三維地質(zhì)雷達(dá)探測邊坡脫空區(qū)的應(yīng)用研究

[摘要]結(jié)合一邊坡工程實(shí)例，分析了三維地質(zhì)雷達(dá)探測邊坡漿砌片石護(hù)面墻脫空區(qū)的波形特征及探測效果，電磁波在脫空區(qū)處反射強(qiáng)烈，波形特征明顯，三維地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果能準(zhǔn)確顯示出脫空區(qū)的分布情況，對坡面維護(hù)及脫空區(qū)治理提供有效的科學(xué)依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]地質(zhì)雷達(dá)；脫空區(qū)；波形特征

地下脫空是常見的地質(zhì)現(xiàn)象，地下脫空的存在會形成安全隱患，因此采用快速無損的技術(shù)方法探清地下脫空的分布情況具有重要的意義。無論脫空區(qū)內(nèi)填充的是空氣、水或者是松散的土，其與周圍的介質(zhì)都存在明顯的物理性質(zhì)差異。一般情況地下脫空區(qū)與圍巖介質(zhì)電性參數(shù)存在較大的差異[1]，電磁波在脫空區(qū)界面處的反射會變得強(qiáng)烈，因此采用地質(zhì)雷達(dá)探測地下脫空方便、無損、可行[2]。三維地質(zhì)雷達(dá)更加清楚地顯示脫空區(qū)的分布情況，可為工程治理提供科學(xué)依據(jù)。

1.基本原理及數(shù)據(jù)處理方法

1.1地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)向地下發(fā)射寬頻帶短脈沖形式的高頻電磁波（106Hz至109Hz），當(dāng)?shù)叵麓嬖诮殡姵?shù)有較大差異的不均勻體（界面）時(shí)，該電磁波會反射部分電磁波[3，4]，介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定了反射系數(shù)的大小，通過分析和處理地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)所接收的反射信號的旅行時(shí)、振幅和頻率等波組特征，達(dá)到識別隱蔽目標(biāo)物的目的[5，6]，地質(zhì)雷達(dá)探測原理如圖1所示。該方法具有連續(xù)、無損、高效和高精度等優(yōu)點(diǎn)。

1.2地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)雷達(dá)所接收的是來自地下不同電性界面的反射波信號，其正確解釋取決于檢測參數(shù)選擇合理、數(shù)據(jù)處理得當(dāng)、模擬實(shí)驗(yàn)類比規(guī)范和異常判斷依據(jù)可靠等。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)通過刪除重復(fù)道/壞道，標(biāo)記樁號，添加標(biāo)題、標(biāo)識等預(yù)處理后，再進(jìn)行濾波和區(qū)域增益調(diào)整等處理分析等，數(shù)據(jù)處理流程圖見圖2。

2.應(yīng)用實(shí)例分析

2.1工程概況

某邊坡采用護(hù)坡形式采用漿砌片石護(hù)面墻，護(hù)面墻坡度約為1∶0.75～1∶1，護(hù)面墻墻厚約30～50cm，護(hù)面墻下地層介質(zhì)為全風(fēng)化-砂土狀強(qiáng)風(fēng)化，由于護(hù)面墻泄水孔未設(shè)置防御層，導(dǎo)致泄水孔堵塞，地下水沿護(hù)面墻墻體內(nèi)沖刷坡面，導(dǎo)致局部土體、泥沙被掏空[7、8]，形成局部脫空，當(dāng)局部脫空范圍變大，護(hù)面墻墻體失去支撐，當(dāng)前坡面漿砌片石護(hù)面墻已產(chǎn)生大小不一的塌陷坑，坡面現(xiàn)場情況如圖3所示。塌陷體內(nèi)見砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖出露，場地地層表層坡積粘性土較薄，厚度約2m，下覆地層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。在強(qiáng)降雨等因素影響下，邊坡受雨水沖刷及地下水作用存在產(chǎn)生進(jìn)一步塌陷的可能性，威脅坡腳居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，須進(jìn)行綜合治理。因此為治理已存在未塌陷的脫空區(qū)，需探清護(hù)面墻墻面下脫空區(qū)的分布情況。

2.2主要儀器設(shè)備及工作參數(shù)

本次探測使用的儀器是美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR4000系統(tǒng)地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備，該系列儀器為全數(shù)字化便攜式設(shè)計(jì)，具有輕便、自動化程度高、信號穩(wěn)定、探測速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)；它可連接使用多種頻率的天線。地質(zhì)雷達(dá)探測工作方式采取時(shí)間剖面法，即發(fā)射天線（Tx）和接收天線（Rx）以固定頻率發(fā)射/接收電磁波，同時(shí)采集裝置沿測線勻速移動的測量方式。

根據(jù)探測場地條件要求探測漿砌片石護(hù)面墻墻面下局部脫空區(qū)，因此擬采用頻率為400MHz的屏蔽天線，有效探測深度約8m，采樣時(shí)窗為50ns，采樣點(diǎn)數(shù)為1024，掃描率為60掃/秒。沿邊坡坡面順坡向共布設(shè)6條地質(zhì)雷達(dá)測線，測線編號分別為L1～L6，地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場探測工作照如圖4所示：

