堤坝隐患的天然源面波成像研究

堤坝隐患的天然源面波成像研究
诸如空洞、软弱层、渗漏、裂缝等病害严重威胁堤坝的安全，因此，堤坝隐患的探测具有重要的现实意义。

当前应用到堤坝隐患探测的物理方法主要有直流电法、电磁法、弹性波法、放射性法和流场法等，而这些方法都是有源的，或者向地下供电，或者发射电磁波，或者产生地震波。

而微动探测是无源的，它利用地球表面无时不刻存在的微弱震动，从里边提取面波信息，通过对面波频散曲线进一步反演，可以获得地下介质速度结构。

通过隐患原型的微动探测试验，表明微动探测技术可以解决部分类似的隐患探测问题，通过长江大堤上的实际应用，微动探测取得了较好的效果。

标签：天然源面波堤坝隐患模型试验长江大堤
0引言
我国现有大中型水库8万余座，江河湖泊堤防26万公里，这些堤防及水库在国民经济及社会发展中产生了巨大的效益。

但是随着时间的流逝以及突发自然灾害（如地震、洪水、火山爆发等）的破坏，这些水利设施存在的各种隐患严重威胁堤坝的安全。

目前迫切需要更多、更有效、更快捷的隐患探测手段，为堤坝的日常维护和防汛抢险工作提供指导。

在堤坝隐患探测技术方面，国际上，荷兰做过大量工作，但是多停留在室内模型计算试验方面，而且是针对海防工程的。

我国应用堤坝隐患探测的地球物理勘探手段包含电法、电磁法、弹性波法、放射性法和流场法等，已探测各类堤防2000Km，水库渗漏100余座，取得了一定的成果。

电法类主要是电阻率法探测技术，其中的高密度电法应用较广，国内最早开展堤防隐患探测技术研究的是山东省水利科学研究所，1985年研制出ZDT—1型探测仪，1986年曾获得水利部科技进步2等奖，1990年，九江市水利科学研究所的邓习珠等研制出TTY-1型便携式智能堤坝探测仪，利用电测深探测蚁穴洞穴，取得了一定的效果，1990年，徐广富提出了利用自然电场法探测堤防渗漏入口的设想，但未实施。

1993年，刘康和等应用K剖面法探测堤坝的隐患。

黄河委员会承担了国家“八五”重点科技攻关课题“堤防隐患探测技术研究”，历时3年，取得了丰硕的成果，其ZDT—1型智能堤坝隐患探测仪，曾在1998年长江流域大洪水中探测汛期隐患立下战功，其HGH-III分布式高密度电阻率法又将隐患探测技术推进一步。

电磁类方法包括瞬变电磁（TEM）法和地质雷达等，1994年，陈绍求提出用双频激电法探测堤防隐患，1997年，吴相安等对利用地质雷达探测堤坝隐患的有效性进行了研究，并取得了一定的效果，他们自制了300MHz和500MHz等几种雷达天线，中国水利水电科学研究院成功研制了SDC-2堤坝渗漏探测仪，实际应用效果较好。

但电磁波在探测隐患时电磁波衰减很快，不易穿透堤防结构。

后来，长江委员会推出了“双频多普勒相控阵探地雷达系统”，进行了方法的改进。

弹性波检测技术包含折射法、反射法、Rayleigh面波法、地质B超和地震波CT成像等，1993年，葛建国等采用浅层地震反射波法探测堤坝隐患，取得了一定的效果，但地震波方法对几何尺寸小的隐患分辨差。

核物理的同位素示踪技术也在实
际生产中得到应用，中南大学何继善院士于2001年发明的流场法是探测水流场流向和相对流速的全新的物理探测技术，对汛期快速查找渗漏、管涌一类缺陷有特效。

