電子職稱(chēng)論文探地雷達(dá)在伏巖溶中的應(yīng)用

　　摘要:巖溶的空間分布和物性特征為探地雷達(dá)進(jìn)行巖溶地球物理探測(cè)提供了基本前提條件。在已有的探測(cè)實(shí)例中應(yīng)用探地雷達(dá)方法基本查明了巖溶的分布范圍和充填性質(zhì)，本文介紹了探地雷達(dá)工作原理、工程物探儀器設(shè)備及工作方法。從而為巖溶區(qū)的巖土工程勘察和評(píng)價(jià)提供了有效手段及依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞: 探地雷達(dá),巖溶,灰?guī)r

　　一、引言

　　巖溶(又稱(chēng)喀斯特)是可溶性巖層在水的化學(xué)和物理溶(浸)蝕作用下，產(chǎn)生溝槽、裂隙和空洞，以及由于空洞頂板塌落使地表產(chǎn)生陷穴、洼地等現(xiàn)象和作用的總稱(chēng)。巖溶勘察宜采用工程地質(zhì)測(cè)繪和調(diào)查、物探、鉆探等多種手段結(jié)合的方法, 查明工程范圍及有影響地段的各種巖溶洞隙和土洞的位置、規(guī)模、埋深, 以及巖溶堆填物性狀和地下水特征。就單個(gè)洞體本身來(lái)說(shuō), 洞體的形態(tài)、大小、堆填物性質(zhì)以及頂板厚度常常是巖土工程評(píng)價(jià)中最關(guān)心的要素。由于巖溶發(fā)育區(qū)的洞(縫、隙)與其圍巖(灰?guī)r等)及圍巖與其上覆地層之間往往具有明顯的物理性質(zhì), 且洞(縫、隙)的發(fā)育往往具有一定的規(guī)律性，所以物探技術(shù)可以在巖溶的勘察中發(fā)揮作用。

　　二、探地雷達(dá)工作原理

　　探地雷達(dá)方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的光譜(1MHz~1GHz)電磁技術(shù)。它是利用高頻電磁脈沖波的反射來(lái)探測(cè)目標(biāo)體的，通過(guò)發(fā)射天線向地下或目標(biāo)體發(fā)射高頻寬頻帶短脈沖電磁波，當(dāng)電磁波向地下介質(zhì)傳播過(guò)程中遇到不同的波阻抗界面時(shí)，將產(chǎn)生反射波和透射波。反射和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(dá)式為R=[(ε1)1/2-(ε2)1/2/(ε1)1/2+(ε2)1/2](1)式中:ε1和ε2分別表示反射界面兩側(cè)的相對(duì)介電常數(shù)。

　　由式(1)可知: 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(duì)介電常數(shù)的差異。差異越大反射系數(shù)越大，反射波信號(hào)越明顯。經(jīng)過(guò)地下地層界面或目標(biāo)體的表面反射后返回地面，為接收天線所接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí),其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)的介質(zhì)電磁性質(zhì)及目標(biāo)體的幾何形態(tài)變化而變化，因此，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間、波幅與波形等信息，即可探測(cè)地下介質(zhì)或目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及目標(biāo)體的埋藏深度等。

　　三、工程物探儀器設(shè)備及工作方法

　　1、 儀器設(shè)備

　　本次物探勘察屬于淺層工程地質(zhì)精細(xì)測(cè)量,對(duì)工作布置不但要求作詳細(xì)的安排, 測(cè)量?jī)x器的精度、分辨率和穩(wěn)定性等也同樣有較高的要求. 本研究使用當(dāng)今世界上技術(shù)領(lǐng)先的地質(zhì)雷達(dá)——瑞典MALA公司RAMAC系列CUII型主機(jī)，配以50MHz 超強(qiáng)地面耦合天線。該雷達(dá)的主要特點(diǎn)有：①高集成化，真數(shù)字式，高速，輕便;②天線與主機(jī)之間采用光纖連接，頻帶寬，速度快，數(shù)據(jù)質(zhì)量好，抗干擾能力強(qiáng)，因此發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及主機(jī)之間不會(huì)相互干擾;③由于采用高壓窄脈沖技術(shù)，其發(fā)射脈沖源與天線一一對(duì)應(yīng)，因此穿透能力強(qiáng)。

