地质雷达方法在城市岩溶塌陷隐患识别中的应用

梁明 张观长

摘要：我国南方地区频繁发生岩溶塌陷，严重威胁人民的生命和财产安全，查明岩溶塌陷区地下隐伏土洞或溶洞的空间分布形态十分重要。在城市岩溶塌陷区，通过二维地质雷达探测，较准确推断出隐伏岩溶的分布，但在外在干扰影响较大的情况下，探测精度明显降低。三维地质雷达探测技术，提高了对外在干扰的分辨能力，较准确地推断出隐伏土洞的空间分布形态，为岩溶塌陷的监测和防治提供较可靠的依据。

关键词：三维地质雷达；介电常数；岩溶塌陷；隐伏土洞或溶洞

The application of GPR method in the hidden danger identification of urban karst collapse

Liang Ming1，Zhang Guanchang

Guangxi Zhuang Autonomous Region geological environment monitoring station，Guilin 541004，China

Abstract： Karst collapses occur frequently in the south of China，which threaten people’s life and property. It is very important to find out the spatial distribution of underground hidden soil caves or karst caves. In the urban karst collapse area，the distribution of hidden karst can be accurately inferred by two-dimensional geological radar detection，but the detection accuracy is obviously reduced in the case of large external interference. The 3-D GPR detection technology improves the ability to distinguish the external interference and accurately infers the spatial distribution of the hidden soil caves，which provides a more reliable basis for the monitoring and prevention of karst collapse.

Key words： 3D GPR；permittivity；karst collapse；hidden earth cave or karst cave；

1.引言

岩溶塌陷是指在覆盖型岩溶区，在特定的水文地质条件和其他因素影响下，岩面上的土体遭到流失迁移而形成土洞和洞内塌落堆积物，以致顶板土体失稳产生塌落或沉陷变形的现象。在我国岩溶塌陷已成为南方岩溶地区的主要地质环境问题之一[1-3]。因此，为了减小或避免岩溶塌陷所带来的破坏，需要对其进行探测研究，从而掌握岩溶塌陷的分布规律以及发展趋势，为地质灾害防治提供一定的科学依据。

近年来，对于岩溶塌陷探测的研究很多，探测方法也一直在发展，从直观但工作量繁琐的钻探方法到方便快捷的地球物理探测方法。在场地条件允许的前提下，高密度电法、地震反射法等都对岩溶有着较好的探测效果。但场地条件有限，无法布设工作排列时，选取灵活方便的地球物理勘探方法[4-5]。地质雷达具有分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观等优点，目前已广泛应用于岩溶勘查领域。本文以城市岩溶塌陷勘查为例，论述二维和三维地质雷达在岩溶塌陷隐患识别中的应用。

2.地质雷达方法概述

三维探地雷达的工作原理[6]与单道雷达一样，只是它需要很多对天线，进行高密度数据采集，获得地下空间的高精度图像。

3.应用实例

以广西频发的岩溶塌陷探测为例，研究二维和三维地质雷达方法在岩溶塌陷隐患识别中的应用。塌陷区上覆为黏土，下伏为灰岩。由于溶洞与灰岩、土洞与周围土体之间存在介电常数差异（表1），因此利用地质雷达方法探测隐伏土洞或溶洞的空间分布形态具备物理前提条件。

3.1二维地质雷达方法在岩溶塌陷隐患识别中的应用

塌陷区位于广西桂林市临桂区人民路附近，使用地质雷达方法探测，布设2条测线，其中测线1-1′沿道路中心布设，地下管道、周围用电等干扰源较少；测线2-2′地下管道密集，附近存在变压器、高压电线等干扰源（图1）。使用瑞典MALA公司生产的地质雷达ProEx主机，选择中心频率为100MHz屏蔽天线进行探测。测量数据使用Reflexw软件处理，包括以下步骤：①一维滤波，去直流漂移；②静校正，移动开始时间；③增益，能量衰减；④二维滤波，抽取平均道；⑤一维滤波，巴特沃斯带通滤波；⑥二维滤波，滑动平均。

