地質(zhì)雷達(dá)在高速公路巖溶路基探測(cè)中的應(yīng)用

李祖能，毛承英

0 引言

在溶巖地區(qū)修筑公路常常碰到巖溶地質(zhì)問題，巖溶地基對(duì)公路的穩(wěn)定性造成不同程度的影響，其危害包括：[1](1)路基遭受巖溶水作用破壞，致使路基掏空產(chǎn)生塌陷或整體失穩(wěn)；(2)在自重、荷載、荷載振動(dòng)或地震作用下，巖溶頂板坍塌，使路基產(chǎn)生不均勻沉降、坍塌破壞。尤其是在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地區(qū)，巖溶對(duì)公路建設(shè)及運(yùn)營安全造成極大威脅，巖溶地質(zhì)及其勘探技術(shù)研究日漸受各參建單位的重視。因此在巖溶發(fā)育區(qū)域修筑公路，必須先探明地下巖溶發(fā)育的情況。

工程物探是對(duì)高速公路隱伏巖溶探測(cè)的重要手段。高密度電法、淺層地震法及地質(zhì)雷達(dá)法是常用的巖溶探測(cè)地面物探方法。這些方法的探測(cè)深度、精度均有差別，應(yīng)用條件也不盡相同。相對(duì)而言，對(duì)于裸露灰?guī)r區(qū)或覆蓋層厚度小、地下水位低、探測(cè)深度小的情況下，地質(zhì)雷達(dá)法具有其他方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)：該技術(shù)施工便捷、探測(cè)精度高，可以高效準(zhǔn)確地查明淺埋巖溶洞、溶隙、溶溝、溶槽等不良地質(zhì)體的分布范圍、形態(tài)及發(fā)育情況，查明巖溶塌陷的分布規(guī)律與塌陷的誘發(fā)因素，對(duì)巖溶路基的穩(wěn)定性做出科學(xué)的評(píng)價(jià)，為巖溶路基的加固處理提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)基本原理[2]

地質(zhì)雷達(dá)法是利用雷達(dá)天線發(fā)射高頻電磁脈沖來進(jìn)行地球物理探測(cè)的一種方法，其具有高分辨率、高效率、無損探測(cè)、結(jié)果直觀等優(yōu)勢(shì)。如圖1所示，由發(fā)射天線T向地下發(fā)送脈沖形式的寬帶電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播，被各種界面反射回地面，由接收天線R所接收。反射界面可能是土層、地下水面、巖土界面、人造物體或其他具有電性差異的地質(zhì)體。當(dāng)天線(或天線對(duì))沿著地面移動(dòng)時(shí)，接收天線R接收的信號(hào)經(jīng)過處理并以圖形的形式在探測(cè)儀器上顯示為二維記錄剖面或雷達(dá)圖像(如圖1b)。

(a)地質(zhì)雷達(dá)共偏移距剖面測(cè)量示意圖

(b)地質(zhì)雷達(dá)反射剖面圖

地質(zhì)雷達(dá)并不直接測(cè)量地下目標(biāo)體的電性參數(shù)，而是根據(jù)地層或目標(biāo)體反射回來的電磁波在振幅、頻率、雙程時(shí)間等存在的差異來推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對(duì)地下隱蔽目標(biāo)物的探測(cè)。該方法最適用于探測(cè)地下界面的幾何變化情況。

介質(zhì)電導(dǎo)率是影響電磁波穿透深度的重要因素，穿透深度隨介質(zhì)電導(dǎo)率的增加而減小，電磁波的穿透深度與電導(dǎo)率的關(guān)系見圖2。

圖2 電磁波的穿透深度與電導(dǎo)率的關(guān)系圖

2 巖溶地質(zhì)雷達(dá)波反射特征[3]

巖溶地區(qū)主要分布有第四系地層和可溶巖(灰?guī)r)基巖層，地表常有巖溶漏斗、落水洞、溶洞等地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生，地下灰?guī)r中也常發(fā)育有隱伏的溶蝕裂隙(縫)、溶溝、溶洞等相伴發(fā)育的巖溶形態(tài)。溶洞又有充填和無充填之分，這些地質(zhì)體在雷達(dá)剖面上有各自的反射特征。

