地質雷達在某長江大橋承臺圍堰下放區(qū)卵石探測中的應用

任衛(wèi)波

(廣東地下管網(wǎng)工程勘測公司，廣東 廣州 510000)

項目位于四川省瀘州市合江縣榕山鎮(zhèn)臨港工業(yè)園區(qū)，橫跨長江，橋梁南岸連接臨港工業(yè)園區(qū)大道，北岸通過規(guī)劃城區(qū)道路與宜瀘渝高速公路白米互通立交連接。工區(qū)內橋梁承臺四周圍堰下放區(qū)有不均勻卵石層分布，利用地質雷達探測圍堰下放區(qū)內卵石層，可探明測區(qū)內卵石層的分布特征,為橋梁承臺的后期養(yǎng)護工作提供參考。

地質雷達在探測過程中，其準確性易受場地地質條件、現(xiàn)場條件和探測目標體大小及埋深的影響[1-2]。

1 工程地質概況及地球物理背景

1.1 地層巖性

工區(qū)出露和揭露的地層為中生界侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組和上更新統(tǒng)II階沖積層，新生界第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4me)、沖積層(Q4al)及坡殘積層(Q4dl+el)。

(1)沖積層(Q4al)。沖積層主要分布有粉土和卵石。

粉土：褐灰色，以粉粒為主，少量黏粒，稍密，潮濕～飽和，透水性好。

卵石：褐灰色，石質成分主要為砂巖，亞圓～圓狀，中度風化，稍密，潮濕～飽和，透水性好。鉆孔揭示最大厚度為5.40 m，分布于河床中及漫灘上。

(2)侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)。侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組地層出露于長江兩岸斜坡陡坎處以及下臥于松散層，分布于整個場地，厚度大于500 m。巖性主要為細砂巖與粉砂質泥巖夾粉砂巖互層。

細砂巖：紫灰～灰色，礦物成分以石英、長石為主，含少量云母，細粒結構，鈣質膠結，中厚層狀構造，結構不均勻，局部粉泥質富集，局部夾泥質團塊及泥質條帶，沿層理云母富集。

粉砂質泥巖：紫紅色，礦物成分以黏土礦物為主，長石及石英少量，粉泥質結構，泥鈣質膠結，薄層狀構造，巖石具飽水軟化、脫水開裂特征。

1.2 場地條件

工區(qū)在江道內，部分測線域附近有已搭建好的金屬鋼架及正在施工的大型機械設備會對地質雷達信號產生一定的電磁干擾，影響數(shù)據(jù)采集質量，降低信噪比。

1.3 地球物理背景

根據(jù)收集的相關資料和現(xiàn)場實驗結果，得到本次地質雷達探測主要介質的介電常數(shù)，見表1。

表1 主要介質的介電常數(shù)

從表1可知，不同介質的介電常數(shù)差異較明顯，可利用地質雷達法探測不同介質的分界面。

2 地質雷達探測技術

2.1 基本原理

地質雷達法是以探測地質體的介電常數(shù)差異為理論基礎，如圖1，通過發(fā)射天線向地質體發(fā)射高頻電磁波,電磁波在地質體內部傳播，當其遇見介電常數(shù)差異界面時發(fā)生反射，通過接收天線接收反射電磁波，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，經專業(yè)軟件處理獲得目標地質體的埋深、層厚等數(shù)據(jù)[3-5]。根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，開展地質雷達試驗工作，進行參數(shù)設定。本次試驗選用的儀器型號為GSSI公司的SIR-40型地質雷達，選用100 MHz屏蔽天線。

圖1 地質雷達基本原理圖

2.2 測線布置

本次地質雷達探測工作利用導航船進行水上數(shù)據(jù)采集，3#橋墩承臺共布置地質雷達測線13條，每條測線均由導航船定位。

3 典型圖像分析

地質雷達電磁波信號在水體中傳播，其介質較均一，雷達電磁波信號較為穩(wěn)定，頻譜范圍窄，振幅均勻，同相軸連續(xù)性好；在松散的水下卵石層中傳播，其介質不均一，雷達波形發(fā)生衍射、反射，反射能量強，振幅變化較大，同相軸連續(xù)性較好。

3.1 承臺前方區(qū)域

3#橋墩承臺前方區(qū)域布置地質雷達測線5條，均以長江下游為測線起點，測線距5 m，平行河道布設。地質雷達實測圖像見圖2。

圖2 承臺前方區(qū)域地質雷達實測圖像

從圖2可知，江水、卵石層、下附淤泥層或沙層分界明顯，該測線水深變化范圍較大，水深最淺處雷達圖像視窗顯示為100 ns，最深處雷達圖像視窗顯示為160 ns，水深總體變化規(guī)律是沿測線方向逐漸變淺。該線范圍均發(fā)現(xiàn)卵石層強反射異常，測線水平距離0～72 m卵石層雷達圖像視窗顯示變化較小，時差較均一；測線水平距離72～150 m外界干擾較大，卵石層雷達圖像視窗顯示變化較大，信噪比低，時差變化大；測線水平距離105～137 m卵石層雷達圖像視窗顯示變化較大，時差較均一。卵石層埋深隨水深變化而變化，整體厚度較為均一。

3.2 承臺下游區(qū)域

3#橋墩承臺下游區(qū)域布置地質雷達測線5條，測線距5 m，垂直河道布設。地質雷達實測圖像見圖3。

圖3 承臺下游區(qū)域地質雷達實測圖像

從圖3可知，江水、卵石層、下附淤泥層或沙層分界明顯，該測線水深變化范圍較大，水深最淺處雷達圖像視窗顯示為90 ns，最深處雷達圖像視窗顯示為210 ns，水深總體呈現(xiàn)沿測線方向深淺交替變化。該線范圍均發(fā)現(xiàn)卵石層強反射異常，測線水平距離0～85 m卵石層雷達圖像視窗顯示變化較大，時差較均一；測線水平距離85～110 m卵石層雷達圖像視窗顯示變化較大，時差變大。該側線卵石層埋深隨水深變化而變化，測線水平距離0～85 m厚度較為均一，測線水平距離85～110 m卵石層增厚。

3.3 承臺上游區(qū)域

3#橋墩承臺上游區(qū)域存在金屬干擾，布置3條地質雷達測線，測線距5 m，垂直河道布設。地質雷達實測圖像見圖4。

圖4 承臺上游區(qū)域地質雷達實測圖像

從圖4可知，測線水平距離0～64 m外界干擾較大，信噪比低，江水、卵石層、下附淤泥層或沙層分界不明顯，且水平距離0～22 m存在強干擾；測線水平距離64～88 m江水、卵石層、下附淤泥層或沙層分界明顯，水深較均一，卵石層雷達圖像視窗顯示變化較小，時差較均一，厚度較為均一。

4 結語

地質雷達電磁波信號在江水中傳播，介質較均一，雷達電磁波信號較為穩(wěn)定，分布較均一，同相軸連續(xù)性好；卵石層中雷達電磁波反射信號能量強，部分波形較凌亂，同相軸連續(xù)性較好，偶爾會出現(xiàn)合并、分岔、中斷等現(xiàn)象。地質雷達可高效探測水下卵石層位置及厚度，為橋墩及承臺養(yǎng)護、減災、防災等提供地球物理依據(jù)，但實際工作中，不均勻介質和周邊干擾源會影響地質雷達的圖像判別，應結合現(xiàn)場實際情況，開展一定驗證工作，提高探測精度。