巖溶裂隙水的地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)分析與應(yīng)用

趙寧雨，潘金秋，喻海軍，梁 波

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400021)

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巖溶裂隙水的地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)分析與應(yīng)用

趙寧雨1，潘金秋1，喻海軍2，梁 波1

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400021)

從巖溶地質(zhì)發(fā)展規(guī)律的角度分析了富水巖溶裂隙水的發(fā)展規(guī)律；研究了地質(zhì)雷達(dá)電磁信號(hào)對(duì)巖溶裂隙水的反射特征和基于雷達(dá)信號(hào)的波速-介電常數(shù)關(guān)系的含水量估算方法；具體工程實(shí)例應(yīng)用分析表明：地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隱埋在低含水量值的巖體中的裂隙水及裂隙巖體環(huán)境的分辨力良好，巖溶裂隙水含水量的估算方法可行。驗(yàn)證了基于地質(zhì)規(guī)律認(rèn)識(shí)的信號(hào)分析方法對(duì)巖溶裂隙水不良地質(zhì)圈定和含水量估算方法的有效性。

隧道工程；巖溶裂隙水；地質(zhì)雷達(dá)；地質(zhì)規(guī)律；地質(zhì)預(yù)報(bào)；含水量

0 引 言

巖溶地區(qū)隧道建設(shè)中遇到的地質(zhì)災(zāi)害多為不同程度發(fā)育的巖溶問(wèn)題引發(fā)。限于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在勘察設(shè)計(jì)階段，尤其是在隧道深埋的情況下，往往難以較準(zhǔn)確查清不良地質(zhì)體的性質(zhì)。在巖溶不良地質(zhì)中，巖溶裂隙水是施工中的重要風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源。目前三車(chē)道大斷面隧道越來(lái)越多，因巖溶水引發(fā)的突水、突泥和塌方等工程事故更易發(fā)生，給施工安全和掘進(jìn)速度造成嚴(yán)重影響[1-3]。近年，國(guó)內(nèi)外在隧道施工中運(yùn)用TSP、地質(zhì)雷達(dá)(GPR)，瞬變電磁法(TEM)、陸地聲納法、紅外探水等技術(shù)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但出現(xiàn)預(yù)報(bào)失敗情況的幾率還是相當(dāng)?shù)母?，尤其是巖溶裂隙含水量的預(yù)報(bào)[4]。隧道的巖溶突水預(yù)報(bào)是國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)中還沒(méi)有很好解決的難題，其整體的技術(shù)水平還不能滿足指導(dǎo)隧道工程施工控制安全的要求。相對(duì)于TSP、TRT、陸地聲納法等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)物探方法，探地雷達(dá)是目前隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)短距離探水的主要手段。由于巖溶裂隙水通常隱埋在低含水量的基巖中，而電磁波具有在基巖中的傳播速度快、地質(zhì)雷達(dá)分辨力高和裂隙巖體含水層的水文特性異質(zhì)性高等特點(diǎn)，使得地質(zhì)雷達(dá)在巖溶裂隙水巖體環(huán)境中的分辨力比其他地球物理探測(cè)方法要高。

目前，在采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行針對(duì)巖溶裂隙水的預(yù)報(bào)及相關(guān)研究中，結(jié)合巖溶地質(zhì)規(guī)律分析的雷達(dá)信號(hào)解譯和含水量估算等方面還缺乏準(zhǔn)確有效的系統(tǒng)預(yù)報(bào)方法。因此，開(kāi)展巖溶富水區(qū)域巖溶裂隙水及其含水量估算的高精度超前預(yù)報(bào)技術(shù)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 巖溶裂隙水的地質(zhì)發(fā)育特征

巖溶裂隙水是指賦存于可溶性巖石裂隙中的地下水，可包括在廣義的基巖裂隙水范疇內(nèi)[5]。在巖溶地區(qū)，巖石類型、空隙類型和地下水類型之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？扇苄詭r石(或含有可溶質(zhì)成分的碎屑巖)中往往存在裂隙或空隙，在巖溶作用下，發(fā)育成一個(gè)良好的儲(chǔ)水構(gòu)造和水流通道，在一定的補(bǔ)給和排泄條件下形成不同的發(fā)育形態(tài)[6]。

1)褶皺和斷裂構(gòu)造對(duì)巖溶裂隙水的發(fā)育起主要控制作用[7]。通常褶皺和斷裂構(gòu)造產(chǎn)生的裂隙非常發(fā)育，形成構(gòu)造溶蝕裂隙密集帶；在斷裂構(gòu)造節(jié)理裂隙的交匯處容易形成小型溶蝕通道，成為地下水的主要儲(chǔ)存空間和運(yùn)移通道；巖溶含水層的富水程度與巖溶裂隙發(fā)育程度密切相關(guān)，巖溶含水層的水量往往比較豐富。

