探地雷達(dá)在地下巖溶探測(cè)中的應(yīng)用

郭佳豪，李俊杰，趙國軍，夏志強(qiáng)

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

杭州市第二水源千島湖配水工程從淳安縣金竹牌村附近取水，通過輸水隧洞及埋管將優(yōu)質(zhì)湖水引至杭州閑林水庫，同時(shí)在輸水線路途中向建德、桐廬及富陽等縣市供水。千島湖～閑林水庫輸水線路總長約113.23km，設(shè)計(jì)流量38.8m3/s，為浙江省重點(diǎn)大(1)型水利工程。進(jìn)場(chǎng)公路是連接各施工隧洞的紐帶，是重型機(jī)械進(jìn)出工區(qū)的必經(jīng)之地，金竹牌-進(jìn)水口支洞段位于配水工程上游，沿線基巖以灰?guī)r為主，道路淺表若存在隱伏空洞易導(dǎo)致地面塌陷，威脅人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，該道路施工過程于某處揭露土洞，故了解附近道路底部是否存在大型空洞，對(duì)道路后續(xù)施工與使用有重要意義。

道路隱伏巖溶探測(cè)多采用鉆探法[1- 4]、地震反射成像技術(shù)[5- 8]及探地雷達(dá)法[9- 15]，其中鉆探法作為最直接的勘察方法，其成果直觀確準(zhǔn)，但面積性探測(cè)鉆探效率低，成本高，且施工影響大；地震反射技術(shù)探測(cè)深度較大，但其數(shù)據(jù)采集過程要求填土與檢波器間的耦合程度較好，對(duì)于局部碎石分布區(qū)域可能無法采集到高質(zhì)量的地震反射數(shù)據(jù)；探地雷達(dá)精度與效率最高，缺陷在于土體對(duì)電磁波吸收作用較明顯，對(duì)雷達(dá)探測(cè)深度有一定影響?？紤]到道路探測(cè)區(qū)段覆蓋層厚度較小，綜合各種探測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用探地雷達(dá)法進(jìn)行隱伏巖溶勘察，本文介紹了探地雷達(dá)原理，通過對(duì)雷達(dá)剖面電磁異常特征的分析與歸類，圈定了地下溶蝕發(fā)育區(qū)的平面分布范圍，研究成果可為類似工程提供參考。

1 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況

金竹牌-進(jìn)水口支洞進(jìn)場(chǎng)道路起自進(jìn)水口支洞口，終于S303省道，全長近8km。按準(zhǔn)四級(jí)公路等級(jí)建設(shè)，瀝青砼路面，設(shè)計(jì)速度15km/h，路基寬6.5m，路面寬6.0m，雙向兩車道。路塹采用仰斜式擋墻，路堤采用衡重式擋墻，邊坡防護(hù)采用三維植被網(wǎng)。該道路于樁號(hào)K3+030附近揭露一土洞，土洞呈橢球形半支，開口半徑約3～4m，向下延伸3m左右，如圖1所示，土洞雖已開挖回填，但其附近仍可能存在較大尺度的淺部溶蝕通道，為避免道路塌陷，故在揭露土洞的進(jìn)場(chǎng)道路附近開展雷達(dá)探測(cè)工作。

2 探地雷達(dá)原理及測(cè)線布置

2.1 探地雷達(dá)原理

雷達(dá)電磁波探測(cè)原理如圖2所示，探測(cè)時(shí)通過小尺度同步移動(dòng)發(fā)射天線T與接收天線R，繼而接收在介質(zhì)中反射回來的電磁信號(hào)，雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過初至波切除、能量增益及帶通濾波等方法處理后便可得到如圖3所示的雷達(dá)反射波形圖，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中存在空腔時(shí)，雷達(dá)波同相軸會(huì)呈現(xiàn)雙曲線狀，且介質(zhì)分界面位置附近反射波振幅較強(qiáng)。通常均一的介質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)較均勻，若地下存在小型空隙、不密實(shí)或溶蝕帶，受其影響，反射波波形會(huì)變雜亂、振幅變強(qiáng)且多次反射現(xiàn)象明顯。工程選用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR- 4000雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，該設(shè)備只含天線與主機(jī)兩個(gè)接口，采用100MHz屏蔽天線，記錄長度約650ns，為提升數(shù)據(jù)信噪比，同時(shí)兼顧效率，數(shù)據(jù)采集時(shí)設(shè)置疊加次數(shù)為64次，點(diǎn)測(cè)模式，道間距0.1m。

