地质雷达在地面沉降探测中的应用

2021-04-12鄢油纤丛沛桐侯剑山

陕西水利 2021年1期

鄢油纤，丛沛桐，侯剑山

(华南农业大学水利与土木工程学院，广东广州 510000)

0 引言

地质雷达是一种物探技术，20世纪60年代已有对冰川的无线回声探测[1]，90年代后，地质雷达在各个专业技术领域中普遍应用，如大坝安全鉴定、地层分布探查、管线检测、地灾勘查、公路无损检测、地下岩溶探测、土壤含水率检测、水土流失等[2-3]。正因为应用的广泛性，使得地质雷达具有较高价值，也进一步推动地质雷达的发展。

1 地质雷达工作原理

地质雷达应用的是电磁波脉冲法[4]，手推装载移动的过程中发射天线T向地下发射一定中心频率的电磁波，电磁波在地下介质中传播，遇到不同介质目标体时发生折射和反射，接收天线R接收地下介质反射的波信号，反射的电磁波信号由光纤传输到雷达主机，转变成时间序列信号[5-6]；测线上各个测点的波形时间序列，构成地质雷达探测剖面，见图1。地质雷达探测时普遍纳用剖面法，即收发天线垂直于测线方向沿着布置的测线以固定步距移动，从起点开始，每移动一次天线便发射和接收一次波信号，完成每条测线的探测后，在地质雷达的主机上便显示出在此测线的剖面图像，见图2。

图1 地质雷达原理示意图

图2 地质雷达双程走时图

地下介质中传播的电磁波，经过剖析和计算波在地下各个介质中双程走时与传播速度，来确定目标体的埋藏深度[7]。根据地面反射与目标体或分界面反射的时间差Δt，即可计算出其埋藏深度H，即：

式中：H为目标埋藏深度；Δt为地面反射与目标反射的时间差；v为电磁波传播速度；x为发射、接收天线间的中心间隔。

2 应用实例分析

2.1 工程概况

该建筑工程场区位于广州市永和开发区斗塘路，占地面积为57438 m2，建筑物为1～3层厂房、办公楼等，地质较复杂，在勘察深度范围内，场区内地层按成因可分为人工填土层、冲积层、坡积层、残积层、燕山期花岗岩。局部存在软塑状粉质粘土等软弱层，属二级场地。岩土种类较多，不均匀，性质差异较大，属中等复杂地基。

2.2 目的与要求

探测检查与发生地面沉降有关的松散土体、裂缝、空洞和地下填筑材料有介电常数差异的目标体等。根据电磁波信号的分布情况、图像波形、背景值等，将所探测目标体进行分类，找出发生沉降的不同原因点，为后期是否需要加固等提供工程地质依据。

2.3 探测设备

2.3.1 天线频率选择

此次的探测目标深度范围在9.9 m以内。因而探测采用的是加拿大EKKO雷达，天线频率选择100M分离式天线。

2.3.2 参数设置

(1)系统最大特征参数：186 dB，天线相同频率下，探测深度最深；(2)接收灵敏度：1.5 μV，此时地质雷达灵敏度最高；(3)采样间隔：0.8 ns；(4)采样率：100 GHz；(5)每道采样点数：10～31000；(6)脉冲重复频率：100 kHz；(7)环境尺度标准：IP66，在-50℃～50℃的温度范畴可正常使用；(8)可编程序时窗：500 ps～200000 ns；(9)发射电压：FCC、400 V、1000 V；(10)A/D：16bit；(11)整体分离式天线，测量形式可多种多样(CMP、反射法、透视)。

2.4 测线布置

本次探测路况见图3，路线位置见图4，探测长度分别为15 m左右、40 m左右、50 m左右、70 m左右、100 m左右。测线布置(来回布置)：从起点至终点，每15 m～100 m左右布置一道测线，共22道测线。对需要探测目标划分22个探测断面，编号分别为#1、#2、#3…、#22。

图3 探测区范围平面图

图4 地质雷达测线布置图

2.5 图像波形特征

当探测地下范围内无问题存在时，雷达波形图的主要特点在于反射波的同相轴连续性好，无交叉、变位错动、缺失和振幅值的差异变动。当探测地下范围内存在问题时，反射波同相轴的连续性会变化，反射波会呈现强弱变化和错断等特征，结合钻孔资料来识别地下隐患、解释地质剖面。不同土层的波场特征如下：(1)杂填土：雷达主机上呈现的反射波杂乱无序；(2)密实土：雷达主机上显示的反射波信号较弱，波形匀称，甚至界面没有反射信号；(3)地下脱空：雷达主机上呈现的反射波信号较强，普遍呈近似水平的带状分布，有多次反射波信号；(4)不密实破碎土：接收天线接收的反射波信号幅值较强，在雷达主机上波形图像呈现同相轴错断、不连续、杂乱、区域化状态分布；(5)孔洞：雷达主机上呈现的反射波信号幅值较强，典型特点在于孤立体相位，三振相明显，通常特征为规整或非规整的双曲线波形，其下部仍有强反射波信号；(6)高含水：有幅值较强的反射波信号，基本以低频为主；(7)裂缝：波信号同相轴断开，其分布形式为斜向带状或尖波状，信号波幅值较强。

2.6 探测结论

本次探测应用地质雷达实现测线22条，合计长度约为1304 m。测线部分雷达图像见图5～图9。

图5 测线4解译后雷达图像

图7 测线6解译后雷达图像

图8 测线8解译后雷达图像

图9 测线10解译后雷达图像

经综合分析和推断解释可得如下结论：

(1)雷达波形特征按浅部和深部描述浅部：测线部分位置反射波波幅变化剧烈，同相轴连续，局部区域同相轴错动，结合钻孔料分析，表明浅部回填土疏松，测试期间土壤含水量在地下不同部位有差异，应为雨后土壤水分滞留的反映。

(2)图层雷达影像表明测线#4、#5、#8、#10处(图5、图6、图8、图9)可能存在土壤不密实情况，测线#6处(见图7)存在高含水情况，其他测线未发现有隐患地带。不密实隐患因其充填介质杂乱、不均匀、介电常数差异大，地质雷达电磁波在其填筑不密实的缝隙常常产生绕射、散射、波形杂乱。高含水率缺陷普遍分布连续，反射波同相轴连续性好，波形相对较均一，因而含水率高缺陷的图像特征为多次震荡反射，振幅较大，同相轴连续。雷达探测有效范围内均无明显的错动带。

(3)地质雷达探测未发现有明显空洞、孤石等不利埋藏物，仅有排水管道以及金属管线。因本次只分析地面沉降原因，排水管道以及金属管线影响不大，因此不对排水管道和金属管线波形图像特征做进一步的分析。

(4)造成地面不均匀沉降原因主要是局部土层不密实，长期重力作用，导致地面下陷；地下水流失，地下水属孔隙潜水类型，含水层主要为透镜状砂土层，属中～强透水层，赋水性较好，地下水动态主要受季节性气象因素影响，补给主要来源于大气降雨，水量随季节变化，地下水流失严重，导致地基不均匀沉降造成地面下陷。