滑坡是一种工程建设中常见的地质灾害，危害性仅次于地震和火山，常常给工农业生产以及人民生命财产造成巨大损失、有的甚至是毁灭性的灾难(徐邦栋，2001)，如2015年5月20日贵阳市山体滑坡造成9层楼房坍塌16人遇难.滑坡地质调查是滑坡防治工作中的重要环节，常采用的手段有遥感、地球化学勘察、地球物理勘察、钻探等.

滑坡作为一种复杂的地质体，由滑体、滑面、滑带、滑床等滑坡要素组成，各要素之间显著存在着导电性、导热性、介电性等物性差异，为地球物理勘察的应用提供了前提条件.近几十年来多种地球物理方法被应用在滑坡地质调查中，包括高密度电法、测氡技术、地震折射法、地质雷达、瞬态面波法、瞬变电磁法等.

这几种地球物理勘察方法各有优缺点.地质雷达精度高，可以有效探测滑动面及滑坡体中的细微特征(王春辉等，2013；王国群，2011；车爱兰等，2013；Barnhardt and Kayen, 2000；Bichler et al.，2004)，但低阻覆盖层影响了探测深度和有效波的识别；高密度电法在滑动面过湿带调查中效果好(郭秀军等，2004; 聂利超等，2011；张光保，2012；程庆等，2012；张玮等，2012)，受体积效应影响分辨率低.地震折射法方法成熟、折射波易识别、探测深度范围广(袁广祥等，2010;申建平，2011；葛军辉等，2014)，但不能探测高速层下异常，存在折射盲区、分层层数少缺点，且对震源能量要求高；测氡技术可以圈定滑动界限，定性分析滑体内的破碎程度等(王卫等，2003；邓居智等，2008；杨建军等，2010; 王诗东等，2011)，不能对滑坡进行精细调查，应用实例较少.

瞬态面波法作为近三十年来发展起来的新方法，具有施工简单、分辨率高、不受高速层影响、分层能力强的优点，被成功应用于多个滑坡调查工作中(祁生文等，2002；单娜琳和程志平，2004；王书增等，2005；赵勇刚和刘江，2007；李庆春等，2014).本文以秦岭山脉一小型滑坡体勘察为例，研究多道瞬态面波法不同震源、检波器的响应特征，为滑坡地质调查中面波技术的应用提供指导.

Rayleigh(1887) 从理论上证明了瑞雷面波的存在，Love(1911) 从数学上证明了拉夫面波的存在，奠定了面波理论基础.随后，Lamb、Robert Stoneley、B.Gutenberg等发展了面波理论，一些地震学家开始采用天然面波来研究地球内部构造(邓乐翔，2010；刘占兴，2012).早期面波勘查技术主要用来研究地球构造，直到上世纪70年代初，才出现利用瞬态激振产生的面波来研究工程地质问题.上世纪80年代初，日本VIC株式会社研制成功了稳态面波仪器，至此稳态面波法在工程中得到推广应用.我国从上世纪80年代末才开始工程面波勘探方法的应用和仪器的研究工作(刘云祯和王振东，1996).

面波勘探指瑞雷波勘探，根据激振震源的不同，一般分为稳态法、瞬态法和无源法.无源法主要用在大地构造、地震预报研究中；稳态法由于仪器笨重使用很少.目前工程勘察中广泛使用的是多道瞬态面波法.

多道瞬态面波法利用瑞雷波在分层介质中的频散特性.采用瞬态冲击力作为震源激发面波，通过检波器记录离震源稍远处面波的垂直分量，分析面波在不同介质中的相速度差异，来解释岩土的物性特征.面波数据采集方式与反射波法类似(如图 1所示)，采用纵观测系统线性等道间距排列方式，震源点位于检波器排列以外延长线上，通道数一般不小于12道.采集参数一般需要考虑偏移距、道间距、检波器、震源等，需在在工作前进行试验确定.一般来说，道间距参数选择原则应小于最小勘探深度所需波长的二分之一，偏移距的选择要保证面波和反射波分离，基阶和高阶面波尽可能分离，此时还需考虑面波能量问题不能太大，而检波器和震源的选择主要以勘探深度和精度为依据.