天然源面波勘探技术是近年来地震学研究一个全新的方向，1957年，Aki 给出了微动探测理论上的计算公式（Aki K.，1957）。

1988 年，日本冈田广教授首先提出用微动信息（80%是面波）寻找地下构造（Okada H.，2006），之后，作为天然源探测新技术，迅速在全球推广。

微动探测技术在上世纪80年代引进我国，王振东对SPAC法在理论上做了详尽的推导，并给出了应用例子（王振东，1986），冯少孔对微动探测技术在浅表50米以内的应用作了介绍，并和钻孔资料做了对比（冯少孔，2003），陶夏新对工程场地条件地脉动的台阵观测进行了试验研究（陶夏新，2001，2002），廖成旺等对微动探测中台站的定位技术做了探索（廖成旺，2007），徐佩芬等利用微动技术探测煤矿的陷落柱取得了较好的效果（徐佩芬，2009）。

但是，微动技术在超浅地层中的应用，还很少见到，江河堤坝的隐患埋深一般较浅，多数在几米以内。

因此，利用微动技术探测堤坝隐患无疑是一种有益的探索。

1天然源面波成像的基本原理
地球表面无时不刻存在的微弱震动，称之为“ 微动”（Microtremor）。

微动的来源主要有两种，一种是来源于自然界，比如气压、海浪、潮汐等，这些因素产生的微动信号，其频率较低，常常低于1Hz，常常用来反映数百米以下的地壳速度结构；另外一种微动信号起源于人类活动，比如车辆行驶、机器以及人类日常生活、生产活动等产生，其频率大于1Hz ，有时候可以达到30Hz，这为微动探测在工程上应用提供了可能。

微动探测是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波（Ra y l e i g h波，瑞雷波）的频散曲线，通过对频散曲线的反演，获得地下介质的横波速度结构的过程。

从微动信号的垂直分量中提取瑞雷波频散曲线方法有二种，一种是频率---- 波数法（F - K 法），另种是空间自相关法（S P AC法），后来为了处理不规则台阵的观测数据，凌甦群（1994）发展了ESPAC法，。

本文采用当前常用的S P AC法。

现将其基本原理介绍如下：
假设微动信号是时间t和位置矢量ξ（r，θ）的函数，符合平稳随机过程。

某一时段的微动信号可以看成是平稳随机过程的样本函数，设这一样本函数为X （t，ξ（r，θ））。

设地表A（0，0）、B（r，θ））两点的微动观测信号分别为：
定义A、B两点的空间自相关函数S（r，θ）为：式中，
称为空间协方差函数，h（ω，φ）为频率—方位密度. 取空间协方差函数g （ω，r，θ）的方位平均：
定义ρ（ω，r）为角频率ω的空间自相关系数，则可得到：
其中，θ是波的入射角，h0（ω）为中心点的频率—方位密度，J0为第Ⅰ类零阶贝塞尔函数，rk=2πfr/c（f）为零阶贝塞尔函数的宗量，c（f）为瑞雷波传播速度。

利用空间自相关法获得频散曲线的流程为：首先将实测微动记录分成若干个数据段，剔除干扰明显的记录段，将各数据段微动信号通过中心频率不同的窄带滤波器以提取各个频率成分f ，再对不同的f分别计算中心测点与圆周上各点之间的空间自相关函数，通过方向平均后可求得空问自相关系数ρ（ω，r）。

由（4 ）式求出零阶贝塞尔函数的宗量rk，再由rk=2πfr/c（f）求出相速度c（f），最终获得相速度频散曲线。

计算流程见图1。

从微动记录中提取出瑞雷波相速度频散曲线之后，采用遗传算法或阻尼最小二乘法可以反演地下s波速度结构。

2微动观测仪器设备
微动观测使用宽频带地震仪一般说来，如果要求有1000m以上的探测深度，地震仪的固有周期要在5s以上，对所用仪器的一致性要求很高，一般要求各台仪器间的相关性在0.999以上，相位差在土（3°～5°）以内。

