[摘 要]根据胜利油田海堤工程的现状，针对其存在的安全隐患，利用瑞雷波法检测技术；查明海堤内部质量隐患；判断海堤工程结构的稳定性，分析质量安全隐患成因、提出加固维修措施和建议并进行了经济效益分析。
[关键词]瑞雷波 海堤检测 地震映像法 瞬态瑞雷面波法
引言
纵观我国堤坝隐患的探测方法主要有地质钻探、人工探视和地球物理勘探三种。传统的堤坝隐患的探测方法是钻探和人工探视，满足不了快捷、精细、准确和无损伤等诸项要求，而且，人工探视既费力又难于发现隐患、钻探既有局部性又具有破坏性，往往给工程又留下了新的隐患。因此，地球物理勘探应该是堤防隐患快速无损探测的首选方法，尤其是瑞雷波浅层地质勘探技术的不断成熟和发展，使其在工程检测领域逐步得到了推广应用。
胜利油田地处黄河三角洲地区，从胜利油田海堤工程的实际情况看，在相当长的时间内，海堤工程仍是保证下游滩涂生产和安全的主要屏障。胜利滩海油田的防护工程主要由海堤和漫水路组成，1975年开始，为开发沿海油区生产的需要，共建成各类海堤总长164km，其中临海海堤118.23 km。防护工程的安全直接影响到胜利滩海油田的原油生产安全。经过调查，胜利滩海油田海堤防护工程目前有27.7km的临海海堤存在着非常严重的安全隐患，属于强侵蚀岸段。加固海堤工程，确保堤防质量，才是目前的当务之急。笔者通过在胜利油田海堤工程的大量试验研究，总结出先采用瑞雷波检测技术中的地震映像法进行快速普查，再用瞬态瑞雷面波法对重点部位进行细查，并辅以少量钻探进行对比验证，是将瑞雷波检测技术应用于海堤工程的行之有效的检测方法。瞬态瑞雷波法有快速，节约的优点，但是，解释精度不如钻探高，还必须以钻孔资料为参数进行校正。钻探虽然精度高，但是，速度慢，又不经济，不可能布置很多，只能少量控制性布置。地震映像法快速、节约，但也有一定误差。钎探法准确，但不能查明填石底界面情况，只能查明填石顶界面。所以，几种方法应互相对比，互相验证，取长补短，综合分析。
利用瑞雷波浅层地质勘探原理对海堤工程检测的新技术、新方法，能查明海堤内部质量隐患，判断海堤工程结构的稳定性。瑞雷波法检测技术的特点是无损害、在线、快速和有效，可以进行快速普查，缩小范围，有效测深大。通过瑞雷波检测技术在油田海堤工程质量检测的应用，可以成功查找各类海堤缺陷和隐患，为海堤工程的维修、加固和管理提供科学的依据和参考。
一、瑞雷波法勘探原理
瑞雷波法是一种利用瑞雷波的运动学特征和动力学特征来进行工程质量检测及工程地质勘察的地球物理勘探方法。在自由界面（如地面）上进行竖向激振时，均会在其表面附近产生瑞雷波。而瑞雷波有三个与工程质量检测有关的主要特征：
（一）在分层介质中瑞雷波具有频散性。因而在不同地质层分界处瑞雷波有变化，可以实现地质分层。
（二）瑞雷波的波长不同，穿过深度也不同。据此可以粗略测定地质层深度。
（三）瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。
瑞雷波检测方法分为瞬态法和稳态法两种，这两种方法的区别在于震源不同。瞬态瑞雷波法是新兴的岩土原位测试勘探方法，利用其频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性可以解决诸多的工程地质问题。
瑞雷波在多层介质中所产生的相速度随频率变化的现象被称为Rayleigh面波的频散。瑞雷波勘探的直接成果是瑞雷波的频散曲线，频散曲线的特征及其变化与地下地质条件，如各层的厚度、波速等密切相联系，研究这些变化规律和分析这些特征，目的就是寻找频散曲线的特征与地质条件的内在联系，从而根据频散曲线的规律和特征，做出符合客观的地质解释。
瑞雷波沿地面表层传播，在地面沿波的传播方向，以一定的道间距Δx设置N＋1个检波器，就可以检测到瑞雷波在NΔx长度范围内的传播过程。设瑞雷波的频率为fi，相邻检波器记录的瑞雷波到达的时间差为Δt或相位差为Δф，则相邻道Δx长度内瑞雷波的传播速度为：VR＝Δx/Δt，在NΔx范围内的平均波速为VRm＝NΔx/∑Δti。瞬态法记录的信号要经过频谱分析，相位分析，把各个频率的瑞雷波分离开来，用互谱法计算相邻检波器记录的相移Δфi，则相邻道Δx长度内瑞雷波的传播速度VRi可求，进而得到一条VR－f曲线。
