探地雷达在地下岩溶探测中的应用

2020-04-13郭佳豪李俊杰赵国军夏志强

水利规划与设计 2020年4期

郭佳豪，李俊杰，赵国军，夏志强

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002)

杭州市第二水源千岛湖配水工程从淳安县金竹牌村附近取水，通过输水隧洞及埋管将优质湖水引至杭州闲林水库，同时在输水线路途中向建德、桐庐及富阳等县市供水。千岛湖～闲林水库输水线路总长约113.23km，设计流量38.8m3/s，为浙江省重点大(1)型水利工程。进场公路是连接各施工隧洞的纽带，是重型机械进出工区的必经之地，金竹牌-进水口支洞段位于配水工程上游，沿线基岩以灰岩为主，道路浅表若存在隐伏空洞易导致地面塌陷，威胁人民生命和财产安全，该道路施工过程于某处揭露土洞，故了解附近道路底部是否存在大型空洞，对道路后续施工与使用有重要意义。

道路隐伏岩溶探测多采用钻探法[1- 4]、地震反射成像技术[5- 8]及探地雷达法[9- 15]，其中钻探法作为最直接的勘察方法，其成果直观确准，但面积性探测钻探效率低，成本高，且施工影响大；地震反射技术探测深度较大，但其数据采集过程要求填土与检波器间的耦合程度较好，对于局部碎石分布区域可能无法采集到高质量的地震反射数据；探地雷达精度与效率最高，缺陷在于土体对电磁波吸收作用较明显，对雷达探测深度有一定影响。考虑到道路探测区段覆盖层厚度较小，综合各种探测方法的优缺点，决定采用探地雷达法进行隐伏岩溶勘察，本文介绍了探地雷达原理，通过对雷达剖面电磁异常特征的分析与归类，圈定了地下溶蚀发育区的平面分布范围，研究成果可为类似工程提供参考。

1 测区地质概况

金竹牌-进水口支洞进场道路起自进水口支洞口，终于S303省道，全长近8km。按准四级公路等级建设，沥青砼路面，设计速度15km/h，路基宽6.5m，路面宽6.0m，双向两车道。路堑采用仰斜式挡墙，路堤采用衡重式挡墙，边坡防护采用三维植被网。该道路于桩号K3+030附近揭露一土洞，土洞呈椭球形半支，开口半径约3～4m，向下延伸3m左右，如图1所示，土洞虽已开挖回填，但其附近仍可能存在较大尺度的浅部溶蚀通道，为避免道路塌陷，故在揭露土洞的进场道路附近开展雷达探测工作。

2 探地雷达原理及测线布置

2.1 探地雷达原理

雷达电磁波探测原理如图2所示，探测时通过小尺度同步移动发射天线T与接收天线R，继而接收在介质中反射回来的电磁信号，雷达探测数据经过初至波切除、能量增益及带通滤波等方法处理后便可得到如图3所示的雷达反射波形图，当地下介质中存在空腔时，雷达波同相轴会呈现双曲线状，且介质分界面位置附近反射波振幅较强。通常均一的介质雷达反射信号较均匀，若地下存在小型空隙、不密实或溶蚀带，受其影响，反射波波形会变杂乱、振幅变强且多次反射现象明显。工程选用美国GSSI公司生产的SIR- 4000雷达进行探测，该设备只含天线与主机两个接口，采用100MHz屏蔽天线，记录长度约650ns，为提升数据信噪比，同时兼顾效率，数据采集时设置叠加次数为64次，点测模式，道间距0.1m。

图1 进场道路桩号K3+030附近揭露土洞

图2 探地雷达探测原理

图3 反射波形示意

2.2 测线布置

在桩号K3+019～K3+040区段附近布置测线四条，如图4所示，测线方向、长度及对应桩号见表1，雷达探测方向均由小桩号至大桩号。

图4 地质雷达测线布置图

表1 探地雷达测线编号、长度及对应桩号

3 雷达剖面成果分析

测区4条雷达测线探测成果如图5所示，由图5a可见，测线1- 1′雷达反射波异常主要集中于桩号K3+023～K3+028.2深度大于2m区域，其中深度2～6m区段雷达反射波振幅强，波形杂乱，同相轴错断，频率以中频为主，推测填土局部不密实或原状土层较松散；K3+025～K3+028深度大于7m区域反射波能量强，多次反射现象明显，同相轴局部呈双曲线状，推测岩体中发育垂向溶蚀通道。

由图5b可见，测线2- 2′在桩号K3+029～K3+035深度小于3m区段反射波同相轴局部错断或呈小型双曲线状，推测路基填筑土堆填局部不密实；桩号K3+024～K3+026深度约5～9m区段反射信号强，频率偏低，推测岩体发育垂向小型溶蚀带；深度大于17m区段反射波能量逐渐增强，多次反射现象明显，同相轴局部类似双曲线状，推测岩体中发育垂向溶蚀通道。

由图5c—d可见，测线3- 3′于桩号K3+028～K3+034及测线4- 4′于桩号K3+025～K3+028在深度小于4m区段反射波同相轴局部错断或呈轻微弯曲状，推测路基填筑土堆填局部不密实(图5c- d黑框标注)；测线3- 3′在桩号K3+025.5～K3+027、深度7～15m区域反射波能量较强，多次反射现象较明显，同相轴类似双曲线状，推测岩体中发育溶蚀带。

此外，四条雷达剖面均未见明显上下型振幅对比度强的双曲线状反射信号，推测探测区段浅部发育大型空洞的概率较小，雷达剖面在地下深度5m附近雷达反射能量普遍较弱，推测为基岩的顶界面。

雷达剖面分析成果表明桩号K3+024～K3+028附近深度大于5m区域可能发育垂向溶蚀通道，溶蚀带向下发育至30m，垂直道路方向自测线3- 3′起向测线1- 1′一侧溶蚀区域逐渐增大，向半重力式路肩挡墙一侧逐渐闭合，探测范围内溶蚀区最大影响宽度约3m(如图6所示)。深度小于5m区段填筑土局部不密实，但浅部未见大型空腔发育，探测区域基岩面埋深约5m，填筑土厚约4.0m，即覆盖层厚度约1m。