图 1

Fig. 1

图 1 面波勘探示意图 Fig. 1 Surface wave exploration

多道共炮点方式采集的地震记录是全波场记录，其中包含着反射波、折射波、干扰波、面波等全部信息.瞬态面波勘探需要从全波场复杂记录中，计算提取包含介质物性差异的瑞雷波的频散信息，来解译地层软硬、结构等特征.而瑞雷波频散信息的提取过程就是求取对应某频率下瑞雷波的相速度问题.目前频散曲线的提取方法主要有有f-k变换法、τ-p变换法、时频分析法、拉东变换法等(刘占兴，2012；邓乐翔，2010；潘冬明等，2010)，其中f-k变换法是目前应用最广泛的方法.f-k变换方法在低频段的频点稀疏会造成的速度误差，采用人工选择计算窗口也会带来人为误差，τ-p变换法、拉东变换法可以准确提取各模态频散曲线，抗干扰能力强，在高频段具有较高的分辨率，而几种变换方法都存在低频段分辨率低、可靠性差的问题.

地震勘探震源类型非常多，如成型炸药、炸药索、空气枪、电火花、重锤震源等，各有优缺点.炸药类震源、空气枪、电火花震源的能量强、成本高，一般只应用于中等深度以上勘探中；重锤、落重震源简便、成本低，但能量较弱，经常使用在浅层工程勘察中.

瞬态面波法属于浅层工程勘查类方法，勘查费用比较低且勘探深度浅，其震源多采用锤击或落重等安全、简便的激发源.目前面波通常采用锤或落重敲击置于地面的金属或塑料垫板，以获得各种频率成分面波，分析不同深度地层的面波相速度解释岩土的物性变化.

瞬态面波利勘探是利用瞬态冲击力产生的面波进行岩土勘查的一种地震勘探方法，震源激发方式的选择主要取决于是否能激发满足勘察深度所要求的低频面波.因此，针对不同勘查深度和场地条件，选择合适的震源是开展瞬态面波勘探的必要条件.研究不同重量的锤击震源和不同重量、落高的落重震源的频谱成分，对于获得良好的勘查效果具有重要的意义.

作者设计四种震源激发试验方案，如表 1所示.

表 1 (Table 1)

表 1 震源试验方案 Table 1 Source test scheme 序号 震源类型 重量(kg) 落高(m) 激发方式 1 力锤 11 挥击 2 沙包 25 1.8 自由落体 3 沙包+力锤 36 1.0 自由落体 4 50 kg沙包 50 1.0 自由落体

表 1 震源试验方案 Table 1 Source test scheme

方案1，采用质量11 kg的力锤，采用挥动击打垫板方式；方案2，采用质量25 kg沙包，吊高1.8 m自由落体击打垫板；方案3，采用质量25 kg沙包固定在质量11 kg力锤上，吊高1.0 m自由落体方式；方案4，采用质量50 kg沙包，吊高1.0 m自由落体方式.四种震源试验在相同场地进行，共用同一排列，实验中采集工作参数设偏移距设为10 m、道间距0.5 m, ，时间采样间隔0.25 ms, 24道采集，检波器为10 Hz动圈式检波器，采用北京市水电物探研究SWS工程勘探与工程检测仪作为工作主机.

力锤震源试验24道地震原始记录如图 2所示.图 3为表 1中四种震源激发方式的第5道地震记录的振幅谱，图中曲线序号与表 1相同.试验结果表明：(1) 力锤激发的能量和落高大的沙包激发的信号能量较强；(2) 质量轻的锤击方法激发的信号主频高，质量大的落重方式激发信号主频低；(3) 同样是落重，材质硬的激发的信号主频高.