2)巖體成分對(duì)巖溶和巖溶裂隙水的發(fā)育有重要影響。塑性較強(qiáng)的高泥質(zhì)含量巖石的節(jié)理裂隙發(fā)育程度低，不利于巖溶的發(fā)育，且透水性差而常成為良好的隔水層；成分復(fù)雜的巖層一般沉積間斷比較多，節(jié)理裂隙較發(fā)育，有利于形成溶蝕比較均勻的巖溶含水層，巨厚的純灰?guī)r的構(gòu)造裂隙呈寬而長(zhǎng)的稀疏狀，有利于形成大型巖溶洞穴。

3)近代巖溶后期的巖溶裂隙水分布不均的活躍性，對(duì)隧道施工安全影響較大。近代巖溶后期溶蝕發(fā)育，多呈溶隙狀出現(xiàn)，當(dāng)彼此貫通時(shí)呈串珠狀，進(jìn)而可形成較為寬大的溶蝕裂隙。巖溶裂隙發(fā)育的寬度大小和聯(lián)通程度的差異，使巖溶裂隙水流速和流量狀態(tài)在空間上分布不均，進(jìn)而強(qiáng)化了裂隙空間的方向性和透水的各向異性，造成巖溶裂隙水的分布不均。

2 巖溶裂隙水電磁信號(hào)的特征

2.1 地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)對(duì)水體的反射特征

在假設(shè)為均勻、線性、各向同性的低耗損介質(zhì)中，電磁波以電場(chǎng)表達(dá)的麥克斯韋方程可寫(xiě)為[8]：

(1)

式(1)中第2項(xiàng)為能量耗散，第3項(xiàng)為能量存儲(chǔ)。在低損耗介質(zhì)中，能量耗散往往較能量?jī)?chǔ)存較小，地質(zhì)雷達(dá)能進(jìn)行有效的探測(cè)。

求解式(1)，無(wú)界均勻有耗介質(zhì)中的電磁波的電場(chǎng)表達(dá)式為：

E(r)=E0e-jKr

(2)

式中：E0為場(chǎng)源處的電場(chǎng)強(qiáng)度；r為空間坐標(biāo)；K=β-jα(α為衰減系數(shù)，β為相位常數(shù))。

在地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用中，可將介質(zhì)在空間中的介電常數(shù)(ε)和電導(dǎo)率(σ)從矢量形式簡(jiǎn)化為與場(chǎng)無(wú)關(guān)的標(biāo)量，其衰減系數(shù)見(jiàn)式(3)：

(3)

對(duì)電導(dǎo)率很大的地下水體，可假設(shè)σ/(ωε)>>1，化簡(jiǎn)式(3)為[5]：

(4)

在式(4)中磁導(dǎo)率(μ)在介質(zhì)中變化一般可取1，角頻率(ω)與雷達(dá)天線有關(guān)。由式(4)可知電磁波在水體中傳播時(shí)其高頻成分的衰減系數(shù)較大。同時(shí)，經(jīng)V.I.Arkhipov[9]的研究，水的介電常數(shù)實(shí)部可寫(xiě)為：

(5)

其中，水在室溫附近的弛豫時(shí)間t=8.28×10-12s，靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù)εs=81，高頻相對(duì)介電常數(shù)ε∞=5.6，可知電磁波在水中的顯著損耗產(chǎn)生于高頻段。從式(4)和式(5)可以看出，在電導(dǎo)率較大的水體探測(cè)中，宜使用低頻天線(中心頻率)。

地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)的能力衰減問(wèn)題可由波阻抗的表達(dá)式描述：

(6)

由于磁導(dǎo)率(μ)在介質(zhì)中變化較小，波阻抗主要由相對(duì)介電常數(shù)決定。同時(shí)，功率反射系數(shù)R表達(dá)式為：

(7)

其中，入射波電場(chǎng)(Ei)與反射波電場(chǎng)(Er)之間有如式(8)的關(guān)系：

(8)

對(duì)高電阻介質(zhì)，在從介電常數(shù)為ε1的介質(zhì)向介電常數(shù)為ε2的介質(zhì)垂直入射情況下，有：

(9)

常溫下，地層中可溶性巖石(石灰?guī)r、白云巖等)的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)在4～15的范圍內(nèi)，而水的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)約為81，因此，雷達(dá)反射信號(hào)在濕潤(rùn)灰?guī)r與水的界面上的反射強(qiáng)烈，且雷達(dá)波在含水層界面的反射波相位與入射波相差180°。

