地質(zhì)雷達(dá)在地面沉降探測中的應(yīng)用

鄢油纖，叢沛桐，侯劍山

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510000)

0 引言

地質(zhì)雷達(dá)是一種物探技術(shù)，20世紀(jì)60年代已有對冰川的無線回聲探測[1]，90年代后，地質(zhì)雷達(dá)在各個(gè)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中普遍應(yīng)用，如大壩安全鑒定、地層分布探查、管線檢測、地災(zāi)勘查、公路無損檢測、地下巖溶探測、土壤含水率檢測、水土流失等[2-3]。正因?yàn)閼?yīng)用的廣泛性，使得地質(zhì)雷達(dá)具有較高價(jià)值，也進(jìn)一步推動(dòng)地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)展。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用的是電磁波脈沖法[4]，手推裝載移動(dòng)的過程中發(fā)射天線T向地下發(fā)射一定中心頻率的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播，遇到不同介質(zhì)目標(biāo)體時(shí)發(fā)生折射和反射，接收天線R接收地下介質(zhì)反射的波信號(hào)，反射的電磁波信號(hào)由光纖傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī)，轉(zhuǎn)變成時(shí)間序列信號(hào)[5-6]；測線上各個(gè)測點(diǎn)的波形時(shí)間序列，構(gòu)成地質(zhì)雷達(dá)探測剖面，見圖1。地質(zhì)雷達(dá)探測時(shí)普遍納用剖面法，即收發(fā)天線垂直于測線方向沿著布置的測線以固定步距移動(dòng)，從起點(diǎn)開始，每移動(dòng)一次天線便發(fā)射和接收一次波信號(hào)，完成每條測線的探測后，在地質(zhì)雷達(dá)的主機(jī)上便顯示出在此測線的剖面圖像，見圖2。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)原理示意圖

圖2 地質(zhì)雷達(dá)雙程走時(shí)圖

地下介質(zhì)中傳播的電磁波，經(jīng)過剖析和計(jì)算波在地下各個(gè)介質(zhì)中雙程走時(shí)與傳播速度，來確定目標(biāo)體的埋藏深度[7]。根據(jù)地面反射與目標(biāo)體或分界面反射的時(shí)間差Δt，即可計(jì)算出其埋藏深度H，即：

式中：H為目標(biāo)埋藏深度；Δt為地面反射與目標(biāo)反射的時(shí)間差；v為電磁波傳播速度；x為發(fā)射、接收天線間的中心間隔。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 工程概況

該建筑工程場區(qū)位于廣州市永和開發(fā)區(qū)斗塘路，占地面積為57438 m2，建筑物為1～3層廠房、辦公樓等，地質(zhì)較復(fù)雜，在勘察深度范圍內(nèi)，場區(qū)內(nèi)地層按成因可分為人工填土層、沖積層、坡積層、殘積層、燕山期花崗巖。局部存在軟塑狀粉質(zhì)粘土等軟弱層，屬二級場地。巖土種類較多，不均勻，性質(zhì)差異較大，屬中等復(fù)雜地基。

2.2 目的與要求

探測檢查與發(fā)生地面沉降有關(guān)的松散土體、裂縫、空洞和地下填筑材料有介電常數(shù)差異的目標(biāo)體等。根據(jù)電磁波信號(hào)的分布情況、圖像波形、背景值等，將所探測目標(biāo)體進(jìn)行分類，找出發(fā)生沉降的不同原因點(diǎn)，為后期是否需要加固等提供工程地質(zhì)依據(jù)。

2.3 探測設(shè)備

2.3.1 天線頻率選擇

此次的探測目標(biāo)深度范圍在9.9 m以內(nèi)。因而探測采用的是加拿大EKKO雷達(dá)，天線頻率選擇100M分離式天線。

2.3.2 參數(shù)設(shè)置

(1)系統(tǒng)最大特征參數(shù)：186 dB，天線相同頻率下，探測深度最深；(2)接收靈敏度：1.5 μV，此時(shí)地質(zhì)雷達(dá)靈敏度最高；(3)采樣間隔：0.8 ns；(4)采樣率：100 GHz；(5)每道采樣點(diǎn)數(shù)：10～31000；(6)脈沖重復(fù)頻率：100 kHz；(7)環(huán)境尺度標(biāo)準(zhǔn)：IP66，在-50℃～50℃的溫度范疇可正常使用；(8)可編程序時(shí)窗：500 ps～200000 ns；(9)發(fā)射電壓：FCC、400 V、1000 V；(10)A/D：16bit；(11)整體分離式天線，測量形式可多種多樣(CMP、反射法、透視)。

2.4 測線布置

本次探測路況見圖3，路線位置見圖4，探測長度分別為15 m左右、40 m左右、50 m左右、70 m左右、100 m左右。測線布置(來回布置)：從起點(diǎn)至終點(diǎn)，每15 m～100 m左右布置一道測線，共22道測線。對需要探測目標(biāo)劃分22個(gè)探測斷面，編號(hào)分別為#1、#2、#3…、#22。

