地質雷達在建筑物地基巖溶探測中的應用

2010-04-25 09:20:28趙明杰張桂玉

山東水利 2010年3期

趙明杰，張桂玉

（1.山東省水利勘測設計院，山東濟南 250013；2.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東濟南 250013）

1 引言

地質雷達是一種用于解決淺層工程地質問題的高新物探技術。由于其采用了高頻、寬頻帶、短脈沖和高速采樣技術,因而其探測的分辨率被公認為高于其它地球物理勘測手段。地質雷達可用于基巖探測、溶洞和裂隙探測、第四系地層劃分、滑坡預測、堤壩隱患探測、隧道開挖撐子面前的地質災害預測、高速公路和機場跑道的地基及質量檢測、水底沉積和埋藏物探測、地下埋藏物(金屬和非金屬管線、墓穴、容器、樁基)探測、污染區劃界、管道漏水及漏氣探測等。

2 地質雷達的探測方法及原理

地質雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)方法是一種用于探測地下介質分布的廣譜(1MHz～1GHz)電磁技術。地質雷達用1個天線發射高頻電磁波,另1個天線接收來自地下介質界面的反射波。通過對接收到的反射波進行分析就可推斷地下地質情況。根據波動理論,電磁波的波動方程為:P=|P|e-j(ωt-ar)·e-βr(1)式中第二個指數-βr是一個與時間無關的項,它表示電磁波在空間各點的場值隨著離場源的距離增大而減小,β稱為吸收系數。式中第一個指數冪中αr表示電磁波傳播時的相位項,α稱為相位系數,與電磁波的傳播速度V的關系為:V=ω/α。

當電磁波的頻率極高時,上式可簡略為:V=c/ε式中,c為電磁波在真空中的傳播速度;ε為介質的相對介電常數。

地質雷達所使用的是高頻電磁波,因此地質雷達在地下介質中的傳播速度主要由介質中的相對介電常數確定。電磁波向地下介質傳播過程中,遇到不同的波阻抗界面時將產生反射波和透射波。反射與透射遵循反射與透射定律。反射波能量大小取決于反射系數R,反射系數的數學表達式為:

式中,ε1和 ε2分別表示反射界面兩側的相對介電常數。由上式可知:探測過程中的反射系數的大小主要取決于反射界面兩側介質的相對介電常數的差異。差異越大反射系數越大,探測出的異常越明顯。溶洞中的填充物和完好基巖的相對介電常數均有較大差異,為采用地質雷達對溶洞進行探測提供了良好的地球物理基礎。

3 探測方法

3.1 探測儀器

本次使用的探地雷達為加拿大Pulse-EKKO100A型數字化探地雷達儀器，使用的中心頻率為200MHz、50MHz。

3.2 探測參數選擇

在現場探測工作開始之前，需進行現場探測試驗工作，在已知鉆孔位置進行多參數測試，確定覆蓋層及基巖、巖溶發育區的波形與強度特征，確定探測參數，以便獲得滿意的地質雷達圖像。

4 工程實例

4.1 商住樓基礎巖溶探測

濟南市某綜合商住樓工程的基礎為大理巖和全風化閃長巖，因閃長巖的侵入，在地質勘察和基坑開挖過程中發現在基坑基底下巖溶較發育，為查清溶洞的具體分布情況，采用地質雷達進行探測。根據開發商及場地的實際情況，探測參數為：采樣時窗300ns，疊加次數256，天線距為2.0m，天線主頻50MHz。為確保地質雷達的探測質量，現場采用了同測線重復探測，每10條測線進行一條測線的重復探測，進行數據采集檢查以及有代表性的工點采用現場開挖或鉆探的方式進行驗證。

圖1～4為具有代表性的地質雷達波形圖，圖中都存在明顯的雷達波形弧形異常，分析認為該4處位置溶洞發育，經現場開挖和鉆孔驗證，圖1～3中的雷達波形弧形異常處均為溶洞發育，圖4中的雷達波形弧形異常是因為在全風化閃長巖中存在大理巖孤石所引起的。

圖1

圖2

圖3

圖4

4.2 挖孔灌注樁基底巖溶雷達探測

濟南某大學工程訓練中心基礎采用挖孔灌注樁，樁基礎坐落在巖溶較發育的石灰巖上，為查明挖孔灌注樁基底巖溶發育情況，采用地質雷達進行探測。根據場地的實際情況，每個挖孔灌注樁基底布置一條測線，探測參數為：采樣時窗300ns，疊加次數 256，天線距為2.0m，天線主頻200MHz。為確保地質雷達的探測質量，現場采用了同測線重復探測，每10條測線進行一條測線的重復探測，進行數據采集檢查以及有代表性的工點采用現場開挖進行驗證。

圖5、圖6為具有代表性的地質雷達波形圖，圖5深度約在2.0～2.8m存在明顯雷達波形錯斷不連續，分析認為該位置裂隙發育，經現場開挖驗證，巖石裂隙發育，裂隙充填粘土。圖6存在明顯的雷達波形弧形異常，分析認為該位置溶洞發育，現場開挖驗證了筆者的判斷。