2.2 基于地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的地層含水量估算原理

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度主要由地層的介電常數(shù)決定，介電常數(shù)和波速的計(jì)算表達(dá)式為：

(10)

其中損耗因子為：

(11)

式中：c為電磁波在空氣中的傳播速度，c=3×108m/s； f為電磁波的頻率；ε′(f)和ε″(f)分別為介電常數(shù)ε(f)=ε′(f)-jε″(f)的實(shí)部和虛部；u為相對(duì)磁導(dǎo)率，u=1；σdc為直流電導(dǎo)率；ε0為空氣中的介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m。

由于介電常數(shù)嚴(yán)重依賴于電磁波所傳播的介質(zhì)頻率特性，對(duì)純凈的極化介質(zhì)(水)，通過(guò)極化消除介質(zhì)頻率特性影響，消除影響后的Debye極化介電常數(shù)表達(dá)式為[10]：

(12)

圖1 由Debye確定的介電常數(shù)的實(shí)部和虛部

由圖1可見(jiàn)，在頻率較低或較高的時(shí)候，實(shí)部和虛部分別趨于常數(shù)和0。在隧道的超前預(yù)報(bào)工作中，天線的主頻一般較小(20～200 MHz)，相對(duì)介電常數(shù)的虛部趨于0，實(shí)部趨于20。因此，式(10)可以簡(jiǎn)化為：

(13)

由G.C.Topp，等[11]的模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作可知，介質(zhì)含水量與介電常數(shù)間有如式(14)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

θ=-0.053+0.029 2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3

(14)

另外，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播和反射特點(diǎn)，其在介質(zhì)中的波速可表示為：

(15)

式中：x為異常體距離天線的水平距離；d為異常體的埋置深度；t為電磁波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間。

當(dāng)天線位于異常體正上方時(shí)，式(15)可簡(jiǎn)化為：

(16)

對(duì)于目前應(yīng)用的大多數(shù)地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)分析軟件[12]，通過(guò)測(cè)試信號(hào)的分析可以求得υ，將其帶入式(13)，可求得異常體的相對(duì)介電常數(shù)，再利用式(14)可推斷異常體的含水量，進(jìn)而估算前方含水體的水量大小。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

成渝高速公路復(fù)線云霧山隧道全長(zhǎng)3 355m，橫穿揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地重慶陷褶束華鎣山穹褶束瀝鼻峽背斜，有3條斷層通過(guò)隧道洞身。地貌單元屬于構(gòu)造剝蝕、溶蝕顯著的中低山區(qū)，表現(xiàn)為新生代巖溶地貌特征。區(qū)域年平均降水量為1 000～1 200mm，大氣降水通過(guò)斷裂構(gòu)造和裂隙滲入補(bǔ)給地下水。掌子面在接近雙圣寺斷層(F5)時(shí)，巖體節(jié)理裂隙逐漸密集，掌子面滲水較嚴(yán)重，溶蝕發(fā)育逐漸增強(qiáng)，在ZK20+350位置，采用中心頻率為40MHz的天線，進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)。

3.2 不良地質(zhì)體的圈定

圖2是雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過(guò)基本信號(hào)分析處理后(解震蕩→時(shí)間零點(diǎn)校正→濾波→時(shí)間增益→二維成像)的剖面。在圖2(a)中，圈定位置在圖像上為深色區(qū)，表明該處反射波能量強(qiáng)，其余淺色位置為正常信號(hào)反射情況；圖2(b)為異常位置處的單道反射波?？梢?jiàn)在圖2(a)中圈定的異常位置處雷達(dá)反射信號(hào)在不同介質(zhì)的界面上分別出現(xiàn)兩處強(qiáng)烈反射。同時(shí)，在該兩處的反射波相位翻轉(zhuǎn)了180o。

圖2 雷達(dá)剖面及其異常位置的單道反射波

圖3為圖2(b)處某道反射信號(hào)的頻譜圖，從圖3中可以看出在異常位置處主頻約為20 MHz，在其他巖層均勻處于天線主頻接近，約為43 MHz，可見(jiàn)異常位置主頻明顯降低，電磁波的高頻成分出現(xiàn)顯著損耗。

圖3 異常位置雷達(dá)信號(hào)頻譜

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中積累的掌子面地質(zhì)發(fā)展規(guī)律和勘察設(shè)計(jì)地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，可以判斷隧道巖溶整體處于新生代巖溶發(fā)育期，該里程掌子面處于雙圣寺斷層(F5)的影響區(qū)內(nèi)，且為巖溶較發(fā)育的區(qū)域。結(jié)合雷達(dá)信號(hào)2維剖面和不良體位置的單道反射波的振幅、相位、主頻變化特征，分析推斷在掌子面前方8～13 m范圍為一主要巖溶水含水層構(gòu)造，在圈定位置有一含水量豐富的巖溶裂隙(溶縫)水通道。