(1)第四系地層反射特征：主要為填土、黏性土或碎石土等，這些地層的雷達(dá)反射多表現(xiàn)為連續(xù)而平行的近水平條帶狀，振幅強(qiáng)，頻率低，當(dāng)遇到不均勻體時(shí)，反射波中斷或交錯(cuò)，其還受地表波影響。

(2)灰?guī)r面及灰?guī)r巖體內(nèi)部反射特征：灰?guī)r面位于土石分界面位置，上下地層的電性差異較大，如覆蓋層為均勻的黏土層且地表平緩、巖面起伏不大，則界面反射表現(xiàn)為清晰的連續(xù)強(qiáng)反射，其形態(tài)與基巖起伏變化一致；如覆蓋層均勻性差且地表和巖界面起伏劇烈，則界面反射連續(xù)性差，強(qiáng)度不均勻。完整均勻灰?guī)r巖體內(nèi)表現(xiàn)為無反射或弱反射，且波形、振幅均勻、頻率高，同相軸連續(xù)；不完整灰?guī)r巖體反射能量、振幅、同相軸等均發(fā)生明顯變化，頻率相對(duì)低，反射信號(hào)同相軸連續(xù)性差。

(3)巖溶地質(zhì)體的反射特征：總體表現(xiàn)為強(qiáng)反射、頻率低、同相軸發(fā)生變化。規(guī)則溶洞會(huì)呈現(xiàn)典型的雙曲線特征，溶洞頂對(duì)應(yīng)雙曲線頂點(diǎn)位置，空溶洞在溶洞底有強(qiáng)反射，充填溶洞因電磁波能量衰減溶洞底反射不明顯。不規(guī)則溶洞反射較為雜亂。溶溝溶槽表現(xiàn)為豎向或斜向低頻強(qiáng)反射異常，傾斜溶溝底部對(duì)應(yīng)同相軸拐點(diǎn)位置。溶蝕裂隙密集發(fā)育區(qū)雷達(dá)反射表現(xiàn)為低頻強(qiáng)強(qiáng)波幅，反射波延深范圍一般比實(shí)際賦存深度范圍大。對(duì)于各種巖溶形態(tài)相伴發(fā)育的區(qū)域，雷達(dá)反射變得更為復(fù)雜。

(4)結(jié)構(gòu)面反射特征：巖性分界面、裂隙面(帶)、夾層面等往往表現(xiàn)為連續(xù)線狀強(qiáng)反射或交叉強(qiáng)反射特征，斷層破碎帶發(fā)射較為雜亂。

對(duì)于地質(zhì)條件和巖溶發(fā)育復(fù)雜的情況，雷達(dá)剖面往往為上述各種地質(zhì)體反射信號(hào)相互干涉的綜合反映。

3 地質(zhì)雷達(dá)在高速公路巖溶路基探測(cè)中的應(yīng)用

3.1 勘察場(chǎng)地概況

擬建廣西某高速公路K110+500～K111+100路基地段為構(gòu)造-溶蝕峰叢谷地地貌，地表多覆蓋第四系黏土層，下伏基巖為石炭系中統(tǒng)(C2)白云質(zhì)灰?guī)r，路基范圍屬巖溶區(qū)，地表發(fā)育多處巖溶漏斗。根據(jù)前期勘察資料反映的巖溶發(fā)育情況，擬將YK110+676～YK110+728段、ZK110+687～ZK110+742段、YK111+000～YK111+053段及ZK110+979～ZK111+030段采用橋梁方案跨越。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)任務(wù)是詳細(xì)查明測(cè)區(qū)隱伏巖溶分布位置、溶洞走向及大小規(guī)模，為路基、橋梁設(shè)計(jì)和施工提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

3.2 巖溶發(fā)育特征及地球物理探測(cè)條件

測(cè)區(qū)可溶巖為白云質(zhì)灰?guī)r，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，勘察區(qū)西南側(cè)距離約1 000 m處有一條區(qū)域逆斷層通過，斷層大致呈東-西走向，傾向北側(cè)，巖溶形態(tài)多受巖層和構(gòu)造控制，多為構(gòu)造裂隙型巖溶和管道型巖溶。地表多見密集的巖溶洼地、漏斗、落水洞等多種巖溶形態(tài)，石芽、溶溝強(qiáng)烈發(fā)育，基巖面起伏較大，局部地下巖溶形態(tài)規(guī)模較大。前期鉆探資料揭示測(cè)區(qū)溶洞為可塑黏性土充填或無充填。