本次地質(zhì)雷達(dá)的探測目標(biāo)是地下脫空區(qū)，脫空是指地下一定深度位置存在明顯塌陷的空洞，一般脫空區(qū)上方為堅(jiān)硬物體，中間為空洞，底部為塌陷下來的堆積物[1]。無論脫空區(qū)內(nèi)的充填物是空氣或是水，其與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)都有較大的差異，電磁波在脫空區(qū)界面處的反射會變得強(qiáng)烈，據(jù)此判斷脫空區(qū)的位置和范圍在理論上是可行的，滿足了地質(zhì)雷達(dá)探測地下脫空區(qū)所需要的地球物理勘探條件。與脫空區(qū)相關(guān)的介質(zhì)物性參數(shù)見表1。

2.3探測剖面成果解譯

當(dāng)探測地下范圍內(nèi)無異常存在時(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、缺失和振幅值的差異變動。當(dāng)探測地下范圍內(nèi)存在異常時(shí)，反射波同相軸的連續(xù)性會變化，反射波會呈現(xiàn)強(qiáng)弱變化和錯(cuò)斷等特征[9]，本次探測共完成6條剖面，解釋如下：

（1）L1-L3測線

如圖5所示，L1-L3測線總長均為16m，探測有效深度范圍均為2.5m，位于L1剖面樁號1.2～4.9m、5.5～8.2m出現(xiàn)明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強(qiáng)，推斷為嚴(yán)重脫空現(xiàn)象。位于L2剖面樁號1.1～4.8m、5.2～8.1m出現(xiàn)明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強(qiáng)、延續(xù)時(shí)間較長，推斷為嚴(yán)重脫空現(xiàn)象。位于L3剖面樁號3～8.5m出現(xiàn)明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強(qiáng)、延續(xù)時(shí)間較長，推斷為嚴(yán)重脫空現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場核實(shí)，L3測線探測出的脫空區(qū)中心位置附近已經(jīng)存在明顯坡面塌陷。

（4）L4-L6測線

如圖6所示，L4-L6測線總長均為16m，探測有效深度范圍均為2.5m，位于L4剖面樁號4.5～6.9m出現(xiàn)明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強(qiáng)、延續(xù)時(shí)間較長，推斷為嚴(yán)重脫空現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場核實(shí)，L4測線探測出的脫空區(qū)中心位置附近已經(jīng)存在明顯坡面塌陷。位于L5剖面樁號4～7.5m出現(xiàn)明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強(qiáng)、延續(xù)時(shí)間較長，推斷為嚴(yán)重脫空現(xiàn)象。位于L6剖面樁號10.4～13.9m出現(xiàn)明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強(qiáng)、延續(xù)時(shí)間較長，推斷為嚴(yán)重脫空現(xiàn)象。

綜合6條測線的探測結(jié)果，每條測線均存在嚴(yán)重的脫空區(qū)，將每條測線的探測結(jié)果投影到平面圖上，得出脫空區(qū)的平面分布情況，L1-L3測線探測出的脫空區(qū)平面位置比較集中，形成一個(gè)較大的脫空區(qū)分布區(qū)域，該脫空區(qū)分布區(qū)域覆蓋了現(xiàn)場存在明顯的塌陷區(qū)域；L4與L5測線探測出的脫空區(qū)平面位置也比較接近，也形成一個(gè)較大的脫空區(qū)分布區(qū)域，該脫空區(qū)分布區(qū)域也覆蓋了現(xiàn)場存在明顯的塌陷區(qū)域；平面圖上共顯示出3處明顯的脫空區(qū)平面分布范圍，具體脫空區(qū)平面分布圖如圖7所示。后期邊坡治理依據(jù)探測結(jié)果顯示的脫空區(qū)分布情況，并且結(jié)合場地地質(zhì)條件，進(jìn)行脫空區(qū)治理，并且合理布設(shè)排水通道，有效地解決了脫空區(qū)存在的隱患。

3.結(jié)論與展望

（1）地質(zhì)雷達(dá)探測出的脫空區(qū)主要表現(xiàn)為明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強(qiáng)、延續(xù)時(shí)間較長等特點(diǎn)；

（2）三維地質(zhì)雷達(dá)探測坡面脫空區(qū)具有可行性，能準(zhǔn)確探測出坡面的脫空區(qū)分布情況，通過探測出坡面位置脫空區(qū)的分布情況，可采用針對性的坡面維護(hù)及脫空區(qū)治理，為消除安全隱患提供了準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。

（3）此次地質(zhì)雷達(dá)探測的是淺部的脫空區(qū)，探測效果準(zhǔn)確明顯，深部脫空區(qū)的地質(zhì)雷達(dá)探測效果及探測的分辨率還有待進(jìn)一步的研究。

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