图 2

Fig. 2

图 2 力锤震源试验地震记录 Fig. 2 Seismic section of hammer source test

图 3

Fig. 3

图 3 (震源类型序号与表 1对应) Fig. 3 Amplitude spectra of source test(Source serial number corresponding to table 1)

图 4

Fig. 4

图 4 4 Hz检波器试验地震记录 Fig. 4 Seismic section of 4 Hz seismometer test

根据动能定理，锤击或落重震源的能量大小由锤或落重的动能决定，即满足公式w=1/2mv²，其中的速度主要取决于锤挥动的速度或落高.震源与地震波主频的关系比较复杂，频率成分主要由冲量控制，即取决于冲击力的作用时间.材质硬接触时间短，产生高频波，适合浅层勘探；材质软接触时间长，产生低频波，适合深部勘探.

检波器是多道瞬态面波利勘探中的重要组成部分，不同频率成分的面波可以反映不同深度的岩土介质的性质.检波器都有其特定的频率响应范围和灵敏度.固有频率不同，其频响特性不一样.研究检波器的特性，合理选择检波器，对于面波勘察来说是及其重要的.

面波勘探中常用的检波器是动圈式速度型检波器，这种检波器在固有频率附近线性检测速度，远离固有频率的感应振幅比会随频率降低.速度检波器的固有频率制约检波器频带的下限，相当于一个低切滤波档，也就是压制低频信号.面波勘探中使用速度型检波器时，应根据勘探深度的要求，进行检波器频率试验，以选择满足勘探要求的检波器.

为了分析不同频率速度检波器对面波勘探的影响，选取了4 Hz、10 Hz和28 Hz三种频率检波器进行试验.该试验采用同一震源.三种频率检波器采集的信号的频谱如图 5所示.从结果可以看出，4 Hz、10 Hz低频检波器获得的信号能量明显强于28 Hz, 检波器固有频率越高对低频部分的压制越强.试验结果表明，在实际面波勘察中在满足深度要求情况下应尽量采用固有频率较低的检波器，若要兼顾表层的高分辨率，可以采用高、低频检波器综合探测方案.

图 5

Fig. 5

图 5 4 Hz、10 Hz、28 Hz检波器信号振幅谱 Fig. 5 Amplitude spectrum of signal by 4 Hz, 10 Hz, 28 Hz seismometer

在研究多道瞬态面波勘察中震源、检波器特性的基础上，采用瞬态面波法对一处小型滑坡的构造特征进行了勘察，分析瞬态面波在实际滑坡调查中的应用效果.

测区位于陕西省西安市周至县马召镇，属于秦岭山脉，滑坡体脚下为108国道，东临黑河水库.滑坡为土质滑坡，结构成分简单，表层为第四系全新统黄土、坡积碎石土，覆盖层厚3.0～7.0 m, 基岩为变质岩，岩性为云母片岩.坡体表面坡度为18°～22°，该滑坡为覆盖层沿基岩滑动型滑坡，可见滑坡周边界线和后壁拉张裂缝，坡体表面分布有松树和柿子树以及其他低矮灌木丛和杂草等.

为了解滑坡体的基本形态，在场地内布置了两条面波勘查测线(图 6)，测线L1平行于滑动主方向，测线L2垂直于滑动主方向.现场通过罗盘测量，坡度约20°.勘查中采用多道瞬态面波法，利用24个通道，共激震点采集.L1测线跨滑坡周界，共布置面波测点9个，剖面长度16 m；测线L2布置在滑坡体上，所有检波器均位于滑坡体内，布置了13个测点，剖面长度24 m.

图 6

Fig. 6

图 6 测线布置示意图 Fig. 6 Exploration line layout

通过现场测试分析测区岩土的面波波速，覆盖层面波波速150～400 m/s, 基岩面波波速300～600 m/s.勘探深度20 m, 利用公式f=v/h估算，选择10 Hz检波器.偏移距10 m, 道距0.5 m, 时间采样间隔0.25 ms, 记录长度 250 ms, 震源采用锤击方式，测点距2 m.