由第四系黏土層、白云質(zhì)灰?guī)r、巖溶(充填和無充填)組成的巖土體在密度、電性參數(shù)(如介電常數(shù)，電導(dǎo)率等)等存在明顯的差異，可形成明顯的電性界面。常見巖土介質(zhì)物性參數(shù)見表1。

表1 巖溶場(chǎng)地幾種常見物質(zhì)的電性參數(shù)表

測(cè)區(qū)無高壓線、無大范圍金屬構(gòu)件等電磁干擾源。

上述條件為該區(qū)開展地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)提供了良好的地球物理?xiàng)l件。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)及效果分析

本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)沿?cái)M建高速公路左幅、右幅路基各布置2條縱測(cè)線，垂直路基布置橫測(cè)線19條。儀器采用加拿大生產(chǎn)的pulse EKKO-PRO型雷達(dá)儀探測(cè)。

3.3.1 野外數(shù)據(jù)采集

本次工作采用剖面測(cè)量法，即發(fā)射天線(T)和接收天線(R)緊貼地面沿著測(cè)線方向等間距地向前移動(dòng)測(cè)量。為兼顧探測(cè)深度與分辨率，選擇中心頻率為50 MHz的低頻天線，天線長(zhǎng)2.0 m，空間分辨率≤0.5 m。結(jié)合場(chǎng)地植被發(fā)育、局部地形起伏較大的特點(diǎn)，采用步長(zhǎng)模式采集。

為獲得最佳工作參數(shù)以突出探測(cè)效果和提高工作效率，本次工作在前期鉆孔揭露的溶洞上做試驗(yàn)，該溶洞頂板埋深2.6 m，溶洞高4.0 m，充填黏土。通過調(diào)整雷達(dá)工作參數(shù)使已知溶洞對(duì)應(yīng)的異常得到最佳呈現(xiàn)(見下頁圖3)，此時(shí)的參數(shù)被認(rèn)定為最佳并將其用于未知巖溶發(fā)育區(qū)域的探測(cè)中。本次工作實(shí)際采用的參數(shù)為：收發(fā)天線距為2.00 m，探測(cè)點(diǎn)距為0.50 m，時(shí)間窗口800 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024個(gè)/掃描線，疊加次數(shù)為256，采用自動(dòng)增益。工作中啟用位置標(biāo)記功能。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理

本次工作采用Reflexw專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要步驟和內(nèi)容為：一維濾波/去直流漂移，靜校正/移動(dòng)初至?xí)r間，增益/能量衰減，二維濾波/提取平均道，一維濾波/巴特沃斯帶通濾波，二維濾波/滑動(dòng)平均，偏移等。

通過時(shí)深變換公式：H=VT/2計(jì)算地層界線深度。H為深度，T為反射時(shí)間，V電磁波傳播平均速度。利用ReflexW軟件velocity adaptation功能，通過由定義速度和寬度計(jì)算的雙曲線來交互式調(diào)整以適應(yīng)實(shí)測(cè)反射雙曲線，獲得平均波速為0.085 m/ns。

圖3 雷達(dá)觀測(cè)參數(shù)試驗(yàn)及Velocity Adaptation法定電磁波傳播速度示意圖

3.3.3 資料解釋

結(jié)合已知地質(zhì)、鉆探等資料，根據(jù)雷達(dá)時(shí)間剖面反射波組波形頻率、幅值的變化和同相軸的連續(xù)性等綜合分析表明：覆蓋層反射波組頻率較低，同相軸較連續(xù)，夾泥裂隙多見短軸、雜亂強(qiáng)反射，其幅值隨埋深變深而明顯減小；溶洞頂部形成明顯的反射波面，表現(xiàn)為強(qiáng)振幅、低頻率，與圍巖電磁波組相比明顯異常；對(duì)于充填型溶洞，充填物對(duì)電磁波吸收嚴(yán)重，充填部分頻率低，而底部難以接收反射波組；完整基巖反射同相軸連續(xù)、清晰明顯，幅值隨埋深變化逐漸減少。通過分析、計(jì)算劃分上伏覆蓋層及下伏灰?guī)r的地質(zhì)界線，圈定巖溶發(fā)育位置、形態(tài)、規(guī)模，繪制推斷地質(zhì)斷面圖。見圖4。