圖1 進(jìn)場(chǎng)道路樁號(hào)K3+030附近揭露土洞

圖2 探地雷達(dá)探測(cè)原理

圖3 反射波形示意

2.2 測(cè)線布置

在樁號(hào)K3+019～K3+040區(qū)段附近布置測(cè)線四條，如圖4所示，測(cè)線方向、長度及對(duì)應(yīng)樁號(hào)見表1，雷達(dá)探測(cè)方向均由小樁號(hào)至大樁號(hào)。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖

表1 探地雷達(dá)測(cè)線編號(hào)、長度及對(duì)應(yīng)樁號(hào)

3 雷達(dá)剖面成果分析

測(cè)區(qū)4條雷達(dá)測(cè)線探測(cè)成果如圖5所示，由圖5a可見，測(cè)線1- 1′雷達(dá)反射波異常主要集中于樁號(hào)K3+023～K3+028.2深度大于2m區(qū)域，其中深度2～6m區(qū)段雷達(dá)反射波振幅強(qiáng)，波形雜亂，同相軸錯(cuò)斷，頻率以中頻為主，推測(cè)填土局部不密實(shí)或原狀土層較松散；K3+025～K3+028深度大于7m區(qū)域反射波能量強(qiáng)，多次反射現(xiàn)象明顯，同相軸局部呈雙曲線狀，推測(cè)巖體中發(fā)育垂向溶蝕通道。

由圖5b可見，測(cè)線2- 2′在樁號(hào)K3+029～K3+035深度小于3m區(qū)段反射波同相軸局部錯(cuò)斷或呈小型雙曲線狀，推測(cè)路基填筑土堆填局部不密實(shí)；樁號(hào)K3+024～K3+026深度約5～9m區(qū)段反射信號(hào)強(qiáng)，頻率偏低，推測(cè)巖體發(fā)育垂向小型溶蝕帶；深度大于17m區(qū)段反射波能量逐漸增強(qiáng)，多次反射現(xiàn)象明顯，同相軸局部類似雙曲線狀，推測(cè)巖體中發(fā)育垂向溶蝕通道。

由圖5c—d可見，測(cè)線3- 3′于樁號(hào)K3+028～K3+034及測(cè)線4- 4′于樁號(hào)K3+025～K3+028在深度小于4m區(qū)段反射波同相軸局部錯(cuò)斷或呈輕微彎曲狀，推測(cè)路基填筑土堆填局部不密實(shí)(圖5c- d黑框標(biāo)注)；測(cè)線3- 3′在樁號(hào)K3+025.5～K3+027、深度7～15m區(qū)域反射波能量較強(qiáng)，多次反射現(xiàn)象較明顯，同相軸類似雙曲線狀，推測(cè)巖體中發(fā)育溶蝕帶。

此外，四條雷達(dá)剖面均未見明顯上下型振幅對(duì)比度強(qiáng)的雙曲線狀反射信號(hào)，推測(cè)探測(cè)區(qū)段淺部發(fā)育大型空洞的概率較小，雷達(dá)剖面在地下深度5m附近雷達(dá)反射能量普遍較弱，推測(cè)為基巖的頂界面。

雷達(dá)剖面分析成果表明樁號(hào)K3+024～K3+028附近深度大于5m區(qū)域可能發(fā)育垂向溶蝕通道，溶蝕帶向下發(fā)育至30m，垂直道路方向自測(cè)線3- 3′起向測(cè)線1- 1′一側(cè)溶蝕區(qū)域逐漸增大，向半重力式路肩擋墻一側(cè)逐漸閉合，探測(cè)范圍內(nèi)溶蝕區(qū)最大影響寬度約3m(如圖6所示)。深度小于5m區(qū)段填筑土局部不密實(shí)，但淺部未見大型空腔發(fā)育，探測(cè)區(qū)域基巖面埋深約5m，填筑土厚約4.0m，即覆蓋層厚度約1m。

圖5 探地雷達(dá)探測(cè)剖面

圖6 推測(cè)溶蝕區(qū)平面分布示意圖

4 結(jié)論

探地雷達(dá)可高效探測(cè)路基地下巖溶的分布規(guī)律，土層與灰?guī)r的電磁波振幅存在一定差異，溶蝕通道雷達(dá)異常表現(xiàn)為反射波同相軸呈雙曲線狀、振幅強(qiáng)，有時(shí)伴隨一定程度多次反射；不密實(shí)土體在雷達(dá)剖面中表現(xiàn)為電磁波波形雜亂、振幅強(qiáng)，頻率偏低，同相軸連續(xù)性差，但未呈現(xiàn)明顯的雙曲線特征。