胡安順

摘要：巖溶是一種發(fā)育于碳酸鹽地層中較為常見的一種自然災(zāi)害，巖溶產(chǎn)生后，造成地表塌陷、地面變形、地面開裂，對地表建筑物造成一定的破壞，會(huì)造成房屋墻壁裂縫、屋內(nèi)地面裂縫下沉，嚴(yán)重的直接導(dǎo)致建筑物倒塌。因此，在碳酸鹽地層進(jìn)行工程建設(shè)，巖溶對地基穩(wěn)定性的影響是不容忽略的因素，要處理好巖溶地基，首先要查明地基以下巖溶的分布情況，故加強(qiáng)巖溶地基探測方法的應(yīng)用研究，采用合理有效的探測方法，有著重大的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。在巖溶探測中，探地雷達(dá)具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨率較高等優(yōu)勢，被較多的應(yīng)用于巖溶區(qū)的調(diào)查。本文以某建設(shè)工程場地為例，采用探地雷達(dá)對擬建工地基礎(chǔ)進(jìn)行了巖溶調(diào)查，通過對獲得的雷達(dá)剖面資料進(jìn)行處理和解釋，取得了較好的探測效果，其技術(shù)方法可為同類巖溶的探測提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);巖溶;電磁波

1.引言

探地雷達(dá)具有分辨率高、定位準(zhǔn)確、快速經(jīng)濟(jì)、靈活方便、剖面直觀、實(shí)時(shí)圖像顯示等優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程勘察、工業(yè)與民用建筑場地巖溶探測、隧道超前探測、塔橋橋基等眾多淺層勘察領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用，并取得較好的效果。在淺層巖溶探測中，也顯示出探地雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)越性和準(zhǔn)確性。

2.地質(zhì)概況

工作區(qū)基坑開挖約2.OOm-5.OOm，基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化石灰?guī)r，測區(qū)內(nèi)地表為第四系山前沖積，附近區(qū)域構(gòu)造較為發(fā)育，受其影響，場區(qū)裂隙較為發(fā)育，圍巖較為破碎。根據(jù)鉆孔揭露，工作區(qū)地層由上到下主要為：

第四系素填土：棕黃色，松散，稍濕。以粘性土為主，局部含碎石。該層在場區(qū)多數(shù)鉆孔分布，厚度：0.20m-1.20m，平均0.55m;層底標(biāo)高：117.58m-119.89m，平均118.60m;層底埋深：0.20m-1.20m，平均0.55m。

奧陶系石灰?guī)r：場區(qū)石灰?guī)r分為兩層，上層石灰?guī)r青灰色，破碎，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分以方解石為主，溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，局部可見粘土及碎石充填物，巖芯多呈塊狀，取芯率低。該層在場區(qū)普遍分布，厚度：l.OOm-4.80m，平均2.59m;層底標(biāo)高：114.12m-118.69m，平均115.85m;層底埋深：1.50m-4.80m，平均3.28m。

下層石灰?guī)r呈青灰色，較完整，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，礦物成分以方解石為主，屬較硬巖，稍有溶蝕現(xiàn)象，巖體較完整，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類，巖芯多呈柱狀，取芯率80%。該層在場區(qū)普遍分布，厚度未穿透。

3.地球物理?xiàng)l件

探地雷達(dá)探測技術(shù)是利用介質(zhì)的介電性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)差異進(jìn)行探測，從物理性質(zhì)上分析，雷達(dá)電磁波在不同地層或物質(zhì)之間存在著不同的傳播速度和頻率，完整巖石與破碎帶、裂隙、風(fēng)化層等存在一定的物理性質(zhì)差異，具體表現(xiàn)在：電磁波經(jīng)過完整巖層時(shí)傳播速率幾乎不變，而經(jīng)過破碎帶、裂隙、風(fēng)化層時(shí)電磁波速發(fā)生改變，反映在雷達(dá)波形圖上，雷達(dá)波經(jīng)過完整巖石或土層時(shí)雷達(dá)圖像反射同相軸較為連續(xù)水平;經(jīng)過裂隙破碎帶及空洞時(shí)，巖體節(jié)理面對雷達(dá)波反射，使雷達(dá)圖像出現(xiàn)強(qiáng)反射，形成反射同向軸的“錯(cuò)段”現(xiàn)象。這些地球物理性質(zhì)的差異構(gòu)成了開展探地雷達(dá)工作的前提。測區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育位置與完整基巖存在較為明顯的電性差異，所以利用探地雷達(dá)反射波法查明不良地質(zhì)空間分布情況是可行的和有效的。

4.探地雷達(dá)勘探原理

探地雷達(dá)是將高頻電磁波以短脈沖形式由地面通過天線T送人地下，經(jīng)地下目的層或地質(zhì)異常體（溶洞、斷裂、空隙）反射后返回地面，為另一天線S所接收，電磁波信樁號(hào)為監(jiān)視器所顯示和存貯，以便室內(nèi)資料處理時(shí)調(diào)用。

通過脈沖波行程需時(shí)的精確測定，可準(zhǔn)確求出地下反射體深度。脈沖波行程需時(shí)：t=√4z22+x2/v，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時(shí)，可根據(jù)測到的精確t（ns）值（lns=10-9s），由上式求出反射體的深度z（m）。式中X（m）值在剖面探測中是固定的，V值（ m/ns）可以用寬角方式直接測量，也可以根據(jù)v一c√s近似算出（當(dāng)介質(zhì)的導(dǎo)電率很低時(shí)），式中C為光速（ C=0.3m/ns），ε為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)，可利用已知數(shù)據(jù)或測定獲得。