Line9線130～140段存在明顯低頻強(qiáng)反射異常，無典型溶洞雙曲線特征，推斷為溶蝕裂隙發(fā)育破碎引起；147～153、157～164段存在豎向條帶狀強(qiáng)反射特征，局部出現(xiàn)溶洞雙曲線特征，推斷為溶蝕裂隙、溶洞相伴發(fā)育區(qū)；204～208段淺部存在斜向現(xiàn)狀強(qiáng)反射異常特征，推斷為傾斜溶溝、溶縫發(fā)育引起；219～224段為強(qiáng)反射弧異常特征，具有溶洞雙曲線特征，推斷為溶洞發(fā)育引起。Line13線196～203段存在低頻反射異常，無溶洞雙曲線特征，推斷為溶蝕裂隙發(fā)育破碎引起；217～222段自巖面附近出現(xiàn)強(qiáng)反射異常特征，具有典型溶洞雙曲線特征，且有多次反射波，推斷為無充填溶洞引起。Line21線132～140存在明顯低頻強(qiáng)反射異常，無典型溶洞雙曲線特征，推斷為溶蝕裂隙發(fā)育破碎引起；152～160、170～177存在明顯低頻強(qiáng)反射異常，局部出現(xiàn)溶洞雙曲線特征，推斷為溶蝕裂隙、溶洞相伴發(fā)育引起。

(a)Line9(100-230段)二維雷達(dá)剖面

(b)Line13(146-230段)二維雷達(dá)剖面

(c)LINE21(100-235段)二維雷達(dá)剖面

通過對(duì)測(cè)區(qū)所有測(cè)線雷達(dá)探測(cè)效果分析認(rèn)為，測(cè)區(qū)具有地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)良好條件，探測(cè)效果良好，有效地劃分了場(chǎng)地巖溶發(fā)育分布情況，探測(cè)成果與前期高密度電法、鉆探資料相吻合，并探測(cè)出其他方法未能發(fā)現(xiàn)的溶洞等。

4 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用中，場(chǎng)地地球物理?xiàng)l件滿足要求、合理的采集方式和采集參數(shù)是獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)的保證。對(duì)于地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的場(chǎng)地條件無需做過多數(shù)據(jù)處理；而對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)地，擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和采取合理有效的數(shù)據(jù)處理技巧方能最大限度地突出有效異常，

壓制干擾信號(hào)。本文將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于廣西某高速公路巖溶路基探測(cè)中，探測(cè)成果豐富，隱伏溶洞、溶蝕裂隙、溶溝縫等常見巖溶形態(tài)異常特征明顯，有效劃分了路基范圍內(nèi)巖溶發(fā)育分布情況，為設(shè)計(jì)和施工提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。探測(cè)結(jié)果與前期高密度電法及鉆探結(jié)果相吻合，且探測(cè)出一些之前未發(fā)現(xiàn)的巖溶發(fā)育現(xiàn)象，既得到了驗(yàn)證又突出了其優(yōu)勢(shì)。

地質(zhì)勘察中地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度小是其缺點(diǎn)之一，本文實(shí)例最大探測(cè)深度約20 m。另外，地形起伏、表層存在不均勻體，巖面起伏劇烈等因素均會(huì)形成雷達(dá)波散射和繞射現(xiàn)象，會(huì)對(duì)淺部巖溶異常造成“干涉”，降低信噪比。采用合理的濾波和偏移處理等處理技巧尤為重要，還需對(duì)測(cè)區(qū)的地形、地質(zhì)以及巖溶發(fā)育規(guī)律等情況有詳細(xì)的了解，才會(huì)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)圖象達(dá)成合理認(rèn)識(shí)。

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