表 2 (Table 2)

表 2 面波勘查采集参数 Table 2 Acquisition parameters of Surface wave exploration 震源类型 道数/道数 偏移距/m 道间距/m 采样点数/个 采样间隔/ms 锤击 24 10 0.5 1024 0.25

表 2 面波勘查采集参数 Table 2 Acquisition parameters of Surface wave exploration

数据处理采用美国堪萨斯地质研究所开发的Surfseis 软件.首先将采集的单炮记录数据进行线性拉东变换，将时域数据变换到f-v域得到多模式频散能量谱，提取频散曲线.对每一单炮记录的频散曲线的进行反演，反演采用1999年夏江海等推导的基于Levenberg-Maquardt(L-M)和奇异值分解技术的频散曲线线性化迭代反演算法.反演后得到一维横波速度-深度参数，按测点位置绘制成测线下方的二维横波速度剖面.图 7、8为L1和L2测线反演速度剖面.

图 7

Fig. 7

图 7 L1测线二维横波速度剖面图 Fig. 7 2D shear wave velocity profile of L1 line

横波速度剖面显示了岩土体的波速分布特征：滑坡体表层黄土、碎石土结构松散、抗剪强度低，介质的速度为200～450 m/s；滑坡带为粘土和云母片岩风化层构成，在水的作用下其抗剪切能力变低，介质速度为150～250 m/s；基岩结构致密、成分简单、抗剪强度高，岩体速度为300～700 m/s.

根据速度剖面解释结果可知，该处地层的波速基本结构呈现“高—低—高”的特征：(1) 沿滑坡方向(图 7)滑坡体内物质成分复杂、结构变化大，力学差异较大，0～2.5 m深度范围内地层速度横向差异大，2.5～6 m深度范围内存在波速较低的软弱面，且深度稍有起伏，地表水渗透顺基岩面流动造成其上土层变软弱，由于基岩含云母较多，顺基岩面抗剪切能力降低，加上植被破坏严重、斜坡度数较大、坡脚修路挖土等因素造成土体出现滑坡；(2) 垂直滑动主方向的L2测线剖面图(图 8)显示该方向覆盖地层相对均匀，在覆盖层下存在一个低速软弱夹层，基岩波速相对较高且呈逐渐增加趋势，横向变化较小.

图 8

Fig. 8

图 8 L2测线二维横波速度剖面图 Fig. 8 2D shear wave velocity profile of L2 line

综合L1和L2测线的面波勘探成果和现场踏勘资料，推断该滑坡的地质构造基本形态，如图 9所示，经过人工麻花钻进行验证，证明与滑坡推断结果基本吻合.

图 9

Fig. 9

图 9 滑坡面波勘查地质解译剖面图 Fig. 9 Geological cross-section of landslide exploration by surface wave

多道瞬态面波法应用中震源、检波器的合理选择是影响勘查效果的重要因素.分析震源对人工地震波的能量、频率等信息的作用机理以及检波器的频响特性，对于多道瞬态面波方法的实际应用具有重要的指导意义，有利于普通地球物理工作者开展多道瞬态面波法工作，提高勘查效果.震源、检波器组合试验及工程应用实例分析得到以下几点结论：

(1) 锤击、落重激发的地震波的能量主要取决于震源的质量、速度，频率成分主要由震源对地表的冲击力的作用时间决定.

(2) 检波器固有频率越高对低频部分的压制越强.

(3) 多道瞬态面波法在滑动面、滑坡边界、滑坡体内结构成分的变化等方面效果较好.但受方法原理限制无法勘察滑坡体中的过湿带、含水性的调查，在实际工作中若与电阻率法相结合对滑坡体进行综合勘探，可以取得更好的勘察效果.

致 谢 感谢审稿专家和编辑部的帮助和支持．