阵列微动勘探，除非半径小至数十米以下的阵列，因而各台仪器间可以用电缆连接之外，一般情况下各台仪器独立地进。

本次试验的设备系统由中国地震局地震研究所研发而成，共有8套微动仪，每台仪器由外接电源、GPS时钟、数据采集器和拾振器四部分组成，如图2所示。

拾振器使用的是中国地震局工程力学研究所研制的941-B型垂直向拾振器，该拾振器有加速度、小速度、中速度和大速度四个档，尺寸63×63×80mm、重量1kg，主要技术指表如表1所示。

3天然源面波成像技术在原型堤坝上的应用
在距离黄河花园口景区以西约 3.7km处的岗李水库建设两道平行的实验堤进行病害设置，主要服务于病害探测实验研究、监测实验研究，堤防除险加固、溃决抢险实验研究。

病害的种类设置主要有：①松软层2处，埋深分别是1 m和3m，每处长10m，宽2m，厚0.5m，用干沙、石子、秸秆等混合杂物填充。

②孔洞，管件规格为外径0.5m，长2m，壁厚2cm以内，在不同位置埋置深度1、2、3、4、5m不同。

③裂缝，采用高2m，厚0.05m的2块绝缘泡沫板模拟，其中与实验堤轴线方向垂直的称为垂直裂缝，与与实验堤轴线方向成30°、45°交角的称为倾斜裂缝。

由于堤顶狭窄，无法采用常用的同心圆台阵观测台阵，实际观测采用由两个
等边三角形共边组合而成的菱形台阵观测台阵，如图所示，红色圆点表示台站，一共有7个台站。

圆点上方为台站的编号，分别为S1，S2，…，S7。

S5位于观测系统的中心，代表测点的位置。

7个台站所处位置的几何关系为：台站S1，S4，S6组成一个等边三角形，其中心处放置观测台站S3；台站S2，S4，S6组成另一个等边三角形，其中心处放置观测台站S7；台站S4和S6连线的中间处放置台站S5；台站S1，S3，S5，S7，S2在一条直线上。

由于各测点的场地不同，S5到S4的距离有两种，分别为1m和1.5m。

图4是7个台站同时记录60秒得到的波形图。

图5显示了7 个台站同时记录到的微动信号的功率谱。

3.1对软弱层的探测试验
模型在桩号65 -75m段距坝顶3m深度埋设厚度0.5m厚的软弱层，在85 -95m 段距坝顶1m深度埋设厚度0.5m厚的软弱层。

观测试验中心点的位置分别为：66、68、72、74、76、78、80、82、84、86、91、93、95、97、99，也就是说，测点66、68、72、74位于3m埋深软弱层的上方，测点86、91、93、95位于1m埋深软弱层的上方，86、91、93测点位于两软弱层的中间位置。

从反演图像可以看出，1m 、3 m埋深的软弱层都能够得到较好的反映。

同时，图件反映出来，6m处有一个界面，为新筑堤坝的底界面，其下11m附近同样有一个界面，这表明微动探测对有良好的分层。

3.2对孔洞的探测试验
孔洞的探测试验主要针对3m埋深和1m埋深的2种类型试验，其中，桩号12m的测点正好位于3m埋深管子的正上方，针对3m埋深管子，做了观测点中心在9.5m、11.5m、12m、12.5m的观测试验，其图形见图（a），尽管分辨不好，但是可以明显看出3m埋深管子形成的高横波速度的团状反映。

而对于埋深1m 的管子，其中心点位于观测点5m的正下方，做了观测点中心在4.5m、5m、6.5m 的观测试验，结果见图（b）。

1m埋深管子的形态有稍许反映，但是，已经远没有3m埋深的探测效果好。

3.3对裂缝的探测试验
对于垂直裂缝，其位于桩号60m的正下方，同时在桩号59m、60 m、60.5 m、61.5 m做了观测，反演后构制的成果图见图8，从图上并未发现裂缝的存在，微动探测分辨不了裂缝隐患。