探测结果表明，在测线1-1′上，地质雷达时域波形剖面影像出现4处明显双曲线异常（图2），推测为溶洞发育，后经钻探验证与地质雷达推断溶洞位置基本吻合；测线2-2′由于受地下管線和周围用电干扰影响，使得地质雷达探测难以识别地下隐伏溶洞产生的有效信号（图3）。

实践证明，二维地质雷达在外在干扰较少的情况下，往往取得较好的效果。但在城市岩溶塌陷区，探测地段经常存在各种地下管线，或附近存在高压电线，此时外在干扰信号异常强烈，且干扰信号与有效信号处于同一频率范围内，现有数据处理技术难以消除外在干扰的影响，使得地质雷达探测难以识别地下隐伏土洞或溶洞的有效反射信号，探测成果精度大大降低。因此，在城市岩溶塌陷区，选择一种能有效识别干扰信号，具有更高精度的探测方法尤为重要。

3.2三维地质雷达方法在岩溶塌陷隐患识别中的应用

岩溶塌陷区位于广西贵港市港北区北环新村，使用瑞典MALA公司生产的MIRA三维雷达系统，采用天线中心频率为200MHz进行探测。利用三维探地雷达系统处理解释软件对数据进行预处理、三维偏移处理、地形校正、属性处理等操作，获得三维雷达图谱。

图4为测线通过地下管线密集区的三维雷达图谱，可见地下管线在三维雷达图谱中显示为形状规则的异常信号，能较好地识别。在测线的87m～95m段、深度1.09m～ 3.36m区域内存在反射波绕射现象，推测为管道渗水使周围土体饱水呈松散形态。

图5为三维地质雷达不同深度剖面图，显示在里程桩号42m～52m段，深度0.52m～2.22m区域内反射信号能量强，存在绕射现象，推测为空洞异常区，后经钎探证实了地质雷达的推断。在里程桩号87m～92m段，反射信号能量强，异常信号形态规则，且地表处存在井盖，较轻易判断出为地下方形排水设施。

实践证明，三维雷达在城市岩溶塌陷区探测中，地下管线在三维雷达图谱中显示为形状规则的异常信号，能较好地识别；在各种外在干扰影响下，三维雷达仍然能有效识别隐伏土洞的异常信号，应用前景广阔。

3.结论

地质雷达在城市岩溶塌陷探测中，由于被探测对象存在介电常数差异，使地质雷达成功探测具备物理前提条件。地质雷达应用于广西桂林市临桂区人民路附近岩溶塌陷探测实例证明，在外由于干扰影响较小，二维地质雷达往往能取得较好的探测效果。但在城市岩溶塌陷区，经常存在各种外在干扰，使得二维地质雷达探测精度降低。三维地质雷达在广西贵港市港北区北环新村岩溶塌陷区探测结果表明，三维雷达图谱能有效识别各种外在干扰异常信号，准确推断出隐伏土洞的空间分布形态，对异常的分辨能力和探测精度明显提高，应用前景广阔。

参考文献：

[1]袁道先.新形势下我国岩溶研究面临的机遇和挑战[J].中国岩溶， 2009， 28（4）：329-331.

[2]雷明堂.揭开岩溶塌陷地质灾害的面纱[J].国土资源科普与文化， 2015（4）：16-19.

[3]潘宗源，贾龙，刘宝臣.基于AHP和ArcGIS技术的岩溶塌陷风险评价—以遵义永乐镇为例[J].桂林理工大学学报， 2016， 36（3）：464-470.

[4]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南大学出版社， 2007.

[5]安徽省煤田地质物探队，中国矿业大学物探室.煤田电法勘探[M].北京：煤炭工业出版社， 1976：82-124.

[6]倪新辉.三维探地雷达在探测城市地下病害中的应用研究[J].中国煤炭地質， 2018， 30（7）：1674～1803.