5.資料采集

野外數(shù)據(jù)采集使用中國電波傳播研究所生產(chǎn)使用LTD2100型數(shù)字化探測雷達(dá)儀，野外探測時(shí)，根據(jù)探測目的體的不同深度可選擇不同中心頻率的天線以及不同的測點(diǎn)間距進(jìn)行探測，表1是LTD2100型數(shù)字化探地雷達(dá)針對不同目的體尺寸與深度選用不同中心頻率的天線：根據(jù)探測深度要求、現(xiàn)場試驗(yàn)和以往在本工作區(qū)經(jīng)驗(yàn)，本次工作采用中心工作頻率為270MHz的天線進(jìn)行探測。本次工作根據(jù)擬建建筑物基礎(chǔ)實(shí)際情況，采用南北向布設(shè)測線，測線間距2m，局部地段加密至Im，測點(diǎn)間距l(xiāng)Ocm。采樣點(diǎn)數(shù)1024samp/scan，采樣頻率32scans/sec，根據(jù)灰?guī)r巖性中電磁波速度為0. lOm/ns-0. 12m/ns，取采樣時(shí)窗為lOOns-120ns。

6.資料處理解釋

當(dāng)采用地質(zhì)雷達(dá)對基巖進(jìn)行探測時(shí)，發(fā)射的電磁波在地下傳播。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)（灰?guī)r）完整時(shí)，雷達(dá)波反射能量很均勻;當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)（灰?guī)r）內(nèi)部存在溶洞、軟弱夾層、裂隙、破碎帶等地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，雷達(dá)波會(huì)在溶洞、軟弱夾層、裂隙、破碎帶等的界面上發(fā)生強(qiáng)反射，反射波形態(tài)與上述不良地質(zhì)現(xiàn)象的形態(tài)、大小、深度等因素有密切的關(guān)系。因此，從探測到的雷達(dá)反射波的曲線形態(tài)、振幅強(qiáng)度、相位等特征可以判斷灰?guī)r一定深度內(nèi)上述地質(zhì)現(xiàn)象的形態(tài)、性質(zhì)及空間分布等。根據(jù)本次勘探結(jié)果，不同性質(zhì)雷達(dá)剖面表現(xiàn)為不同的特征。

由于溶洞及裂隙的存在，會(huì)對電磁波有很強(qiáng)的吸收頻散衰減作用，使雷達(dá)波頻率降低，并且破碎圍巖及裂隙還會(huì)引起雷達(dá)波波形紊亂甚至產(chǎn)生畸變，在雷達(dá)剖面上表現(xiàn)為雷達(dá)波組的中斷或消失，溶洞上方則由于巖層相對完整而變化不明顯。對于溶蝕后被黏土填充的溶洞，由于黏土與巖石電磁波速相差較大，所以在溶洞區(qū)內(nèi)雷達(dá)波的波速常常會(huì)由于這些充填物的存在而降低，導(dǎo)致溶洞內(nèi)部的雷達(dá)波會(huì)與圍巖的雷達(dá)波存在一個(gè)較為明顯的走時(shí)差。此外，由于溶洞內(nèi)部充填物的雜亂堆積會(huì)造成雷達(dá)波的同相軸發(fā)生能量減弱、連續(xù)性降低等現(xiàn)象，也會(huì)在雷達(dá)圖像上出現(xiàn)與圍巖圖像不同的明顯標(biāo)志。圖1為15線雷達(dá)探測圖像，由圖1可以看出，在淺部雷達(dá)波形穩(wěn)定，振幅較強(qiáng)，可連續(xù)追蹤的似水平層狀反射同向軸，該特征為均質(zhì)巖性在雷達(dá)圖上的反映，在探地雷達(dá)剖面水平方向K0+5.Om-K0+7.Om，深度在1.3m-2.7m，出現(xiàn)明顯的雷達(dá)波同向軸缺失，推斷為裂隙或巖石破碎。

本次利用探地雷達(dá)勘探技術(shù)在建設(shè)場地內(nèi)共圈定地下巖溶及裂隙發(fā)育地段7處，結(jié)合場地工程勘察資料，本次工作圈定的巖溶裂隙區(qū)分布范圍及深度與鉆孔揭露基本一致。巖溶裂隙區(qū)分布深淺不一，深度多分布在建設(shè)場地基坑底部1m-3m，在雷達(dá)斷面圖上，呈現(xiàn)出不同深度的雷達(dá)波同向軸不連續(xù)或缺失。

7.結(jié)語

（1）通過探地雷達(dá)進(jìn)行巖溶勘察，提高了勘察精度，加快了勘察速度，達(dá)到了預(yù)期勘察效果;探地雷達(dá)探測中需要探測目的體與周圍巖石存在明顯的介電常數(shù)差異，且電性穩(wěn)定，電磁波反射信號(hào)明顯，探測目的體埋藏不宜過深，并與埋深相對比要有一定規(guī)模;探地雷達(dá)直接利用基巖表面探測巖溶，探測精度較高。

（2）由于巖溶裂隙發(fā)育規(guī)模、深度、充填物等復(fù)雜多樣，使得巖溶探測圖像沒有一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)處理解釋，工作前，應(yīng)結(jié)合場區(qū)已有勘探孔地質(zhì)資料進(jìn)行多參數(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)。工作中通過不同頻率參數(shù)組合來處理不同大小、不同深度的目標(biāo)體，同時(shí)結(jié)合工程鉆探等地質(zhì)資料來相互對比印證，可以更有效的提高勘探的準(zhǔn)確性。

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