处理系统的主要功能模块及处理流程见图2，处理流程大致分为四段，第一阶段为面波原始记录编辑，第二阶段为面波提取与频散分析处理，第三阶段速度分层，第四阶段速度分层再处理与地质解释。
2.4 多道面波采集系统的优势与关键作用SWS-1型多道面波采集系统与通常只有两道的面波采集系统相比，至少具有四个方面的优势。
第一，可以在时间剖面上准确识别面波所在的时间空间位置(图3)，从而为合理设计面波观测“窗口”提供依据。
如同做浅层地震反射波法时需要采用“最佳窗口”技术一样，面波采集也需要做此项工作，这也是能否采集到有效面波信息的关键之一。
第二，可以在多道采集的有效面波记录上，根据波形的时序关系分析波的来源。
识别所图3采集到的波是直接来自激发震源的波，还是间接来自震源的侧面波、绕射波以及其他环境干扰震源所产生的波，等等。
为合理布设测线方向，选择震源位置和激发时机提供依据，这是又一能否采集到有效面波信息的关键所在。
第三，可以在多道采集面波记录上容易区分开基本振型和高阶振型面波，从而为合理选用不同振型的面波，解决不同地质问题创造了条件。
目前主要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。
第四，可以在现场同一地点，使用不同窗口采集不同类型的波自身进行校核。
例如利用反射波剖面计算出速度，与由面波的时深——速度曲线计算的速度进行对比，彼此校核。
3应用实例3.1 工程勘察图4 图5图4是在福建三明机场采用锤击震源和瞬态面波法取得的工作成果。
其中左图为随深度变化的面波速度曲线，右图是钻孔验证和竖井验证的地质成果柱状图，二者对应良好。
后来在机场工程勘察中全面采用瞬态面波法，节约了三分之一的钻探工作量。
图5是在上海佘山某建筑场地使用SWS多功能面波仪和锤击震源勘察地基的波速实测曲线和人机联作地层分层的解释成果。
该测线地点基岩埋深为7.46m，实测曲线有明显拐点，其上土层分为六层，剪切波速由118m／s变化至338m／s，反映了由地表的松散残坡积土至深部碎石夹土的地层变化。
3.2 浅层煤田勘探图6是在山西安太堡露天煤矿的开挖平台上，采用落重震源和瞬态面波法取得的工作成果。
左图为随深度变化的面波速度曲线，右图为钻孔柱状图，由于界面两侧介质的速度参数差异较大，与速度变化曲线的对应情况更好。
3.3 探测地下老煤巷图7是采用落重震源和瞬态面波法探查露天煤矿开挖平台地下老窑的工作成果。
图中a为测点下平均视速度曲线；b为测量排列中第一道检波点与第二道检波点之间地层的视速度曲线；c图为测量排列中第二道检波点与第三道检波点之间地层的视速度曲线；d是测量排列中第三道检波点与第四道检波点之间地层的视速度曲线；图6e图为测量排列中第四道检波点与第五道检波点之间地层的视速度曲线。
由以上曲线可以判定老窑位于排列中第二道检波点与第三道检波点之间的下方。
矿方据此布置钻孔验证，在钻孔的27m—29m 图7深度处探到老窑，与第三条速度曲线的A点和B点反映的顶底板深度相近。
3.4 利用行驶的汽车作为振源一例在北京站新建大厦场地进行瞬态面波测试时，利用行驶的汽车作为振源，采集到一张面波记录(图8)。
该记录波形单一，且频率较低，经SWS处理软件处理后得“深度——速度平滑取点图”(图9)。
将此图与建新大厦场地波速测井Vs速度随深度分布图(图10)对比，发现二者的速度分布具有相似性。
这种相似性是偶然巧合，还是有内在必然联系，值得进一步探讨。
3.5 利用炸药震源二例在连云港至徐州高速公路的面波勘探试验时，采用了图8炸药震源，探测深度明显提高，图11反映出探测已大于70m，图12的速度曲线则在100多米深度有一拐点A，推断为地质界面，经钻孔验证为基岩界面，深度推断误差小于3m。
4结束语从上面七个有代表性的应用实例不难看出，这套SWS多道数据采集处理系统，可根据任务灵活选用锤击、落重乃至炸药震源，将探测深度从十几米一下子提高到一百多米，加之有较强的软件功能保证勘察工作质量，从而展示出瞬态面波法在工程勘察领域的广阔应用前景。
当然，瞬态面波法的研究和用于工程实践的时间都还不长，无论是数据采集技术、数据采集处理本身以及解释方法等，都还不能说已经十分成熟，有待研究开发的课题不少，其中建立三分量数据采集处理解释系统，将是我们下一步要重点攻克的目标之一。
(1) 王振东，浅层地震勘探应用技术，1988年初版，1994再版，地质出版社。
(2) 杨成林等，瑞雷波勘探，1993年，地质出版社。
DATA COLLECTION AND PROCESSING SYSTEMOFTRANSIENT SURFACE W A VE METHODAND EXAMPLES 0F ITS APPLlCATI0NLiu Yunzhen(Beijing Institute of Geophysical Exploration for WaterConservancy and Electric Power, Beijing 100024)Wang Zhendong(Office of Engineering Reconnaissance, Ministry of Geologyand Mineral Resources，Beijing 100812)Abstract The present paper gives an account of the main technical indices, software features and operation environment as well as engineering application examples of SWS transient surface wave data collection and processing system developed in China, and points out the key role played by multichannel surface wave collection and processing system in the development of transient surface wave method.Key words transient surface wave method, multichannel surface wave collection and processing system第一作者简介刘云桢，男，山东济南人，1947年生。
