電子職稱論文探地雷達在伏巖溶中的應用

　　摘要:巖溶的空間分布和物性特征為探地雷達進行巖溶地球物理探測提供了基本前提條件。在已有的探測實例中應用探地雷達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工作原理、工程物探儀器設備及工作方法。從而為巖溶區(qū)的巖土工程勘察和評價提供了有效手段及依據(jù)。

　　關鍵詞: 探地雷達,巖溶,灰?guī)r

　　一、引言

　　巖溶(又稱喀斯特)是可溶性巖層在水的化學和物理溶(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。巖溶勘察宜采用工程地質(zhì)測繪和調(diào)查、物探、鉆探等多種手段結合的方法, 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。就單個洞體本身來說, 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價中最關心的要素。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，所以物探技術可以在巖溶的勘察中發(fā)揮作用。

　　二、探地雷達工作原理

　　探地雷達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。它是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測目標體的，通過發(fā)射天線向地下或目標體發(fā)射高頻寬頻帶短脈沖電磁波，當電磁波向地下介質(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)學表達式為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的相對介電常數(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，反射波信號越明顯。經(jīng)過地下地層界面或目標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,其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過的介質(zhì)電磁性質(zhì)及目標體的幾何形態(tài)變化而變化，因此，根據(jù)接收到波的旅行時間、波幅與波形等信息，即可探測地下介質(zhì)或目標體的結構、構造及目標體的埋藏深度等。

　　三、工程物探儀器設備及工作方法

　　1、 儀器設備

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

　　2、工作方法

　　探地雷達具有不同的野外工作方法，根據(jù)實際工區(qū)地質(zhì)、地形條件的不同， 測量方式可以選擇剖面法、多次覆蓋法及寬角法等。實際工作中，測量參數(shù)如分離距、時窗及天線中心頻率等也可以根據(jù)不同要求進行選擇。選擇不同的參數(shù)可以得到不同分辨率及不同探測精度的雷達圖形。一般情況下，在正式進入工區(qū)以前，應有目的地進行前期參數(shù)選擇試驗，以達到最佳探測效果。在進入工區(qū)探測后，應根據(jù)實際需要布置測線與測點，并且測線與測點盡可能地通過所測目的物。在不明顯的目的物上方進行測量時，線距與點距應盡可能地加密，以利于后面的資料解釋與處理。一般情況下,除個別墩臺特殊考慮，每個墩位各布置3或5條物探測線，其中C測線通過左右樁中心點。5條測線中，A、B測線與D、E測線以C測線呈對稱布置，線距0.5m，測點間距0.25m,使用天線沿每條測線進行逐點探測(見圖2)。

　　根據(jù)現(xiàn)場試驗資料結合鉆孔數(shù)據(jù)對比試驗校對采集參數(shù)(采樣范圍、采樣點數(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天線和點測方法,采樣率選574MHz，時窗范圍為0~ 1000 ns.

　　四、 資料處理與異常推斷解釋

　　1、資料處理

　　運用歐洲經(jīng)典物探軟件Reflexw對采集的數(shù)據(jù)進行分析。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示, 最后輸出雷達實時波形剖面。

　　2、異常推斷解釋

　　在完整灰?guī)r上雷達實時波形剖面反射波同相軸振幅較小，在溶洞上雷達實時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)會發(fā)生變化。當溶洞規(guī)模相對其埋深較小，呈三度體形態(tài)，或巖溶為二度體形態(tài)。當雷達測線近于垂直其長軸方向時，雷達波形剖面反射波呈雙曲線形態(tài)的繞射波特征。當巖溶規(guī)模較大時，雷達波形呈層狀或不規(guī)則強反射特征。當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，雷達波被強烈吸收，振幅急劇衰減，出現(xiàn)速度陷阱。

　　五、應用實例

　　1、地層巖性

　　本次勘察查明，在鉆探所達深度范圍內(nèi)，場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, 構造為角礫巖、硅質(zhì)頁巖和灰?guī)r及少量粉砂巖，局部呈互層狀。受構造影響，下伏基巖地層分布較零亂，詳細見各橋墩樁位勘探資料。

　　2、地質(zhì)構造

　　從大地構造位置來看，橋位區(qū)地處揚子準地臺、下?lián)P子臺坳、沿江拱斷褶帶的安慶凹斷褶束。區(qū)內(nèi)褶皺構造主要為銅陵到貴池一帶的“S”型復式褶皺, 斷裂構造中除發(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，長江的河道就是循這幾組斷裂而伸展。該區(qū)域第四紀以來新構造運動主要以振蕩式差異升降運動為主。早更新世地殼相對穩(wěn)定，并略有升降, 末期發(fā)生不等量的上升運動;中更新世地殼表現(xiàn)為緩慢上升運動，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，地殼總體相對穩(wěn)定。

　　3、地球物理特征

　　從物理性質(zhì)來看，灰?guī)r常表現(xiàn)為高阻(低導)和弱吸收，粘土表現(xiàn)為低阻(高導)和強吸收，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)，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。影響雷達電磁波傳播的主要物性參數(shù)是介質(zhì)的相對介電常數(shù)和電導率，這主要決定于巖土層的含水率。本區(qū)具備用地質(zhì)雷達探測溶洞的地球物理前提條件。

　　剖面的雷結合地質(zhì)雷達圖像特征，得出的綜合勘察結果表明，場地和地基穩(wěn)定，適宜進行本工程的建設。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: 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、漏漿嚴重,已探明的溶洞最大發(fā)育深度達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25.15m，溶洞為充填狀，充填物為軟塑狀或硬塑狀粘性土。

　　六、結論

　　1、 理論與實踐證實，探地雷達因其使用寬頻帶、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)濟等優(yōu)點，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)的目標體的探測。

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

　　3、對于巖溶探測來說，灰?guī)r內(nèi)部巖性不均勻或脈沖充填體，以及節(jié)理、裂隙、破碎帶等結構面產(chǎn)生的反射波實際上構成了干擾異常波組。但必須注意的是這些結構面處往往又是巖溶發(fā)育帶。這正決定了應用探地雷達進行巖溶探測的復雜性和困難性。