地质雷达在建筑物地基岩溶探测中的应用

2010-04-25赵明杰张桂玉

山东水利 2010年3期

赵明杰，张桂玉

（1.山东省水利勘测设计院，山东济南 250013；2.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南 250013）

1 引言

地质雷达是一种用于解决浅层工程地质问题的高新物探技术。由于其采用了高频、宽频带、短脉冲和高速采样技术,因而其探测的分辨率被公认为高于其它地球物理勘测手段。地质雷达可用于基岩探测、溶洞和裂隙探测、第四系地层划分、滑坡预测、堤坝隐患探测、隧道开挖撑子面前的地质灾害预测、高速公路和机场跑道的地基及质量检测、水底沉积和埋藏物探测、地下埋藏物(金属和非金属管线、墓穴、容器、桩基)探测、污染区划界、管道漏水及漏气探测等。

2 地质雷达的探测方法及原理

地质雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)方法是一种用于探测地下介质分布的广谱(1MHz～1GHz)电磁技术。地质雷达用1个天线发射高频电磁波,另1个天线接收来自地下介质界面的反射波。通过对接收到的反射波进行分析就可推断地下地质情况。根据波动理论,电磁波的波动方程为:P=|P|e-j(ωt-ar)·e-βr(1)式中第二个指数-βr是一个与时间无关的项,它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小,β称为吸收系数。式中第一个指数幂中αr表示电磁波传播时的相位项,α称为相位系数,与电磁波的传播速度V的关系为:V=ω/α。

当电磁波的频率极高时,上式可简略为:V=c/ε式中,c为电磁波在真空中的传播速度;ε为介质的相对介电常数。

地质雷达所使用的是高频电磁波,因此地质雷达在地下介质中的传播速度主要由介质中的相对介电常数确定。电磁波向地下介质传播过程中,遇到不同的波阻抗界面时将产生反射波和透射波。反射与透射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反射系数R,反射系数的数学表达式为:

式中,ε1和 ε2分别表示反射界面两侧的相对介电常数。由上式可知:探测过程中的反射系数的大小主要取决于反射界面两侧介质的相对介电常数的差异。差异越大反射系数越大,探测出的异常越明显。溶洞中的填充物和完好基岩的相对介电常数均有较大差异,为采用地质雷达对溶洞进行探测提供了良好的地球物理基础。

3 探测方法

3.1 探测仪器

本次使用的探地雷达为加拿大Pulse-EKKO100A型数字化探地雷达仪器，使用的中心频率为200MHz、50MHz。

3.2 探测参数选择

在现场探测工作开始之前，需进行现场探测试验工作，在已知钻孔位置进行多参数测试，确定覆盖层及基岩、岩溶发育区的波形与强度特征，确定探测参数，以便获得满意的地质雷达图像。

4 工程实例

4.1 商住楼基础岩溶探测

济南市某综合商住楼工程的基础为大理岩和全风化闪长岩，因闪长岩的侵入，在地质勘察和基坑开挖过程中发现在基坑基底下岩溶较发育，为查清溶洞的具体分布情况，采用地质雷达进行探测。根据开发商及场地的实际情况，探测参数为：采样时窗300ns，叠加次数256，天线距为2.0m，天线主频50MHz。为确保地质雷达的探测质量，现场采用了同测线重复探测，每10条测线进行一条测线的重复探测，进行数据采集检查以及有代表性的工点采用现场开挖或钻探的方式进行验证。

图1～4为具有代表性的地质雷达波形图，图中都存在明显的雷达波形弧形异常，分析认为该4处位置溶洞发育，经现场开挖和钻孔验证，图1～3中的雷达波形弧形异常处均为溶洞发育，图4中的雷达波形弧形异常是因为在全风化闪长岩中存在大理岩孤石所引起的。

图1

图2

图3

图4

4.2 挖孔灌注桩基底岩溶雷达探测

济南某大学工程训练中心基础采用挖孔灌注桩，桩基础坐落在岩溶较发育的石灰岩上，为查明挖孔灌注桩基底岩溶发育情况，采用地质雷达进行探测。根据场地的实际情况，每个挖孔灌注桩基底布置一条测线，探测参数为：采样时窗300ns，叠加次数 256，天线距为2.0m，天线主频200MHz。为确保地质雷达的探测质量，现场采用了同测线重复探测，每10条测线进行一条测线的重复探测，进行数据采集检查以及有代表性的工点采用现场开挖进行验证。

图5、图6为具有代表性的地质雷达波形图，图5深度约在2.0～2.8m存在明显雷达波形错断不连续，分析认为该位置裂隙发育，经现场开挖验证，岩石裂隙发育，裂隙充填粘土。图6存在明显的雷达波形弧形异常，分析认为该位置溶洞发育，现场开挖验证了笔者的判断。