　　2、工作方法

　　探地雷達(dá)具有不同的野外工作方法，根據(jù)實(shí)際工區(qū)地質(zhì)、地形條件的不同， 測(cè)量方式可以選擇剖面法、多次覆蓋法及寬角法等。實(shí)際工作中，測(cè)量參數(shù)如分離距、時(shí)窗及天線中心頻率等也可以根據(jù)不同要求進(jìn)行選擇。選擇不同的參數(shù)可以得到不同分辨率及不同探測(cè)精度的雷達(dá)圖形。一般情況下，在正式進(jìn)入工區(qū)以前，應(yīng)有目的地進(jìn)行前期參數(shù)選擇試驗(yàn)，以達(dá)到最佳探測(cè)效果。在進(jìn)入工區(qū)探測(cè)后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要布置測(cè)線與測(cè)點(diǎn)，并且測(cè)線與測(cè)點(diǎn)盡可能地通過(guò)所測(cè)目的物。在不明顯的目的物上方進(jìn)行測(cè)量時(shí)，線距與點(diǎn)距應(yīng)盡可能地加密，以利于后面的資料解釋與處理。一般情況下,除個(gè)別墩臺(tái)特殊考慮，每個(gè)墩位各布置3或5條物探測(cè)線，其中C測(cè)線通過(guò)左右樁中心點(diǎn)。5條測(cè)線中，A、B測(cè)線與D、E測(cè)線以C測(cè)線呈對(duì)稱(chēng)布置，線距0.5m，測(cè)點(diǎn)間距0.25m,使用天線沿每條測(cè)線進(jìn)行逐點(diǎn)探測(cè)(見(jiàn)圖2)。

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)對(duì)比試驗(yàn)校對(duì)采集參數(shù)(采樣范圍、采樣點(diǎn)數(shù)、掃描率、迭加次數(shù)等)，并精確確定各層介質(zhì)的介電常數(shù)或電磁波速。本次勘探，采用50MHz RTA天線和點(diǎn)測(cè)方法,采樣率選574MHz，時(shí)窗范圍為0~ 1000 ns.

　　四、 資料處理與異常推斷解釋

　　1、資料處理

　　運(yùn)用歐洲經(jīng)典物探軟件Reflexw對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示, 最后輸出雷達(dá)實(shí)時(shí)波形剖面。

　　2、異常推斷解釋

　　在完整灰?guī)r上雷達(dá)實(shí)時(shí)波形剖面反射波同相軸振幅較小，在溶洞上雷達(dá)實(shí)時(shí)波形剖面反射波同相軸振幅明顯增大，且反射波同相軸的形態(tài)會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)溶洞規(guī)模相對(duì)其埋深較小，呈三度體形態(tài)，或巖溶為二度體形態(tài)。當(dāng)雷達(dá)測(cè)線近于垂直其長(zhǎng)軸方向時(shí)，雷達(dá)波形剖面反射波呈雙曲線形態(tài)的繞射波特征。當(dāng)巖溶規(guī)模較大時(shí)，雷達(dá)波形呈層狀或不規(guī)則強(qiáng)反射特征。當(dāng)遇到體積較大的溶洞(大于2m×2m×2m)，溶洞內(nèi)充填有水或充填物含水率較高時(shí)，雷達(dá)波被強(qiáng)烈吸收，振幅急劇衰減，出現(xiàn)速度陷阱。

　　五、應(yīng)用實(shí)例

　　1、地層巖性

　　本次勘察查明，在鉆探所達(dá)深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地上部松散層除局部為第4系填筑土外，均為第4系全新統(tǒng)沖積層，下伏基巖為二疊系孤峰組, 構(gòu)造為角礫巖、硅質(zhì)頁(yè)巖和灰?guī)r及少量粉砂巖，局部呈互層狀。受構(gòu)造影響，下伏基巖地層分布較零亂，詳細(xì)見(jiàn)各橋墩樁位勘探資料。