4天然源面波成像技术在张家港长江堤坝上的应用
张家港长江大堤朝东圩港段现有堤坝历史上经历多次改造，在做防洪规划设计之前需对当前堤坝的情况做一个详细的了解，勘察单位布设了钻孔，应用地质雷达、高密度电法等物探手段进行了探测，笔者也进行了微动探测试验。

实验在晚上进行，天气晴朗，微风。

基本上没有干扰，采集的数据质量也比较高。

实验台阵布设如图9所示，台阵半径R=3.2m、r=1.6m，拾振器使用1档，共进行了八次观测，每次观测30分钟左右。

实验时数据采集的条件比较好，各个点都得到了结果。

对每一个台阵观测到的频散曲线进行反演，得到了8条一维的剪切波速度结构，使用Kriging法进行插值，得到了台阵下方的剪切波速度剖面，如图10所示。

由图10可以看出，长江大堤朝东圩港段在6m深度存在一明显界面，分析为新旧堤的一个分界面，在浅部蓝色的部分为一些小的空洞，左端颜色淡绿的部分表示堤身的密实度稍差。

4结论与讨论
通过原型堤坝试验和在张家港长江大堤的实际检测，可以得到以下结论：
（1）微动探测技术在堤坝隐患探测中可以作为一种新的手段来研究，其最大的优点是无源探测.
（2）原型堤坝隐患的微动探测试验表明，微动技术能够较好地解决软弱层的探测问题，对孔洞的探测也有一定的反映，但是，对裂缝的探测却没有效果.
（3）微动探测技术能够较好地进行堤坝的分层，尤其是对不同时期堤坝的区分有现实意义。

Surface Wave Imaging On The Hidden Trouble Detection Of Dikes And Dams By Passive Seismic Source
Guochun Zhang
No. 290 Institute of Nuclear industry，Shaoguan 512026
[Abstract] The troubles such as caves，weak layer，leakage and cracks threaten the safety of dikes and dams. So it is important to detect the troubles. Nowadays the geophysical method used in detection of the troubles major include DC electrical method，electromagnetic method，elastic wave method，radioactive method and flow fluid method. These methods all are impassive，or supply electric current，or eject electromagnetic wave，or create seismic wave. However Array Microtremor Survey is passive. The MS method abstract the surface wave from the Microtremor existing on the earth surface all the time. The subsurface velocity structure will be obtained by inverting the wave dispersive curve. Both trouble prototype test and its practical detection in the Yangtze River dam prove the MS method is effective. Part of troubles can be solved by the MS method.
[Keywords] passive seismic source，surface wave，dikes and dams，troubles，prototype test，the Yangtze River dam
参考文献
[1]Aki K.Space and time spectra of stationary stochastic waves，with special reference to microtremors. Bull. Earthq. Res. Inst.，1957，35：415-456.
Okada H. Theory of efficient array observations of microtremors with special reference to the SPAC method. Explor. Geophys. ，2006，37：73-85.
[2]冯少孔，微动勘探技术及其在土木工程中的应用，岩石力学与工程学报，2003，22（6）：1029-1036.
[3]何正勤，丁志峰，贾辉等.用微动中的面波信息探测地壳浅部的速度结构. 地球物理学报，2007，50（2）：492-498.
[4]廖成旺，邓涛，丁炜等.微动观测台站定位方式研究.大地测量与地球动力学，2007，27（6）：61-64.
[5]陶夏新.工程场地条件评定中的地脉动研究.地震工程与工程振动，2001，21（4）：18-23.
[6]陶夏新，中日地脉动台阵联合观测. 世界地震工程，2002，18（2）：24-31.
[7]王振东. 微动的空间自相关法及其实用技术. 物探与化探，1986，10（2）：123-133.
[8]徐佩芬，李传金，凌甦群等.利用微动勘察方法探测煤矿陷落柱.地球物理学报，2009，52（7）：1923-1930.
[9]叶太兰，微动台阵探测技术及其应用研究，中国地震，2004，20（1）：47-52.。