3.3 含水量的估算

為估算該里程掌子面前方地層含水量的大小，根據(jù)40 MHz雷達(dá)天線信號(hào)在探測(cè)范圍類的傳播時(shí)間和剖面圖上圈定的不良地質(zhì)體的厚度進(jìn)行了兩個(gè)剖面點(diǎn)的地層波速的計(jì)算(如圖4)，并利用式(14)估算了掌子面前方地層的含水量大小變化情況。計(jì)算過(guò)程為：①將探測(cè)的30 m范圍按2 m長(zhǎng)度進(jìn)行等分，取測(cè)試系統(tǒng)讀波速的平均值；②將每段的平均波速代入式(13)，其中c=3×105km/s，可計(jì)算出分段區(qū)間內(nèi)的相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部ε′；③因天線主頻較小，可取ε=ε′，將ε′代入式(14)求得分段內(nèi)的含水量平均值。對(duì)1線的估算結(jié)果表明，在通過(guò)雷達(dá)波反射信號(hào)特征和地質(zhì)資料綜合分析基礎(chǔ)上推斷的掌子面前方不良地質(zhì)體處(圈定范圍)地層介質(zhì)含水量高達(dá)約65%，2線的含水量平均約為4%～10%，與推斷的巖溶裂隙水情況較為吻合。

圖4 基于介電常數(shù)的地層含水量估算

通過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證，在剖面成像圖中圈定的巖溶裂隙水發(fā)育區(qū)域內(nèi)巖體節(jié)理裂隙也較發(fā)育。在地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試掌子面里程前方約8 m，圖4中1線剖面處(掌子面右側(cè)，距中心線約3 m)存在一主要的溶縫為巖溶水通道〔圖5(a)〕，且?guī)r溶發(fā)育，初期涌水量約為139 L/min；2線剖面附近的巖層有少量裂隙水滲出，如圖5(b)。驗(yàn)證了綜合分析推斷的結(jié)果，對(duì)隧道施工起到了指導(dǎo)作用。

圖5 開(kāi)挖后揭露的掌子面溶蝕發(fā)育及裂隙水溶縫

4 結(jié) 論

1)巖溶地區(qū)隧道地質(zhì)的復(fù)雜性，加深了地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的多解性難題。在充分認(rèn)識(shí)探測(cè)目標(biāo)的地質(zhì)發(fā)展規(guī)律，對(duì)揭露地層與探測(cè)體間的關(guān)系進(jìn)行正確地質(zhì)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，有機(jī)結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)對(duì)不同不良地質(zhì)體的反射特征，對(duì)提高隧道巖溶裂隙水區(qū)域預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性有重要作用。

2)采用介電常數(shù)與地層含水量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的巖溶裂隙水量估算方法在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中是可行的，且能滿足隧道施工中對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)的精度要求。地層含水體的空間大小在剖面圖上圈定的不準(zhǔn)確是估算含水體水量的主要誤差來(lái)源。

3)新生代巖溶地區(qū)的地下水一般較發(fā)育，地層含水量的大小和圍巖裂隙的發(fā)育程度有著緊密的聯(lián)系。充滿水的裂隙通常隱埋在含水量較小的巖體中。巖溶裂隙水的探測(cè)結(jié)果可作為進(jìn)一步評(píng)估圍巖完整性的依據(jù)。

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GPR for Detecting Karst-Fissure Aquifer in Tunnel

Zhao Ningyu1, Pan Jinqiu1, Yu Haijun2, Liang Bo1

(1. School of Civil Engineering & Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Chongqing Aerospace Polytechnic, Chongqing 400021, China)

The geological development principles of karst-fissure aquifer were analyzed. Then the characteristics of GPR electromagnetic reflection signal on karst-fissure aquifer and water content estimation method based on wave velocity-dielectric constant relationship were studied. Through specific engineering application, the geological radar has good resolution to fracture water buried in low water content rock and in fractured rock environments. And the estimation method of Karst fissure water moisture is feasible. The validity of the signal analysis method based on the geological understanding of the law to delineate adverse geological of karst fissure water and to estimate water content was verified.

tunnel engineering; karst-fissure aquifer; GPR; geological principle; geological detection; water content

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.07

2014-08-12；

2014-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178490)；重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2013jcyjA30019)；重慶市教育科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1400303)

趙寧雨(1981—)，男，四川南充人，講師，博士研究生，主要從事巖土工程試驗(yàn)方面的研究。E-mail：zny2008@163.com。

U452.1+1；TU94+3.1

A

1674-0696(2015)03-032-04