　　2、地質(zhì)構(gòu)造

　　從大地構(gòu)造位置來(lái)看，橋位區(qū)地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)、下?lián)P子臺(tái)坳、沿江拱斷褶帶的安慶凹斷褶束。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造主要為銅陵到貴池一帶的“S”型復(fù)式褶皺, 斷裂構(gòu)造中除發(fā)育與褶皺相伴生的斷層外，燕山期形成的北東向斷裂、南北向斷裂、北西向斷裂也很發(fā)育，長(zhǎng)江的河道就是循這幾組斷裂而伸展。該區(qū)域第四紀(jì)以來(lái)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要以振蕩式差異升降運(yùn)動(dòng)為主。早更新世地殼相對(duì)穩(wěn)定，并略有升降, 末期發(fā)生不等量的上升運(yùn)動(dòng);中更新世地殼表現(xiàn)為緩慢上升運(yùn)動(dòng)，末期地殼漸趨穩(wěn)定;晚更新世早中期略有沉降，而末期則普遍略有上升，總體地殼趨向穩(wěn)定;全新世早期地殼以沉降為主，中晚期略有抬升，地殼總體相對(duì)穩(wěn)定。

　　3、地球物理特征

　　從物理性質(zhì)來(lái)看，灰?guī)r常表現(xiàn)為高阻(低導(dǎo))和弱吸收，粘土表現(xiàn)為低阻(高導(dǎo))和強(qiáng)吸收，粉砂和砂礫地層則介于兩者之間。此外，水的介電常數(shù)高( 阻止電磁波傳播能力強(qiáng))，空氣的介電常數(shù)低(阻止電磁波傳播能力弱)。由鉆探揭露可知，溶洞內(nèi)充填物為粘土，部分呈流塑狀，溶洞與完整圍巖的物性差異十分顯著。影響雷達(dá)電磁波傳播的主要物性參數(shù)是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率，這主要決定于巖土層的含水率。本區(qū)具備用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)溶洞的地球物理前提條件。

　　剖面的雷結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)圖像特征，得出的綜合勘察結(jié)果表明，場(chǎng)地和地基穩(wěn)定，適宜進(jìn)行本工程的建設(shè)。施工圖圈定的4段(含水域)巖溶區(qū)巖溶、溶洞普遍發(fā)育，其中最發(fā)育區(qū)域主要有2段，分別是:里程K94+676.5~ K94+ 721.5的10#、11# 墩和K95+ 226.5~K95+298.5的27~ 30#墩，其溶洞發(fā)育具有以下特點(diǎn): 空間上溶洞規(guī)模大，深度大,呈串珠狀，平面上分布呈蜂窩狀，總體上為溶洞群，溶洞一般為未充填或半充填，少數(shù)為全充填，充填物為軟塑狀粘性土，鉆探中漏水、漏漿嚴(yán)重,已探明的溶洞最大發(fā)育深度達(dá)77.6m。例如左線29-1#樁，第四系覆蓋層厚17.5m，溶洞發(fā)育從18.0~ 77.60m，呈串珠狀,溶洞間巖層厚1.45m，單洞最大高度達(dá)43.20m, 溶洞為充填狀,充填物為軟塑粘性土。左線29- 2# 樁，第四系覆蓋層厚14. 10 m, 溶洞發(fā)育從14.20~71.85m，呈串珠狀,溶洞間巖層厚0.10~0.60m,單洞最大高度達(dá)25.15m，溶洞為充填狀，充填物為軟塑狀或硬塑狀粘性土。

　　六、結(jié)論

　　1、 理論與實(shí)踐證實(shí)，探地雷達(dá)因其使用寬頻帶、短脈沖電磁波為震源，具有比其他的地球物理方法更高的分辨率，不但具有快速、非破損、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，而且還可形象地揭示溶蝕異常的空間展布形態(tài)，在巖溶地質(zhì)勘察中能夠取得較好的應(yīng)用效果，適宜覆蓋層較薄或裸露巖層，埋藏于地表以下20~30m以上范圍內(nèi)的目標(biāo)體的探測(cè)。

　　2、在雷達(dá)剖面中，巖溶地質(zhì)異常的波阻特征與圍巖之間差異較大，從雷達(dá)剖面上不但可以識(shí)別如溶洞、溶溝或溶槽這樣的單個(gè)目標(biāo)體，而且對(duì)溶蝕現(xiàn)象也有不同的反映。

　　3、對(duì)于巖溶探測(cè)來(lái)說(shuō)，灰?guī)r內(nèi)部巖性不均勻或脈沖充填體，以及節(jié)理、裂隙、破碎帶等結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的反射波實(shí)際上構(gòu)成了干擾異常波組。但必須注意的是這些結(jié)構(gòu)面處往往又是巖溶發(fā)育帶。這正決定了應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行巖溶探測(cè)的復(fù)雜性和困難性。