圖3 探測區(qū)范圍平面圖

圖4 地質(zhì)雷達(dá)測線布置圖

2.5 圖像波形特征

當(dāng)探測地下范圍內(nèi)無問題存在時(shí)，雷達(dá)波形圖的主要特點(diǎn)在于反射波的同相軸連續(xù)性好，無交叉、變位錯(cuò)動(dòng)、缺失和振幅值的差異變動(dòng)。當(dāng)探測地下范圍內(nèi)存在問題時(shí)，反射波同相軸的連續(xù)性會(huì)變化，反射波會(huì)呈現(xiàn)強(qiáng)弱變化和錯(cuò)斷等特征，結(jié)合鉆孔資料來識(shí)別地下隱患、解釋地質(zhì)剖面。不同土層的波場特征如下：(1)雜填土：雷達(dá)主機(jī)上呈現(xiàn)的反射波雜亂無序；(2)密實(shí)土：雷達(dá)主機(jī)上顯示的反射波信號(hào)較弱，波形勻稱，甚至界面沒有反射信號(hào)；(3)地下脫空：雷達(dá)主機(jī)上呈現(xiàn)的反射波信號(hào)較強(qiáng)，普遍呈近似水平的帶狀分布，有多次反射波信號(hào)；(4)不密實(shí)破碎土：接收天線接收的反射波信號(hào)幅值較強(qiáng)，在雷達(dá)主機(jī)上波形圖像呈現(xiàn)同相軸錯(cuò)斷、不連續(xù)、雜亂、區(qū)域化狀態(tài)分布；(5)孔洞：雷達(dá)主機(jī)上呈現(xiàn)的反射波信號(hào)幅值較強(qiáng)，典型特點(diǎn)在于孤立體相位，三振相明顯，通常特征為規(guī)整或非規(guī)整的雙曲線波形，其下部仍有強(qiáng)反射波信號(hào)；(6)高含水：有幅值較強(qiáng)的反射波信號(hào)，基本以低頻為主；(7)裂縫：波信號(hào)同相軸斷開，其分布形式為斜向帶狀或尖波狀，信號(hào)波幅值較強(qiáng)。

2.6 探測結(jié)論

本次探測應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)測線22條，合計(jì)長度約為1304 m。測線部分雷達(dá)圖像見圖5～圖9。

圖5 測線4解譯后雷達(dá)圖像

圖7 測線6解譯后雷達(dá)圖像

圖8 測線8解譯后雷達(dá)圖像

圖9 測線10解譯后雷達(dá)圖像

經(jīng)綜合分析和推斷解釋可得如下結(jié)論：

(1)雷達(dá)波形特征按淺部和深部描述淺部：測線部分位置反射波波幅變化劇烈，同相軸連續(xù)，局部區(qū)域同相軸錯(cuò)動(dòng)，結(jié)合鉆孔料分析，表明淺部回填土疏松，測試期間土壤含水量在地下不同部位有差異，應(yīng)為雨后土壤水分滯留的反映。

(2)圖層雷達(dá)影像表明測線#4、#5、#8、#10處(圖5、圖6、圖8、圖9)可能存在土壤不密實(shí)情況，測線#6處(見圖7)存在高含水情況，其他測線未發(fā)現(xiàn)有隱患地帶。不密實(shí)隱患因其充填介質(zhì)雜亂、不均勻、介電常數(shù)差異大，地質(zhì)雷達(dá)電磁波在其填筑不密實(shí)的縫隙常常產(chǎn)生繞射、散射、波形雜亂。高含水率缺陷普遍分布連續(xù)，反射波同相軸連續(xù)性好，波形相對較均一，因而含水率高缺陷的圖像特征為多次震蕩反射，振幅較大，同相軸連續(xù)。雷達(dá)探測有效范圍內(nèi)均無明顯的錯(cuò)動(dòng)帶。

(3)地質(zhì)雷達(dá)探測未發(fā)現(xiàn)有明顯空洞、孤石等不利埋藏物，僅有排水管道以及金屬管線。因本次只分析地面沉降原因，排水管道以及金屬管線影響不大，因此不對排水管道和金屬管線波形圖像特征做進(jìn)一步的分析。

(4)造成地面不均勻沉降原因主要是局部土層不密實(shí)，長期重力作用，導(dǎo)致地面下陷；地下水流失，地下水屬孔隙潛水類型，含水層主要為透鏡狀砂土層，屬中～強(qiáng)透水層，賦水性較好，地下水動(dòng)態(tài)主要受季節(jié)性氣象因素影響，補(bǔ)給主要來源于大氣降雨，水量隨季節(jié)變化，地下水流失嚴(yán)重，導(dǎo)致地基不均勻沉降造成地面下陷。

3 結(jié)語

基于地質(zhì)雷達(dá)方法，可有效探測地面沉降，同時(shí)又能檢測出地面沉降，是一種高效率的方法，但地質(zhì)雷達(dá)法也存在多解性的問題，需要有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，和探測區(qū)域的地勘自資料相結(jié)合，才能更好的發(fā)揮地質(zhì)雷達(dá)法的優(yōu)點(diǎn)。