趙明杰，張桂玉

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

1 引言

地質(zhì)雷達是一種用于解決淺層工程地質(zhì)問題的高新物探技術(shù)。由于其采用了高頻、寬頻帶、短脈沖和高速采樣技術(shù),因而其探測的分辨率被公認(rèn)為高于其它地球物理勘測手段。地質(zhì)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(yù)測、堤壩隱患探測、隧道開挖撐子面前的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測、高速公路和機場跑道的地基及質(zhì)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(qū)劃界、管道漏水及漏氣探測等。

2 地質(zhì)雷達的探測方法及原理

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)方法是一種用于探測地下介質(zhì)分布的廣譜(1MHz～1GHz)電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達用1個天線發(fā)射高頻電磁波,另1個天線接收來自地下介質(zhì)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(zhì)情況。根據(jù)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(shù)-βr是一個與時間無關(guān)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(shù)。式中第一個指數(shù)冪中αr表示電磁波傳播時的相位項,α稱為相位系數(shù),與電磁波的傳播速度V的關(guān)系為:V=ω/α。

當(dāng)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(zhì)的相對介電常數(shù)。

地質(zhì)雷達所使用的是高頻電磁波,因此地質(zhì)雷達在地下介質(zhì)中的傳播速度主要由介質(zhì)中的相對介電常數(shù)確定。電磁波向地下介質(zhì)傳播過程中,遇到不同的波阻抗界面時將產(chǎn)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(shù)R,反射系數(shù)的數(shù)學(xué)表達式為:

式中,ε1和 ε2分別表示反射界面兩側(cè)的相對介電常數(shù)。由上式可知:探測過程中的反射系數(shù)的大小主要取決于反射界面兩側(cè)介質(zhì)的相對介電常數(shù)的差異。差異越大反射系數(shù)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(shù)均有較大差異,為采用地質(zhì)雷達對溶洞進行探測提供了良好的地球物理基礎(chǔ)。

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(shù)字化探地雷達儀器，使用的中心頻率為200MHz、50MHz。

3.2 探測參數(shù)選擇

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

4 工程實例

4.1 商住樓基礎(chǔ)巖溶探測

濟南市某綜合商住樓工程的基礎(chǔ)為大理巖和全風(fēng)化閃長巖，因閃長巖的侵入，在地質(zhì)勘察和基坑開挖過程中發(fā)現(xiàn)在基坑基底下巖溶較發(fā)育，為查清溶洞的具體分布情況，采用地質(zhì)雷達進行探測。根據(jù)開發(fā)商及場地的實際情況，探測參數(shù)為：采樣時窗300ns，疊加次數(shù)256，天線距為2.0m，天線主頻50MHz。為確保地質(zhì)雷達的探測質(zhì)量，現(xiàn)場采用了同測線重復(fù)探測，每10條測線進行一條測線的重復(fù)探測，進行數(shù)據(jù)采集檢查以及有代表性的工點采用現(xiàn)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(zhì)雷達波形圖，圖中都存在明顯的雷達波形弧形異常，分析認(rèn)為該4處位置溶洞發(fā)育，經(jīng)現(xiàn)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(fā)育，圖4中的雷達波形弧形異常是因為在全風(fēng)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(xué)工程訓(xùn)練中心基礎(chǔ)采用挖孔灌注樁，樁基礎(chǔ)坐落在巖溶較發(fā)育的石灰?guī)r上，為查明挖孔灌注樁基底巖溶發(fā)育情況，采用地質(zhì)雷達進行探測。根據(jù)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(shù)為：采樣時窗300ns，疊加次數(shù) 256，天線距為2.0m，天線主頻200MHz。為確保地質(zhì)雷達的探測質(zhì)量，現(xiàn)場采用了同測線重復(fù)探測，每10條測線進行一條測線的重復(fù)探測，進行數(shù)據(jù)采集檢查以及有代表性的工點采用現(xiàn)場開挖進行驗證。

圖5、圖6為具有代表性的地質(zhì)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(xù)，分析認(rèn)為該位置裂隙發(fā)育，經(jīng)現(xiàn)場開挖驗證，巖石裂隙發(fā)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(rèn)為該位置溶洞發(fā)育，現(xiàn)場開挖驗證了筆者的判斷。

圖5

圖6

5 結(jié) 語

采用現(xiàn)場開挖、鉆探與地質(zhì)雷達相結(jié)合的方法，相互驗證和補充，能有效的查明巖溶發(fā)育地區(qū)的巖溶發(fā)育情況，工作效率高，經(jīng)濟效益顯著。與現(xiàn)有工程物探方法相比，地質(zhì)雷達對于淺層和超淺層地下介質(zhì)的探測能力有著明顯的優(yōu)勢。

與其他工程物探方法相比，地質(zhì)雷達同樣存在局限性，多解性，有其適用條件和不足之處，因此在進行地質(zhì)雷達探測之前，應(yīng)先了解場地的工程地質(zhì)條件，結(jié)合少量的控制性鉆孔，開展地質(zhì)雷達探測的試驗工作，以了解各種目標(biāo)圖的地質(zhì)雷達波形特征，保證雷達探測成果更為準(zhǔn)確和可靠。

總之，采用地質(zhì)雷達進行地基巖溶探測，是一種快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟、高效的淺層工程物探方法，可廣泛用于水利工程和水利設(shè)施的基礎(chǔ)探測。