二、瑞雷波法检测海堤的工作程序
（一）海堤检测程序
海堤检测是遵循大范围普查、小范围验证、缩小范围验证、再缩小范围验证的检测工作技术路线，确定检测工作程序：
第一步：考察试验现场，根据现场实际情况确定具体检测方案和检测参数。
第二步：采用高密度地震映像法对海堤进行普查。对普查的资料进行技术处理，根据处理结果找出堤身存在异常部位的具体位置和范围即缩小靶区。
第三步：通过面波试验对该部位进行细查，面波试验可以确定海堤堤身的地质分层及地层物性参数，通过这些参数，可以进一步确定异常部位的性质。在需要时，可加密进行高密度地震影像检测。
第四步：对映像和面波检测所得到原始波形图进行处理，分析处理结果，找出异常部位的范围、类型和特征。
第五步：对有代表性的部位进行钻探试验，进行瑞雷波钻探试验验证。
第六步：出具验证试验的结果，并统计分析瑞雷波试验结果的准确率。
（二）检测基本程序图
三、瑞雷波法在胜利油田某海堤检测中的实际应用
某海堤，0＋000～0＋430试验段，长430米，护坡为蘑菇石砌筑，内部填充石块和填充土。某海堤及海港引堤自建成至今已十年有余，现有海堤经海水多年的冲刷与淘蚀，已多处存在隐患。
试验方案：选择在上游坝肩、下游坝肩、护坡、平台位置，沿坝长方向各布置一条剖面测线，分别进行了高密度地震影像和面波检测试验。
试验参数：
试验类型：地震影像试验拟测深度：5米
检波器：35HZ采样点数：1024 锤击震源：18磅锤
采样时间间隔：0.25ms 道间距：1m 偏移距：4m
试验位置：起始桩号：0＋000终止桩号0＋430
试验波形图和实验数据：
（一）护坡部位：
（1）护坡部位地震影像图分析
从地震影像图中整体分析，根据波形和波速的变化，整个护坡部位存在的问题可以分为以下三大类:
第一大类（较为严重）:如图中标注所示。
这此区域中，图像的共同特点是：同相轴变粗，波形宽度和振幅较大，面波较发育，特征明显，波形的波至时间严重滞后，整个波形图像下陷。由此推断，三个区域内，土体强度较低，松散，存在脱空、松散、塌陷、裂缝带等缺陷。
第二大类：（有异常存在）在图中桩号0+044～0+073等六处部位属于第二种类型。图形的共同特点是：同相轴变粗且分叉，面波发育，浅部波形混乱，深部频率较高，有绕射弧现象，由此推断为浅部已处理，但仍有裂缝发育特征。
第三大类：（高频区域特征部位）面波发育不明显，图中从上至下皆出现高频特征，高频特征部位与周围低频特征的图谱对比明显，在图中桩号为：0＋055～0＋030段、0＋192～0＋0＋210段两处部位属于第三种类型，经现场勘踏，为过水涵洞及已维修段。
第四大类：（其他）这些区域，波形图显示，各组同相轴相互平行，波形的宽度和振幅及波至时间大致相同，无明显大的变化，波形起伏的幅度不太大，未显示出明显的缺陷，同相轴情况没有出现明显的变化情况。
（2）护坡部位的面波试验：
位置：0＋200
参数设置：24道 检波器：35HZ采样点数：1024
锤击震源：18磅锤 采样时间间隔：0.2ms道间距：0.5m
偏移距：2 m 拟测深度：5米
在图像浅部即出现了大的“之”字形。横波层速度在图像顶部为150米／秒，之后出现回旋，速度急速降到了98～85米／秒，说明在顶部的硬壳层之下，浅处部位即出现了大的异常。深度大约在0.5～2米。
整个频散曲线图形非常不规则，很乱，波速度忽高忽低，出现了两次回漩，说明此处部位下部填充物为非均质填充物，可能是抛石中间填土，填土又被潮水带走，形成了空洞，所以波形杂乱。
（3）等视速度图与地震影像图的对比验证情况
面波等视速度图是由测试剖面的面波频散曲线经配套软件自动拟合后生成的纵剖面视图，能够读取近似的面波速度值，对被测体的速度分布和异常有直观的反映。两图对比后可明显看出地震影像结果与面波测试分析结果有着非常好的对应性，验证了地震影像图分类的正确性。下面具体进行说明：
Ⅰ、从面波等视速度图中可以判断，红色集中区域，面波波速度值低于140m/s，为软弱土层，属粉土的松散状态。对应于地震影像图中的第一种类型区域。第一类区域中护坡下部存在的问题较多且严重，从影像图中判断，塌陷特征明显，大面积板后脱空，有裂缝带、空洞等缺陷存在，且已影响到深部坝体。
Ⅱ、黄～红色集中区域，面波波速度值在140m/s～160m/s之间，为中软土层，属粉土的松散～稍密状态。影像图中反映的问题也较多，存在空洞、裂缝和软夹层等，但影响位置不深。
Ⅲ、绿色区域，面波波速度值大于200m/s，速度较高，属于下部存在硬质物体部位。
Ⅳ、黄色集中区域，横波速度在160m/s～180m/s之间，大致对应于第四种类型区域。
（二）钻探、静探结果验证
我们选取有代表性的部位进行钻探、静探和开挖，验证波形判断的准确性，为明确坝体内部土壤性质提供依据。 在上下游坝肩选择一类隐患三处进行钻探验证，从土质分析来看属松散、软弱的粉土，或粘土的软塑状态，均属严重缺陷。与面波速度值判断对应的土壤特征基本符合。另外在上下游坝肩还选择7个点做了静探验证，其中一个点数据无效，五个点与面波分析结果基本符合，薄弱位置上下偏差不超过2米。在护坡部位选择一类隐患点八处，开挖验证三处，均为严重的空洞、塌陷，板后脱空明显。
四、原因分析
油田海堤都是就地取土筑成堤身，尤其面向迎潮面的海堤段，受海浪的冲击力非常大，常年受海潮的冲刷和冲击，随着海浪的冲击作用，使得坝体内部土体细颗粒已经被海水冲刷带走，在大坝的内部形成空洞，反映在海堤的表面，可能就是裂缝或者塌陷。另外，为满足夺油上产的需要，海堤的施工工期较短，堤身土体沉降不足，尤其抗风暴潮救灾施工，由于时间紧、任务重，填土质量也难以完全达到设计要求等。造成的原因机理具体分析如下：
（一）海堤迎水面的防护方式是砌石或砼护坡板，系“刚性”结构，堤身土排水固结时的沉降与之不同步。
（二）各刚性板块或刚性板块与预埋蘑菇石结合处出现拉应力导致裂缝，或沉降缝、伸缩缝的老化，都会导致板下土体遭到渗漏潮水、雨水的冲蚀，造成不同程度的空洞现象。
（三）海浪从前方透过直墙和反滤层掏蚀
（四）海浪直接越过挡浪墙，坝体路面表面径流影响明显，尤其是风暴潮直接越过坝身，对下游坝体有反向冲刷，直接带走路基下部土体，形成道路塌陷，坝身失稳。
（五）海浪产生的孔隙水压力、微液化等作用也可能造成微量的空洞现象。
五、加固维修措施及建议
从分析结果统计情况来看， I类隐患多为下部土体塌陷或空洞，且影响到坝体深部，需要进行重点治理。对于坝体深处隐患，由于刚性护坡一般仍完好无损，所以具有相当的隐蔽性。但这种隐患严重降低了海堤对大风暴潮的防护能力。一旦有风暴潮到来，海浪会大大加快空洞掏蚀速度。即使不发生严重越浪，海浪夹带块石也很容易击裂悬空的刚性护坡结构，造成堤身土的间接甚至直接暴露，随后整个护坡或戗台就会出现大面积的裂口或坍塌。
空洞和塌陷的处理有两种方案可供选择：
（一）砸开砼护坡板，用灰土、水泥土或固化土处理空洞，上面仍用砼恢复。
（二）机械造孔并灌注水泥土浆或固化土浆。
另外，在伸缩缝、新旧维修结合、与挡浪墙等处的连接位置等一定要做好截渗处理和反滤措施，因为这是海浪冲刷影响的重点部位。
六、经济效益分析及应用前景
瑞雷波勘探技术是近几年快速发展起来的一种高新技术，在工程勘察和检测中得到了愈来愈广泛的应用。胜利油田沿海滩涂面积广，海岸线较长，海堤工程年维修费和建设数目巨大，在维护方面也投入了大量的人力、物力。目前的形势要求开发使用无损检测技术实现对在役海堤有效的检测和鉴定，为海堤的维护和加固提供科学的依据，避免盲目和不必要的投资，从而降低油田的生产建设成本。
瑞雷波检测技术通过笔者在胜利油田海堤工程的检测应用，进行了一定程度的探索，研究证明了该项技术的的可行性和先进性。此项工作的开展，除需要先进、可靠的检测仪器和检测技术外，还需建立一套科学系统的评估体系和鉴定标准，并与现场实时观测相结合，从而有效地保证海堤工程的质量和安全。我们相信，瑞雷波法检测技术必将被越来越多的人们所认识，必将在工程检测种中发挥举足轻重的作用。
参考文献
[1]刘云祯，多道瞬态面波勘察技术规程[M] ，北京，中国建筑工业出版社，2004
[2]杨成林，瑞利波勘探法原理及其应用，物探与化探，1989，（6）
[3]吴世明等，利用表面波频谱分析测试土层波速，地震工程与工程振动，1988，（4）
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”