地质雷达在某长江大桥承台围堰下放区卵石探测中的应用

任卫波

(广东地下管网工程勘测公司，广东 广州 510000)

项目位于四川省泸州市合江县榕山镇临港工业园区，横跨长江，桥梁南岸连接临港工业园区大道，北岸通过规划城区道路与宜泸渝高速公路白米互通立交连接。工区内桥梁承台四周围堰下放区有不均匀卵石层分布，利用地质雷达探测围堰下放区内卵石层，可探明测区内卵石层的分布特征,为桥梁承台的后期养护工作提供参考。

地质雷达在探测过程中，其准确性易受场地地质条件、现场条件和探测目标体大小及埋深的影响[1-2]。

1 工程地质概况及地球物理背景

1.1 地层岩性

工区出露和揭露的地层为中生界侏罗系中统沙溪庙组和上更新统II阶冲积层，新生界第四系全新统人工填土层(Q4me)、冲积层(Q4al)及坡残积层(Q4dl+el)。

(1)冲积层(Q4al)。冲积层主要分布有粉土和卵石。

粉土：褐灰色，以粉粒为主，少量黏粒，稍密，潮湿～饱和，透水性好。

卵石：褐灰色，石质成分主要为砂岩，亚圆～圆状，中度风化，稍密，潮湿～饱和，透水性好。钻孔揭示最大厚度为5.40 m，分布于河床中及漫滩上。

(2)侏罗系中统沙溪庙组(J2s)。侏罗系中统沙溪庙组地层出露于长江两岸斜坡陡坎处以及下卧于松散层，分布于整个场地，厚度大于500 m。岩性主要为细砂岩与粉砂质泥岩夹粉砂岩互层。

细砂岩：紫灰～灰色，矿物成分以石英、长石为主，含少量云母，细粒结构，钙质胶结，中厚层状构造，结构不均匀，局部粉泥质富集，局部夹泥质团块及泥质条带，沿层理云母富集。

粉砂质泥岩：紫红色，矿物成分以黏土矿物为主，长石及石英少量，粉泥质结构，泥钙质胶结，薄层状构造，岩石具饱水软化、脱水开裂特征。

1.2 场地条件

工区在江道内，部分测线域附近有已搭建好的金属钢架及正在施工的大型机械设备会对地质雷达信号产生一定的电磁干扰，影响数据采集质量，降低信噪比。

1.3 地球物理背景

根据收集的相关资料和现场实验结果，得到本次地质雷达探测主要介质的介电常数，见表1。

表1 主要介质的介电常数

从表1可知，不同介质的介电常数差异较明显，可利用地质雷达法探测不同介质的分界面。

2 地质雷达探测技术

2.1 基本原理

地质雷达法是以探测地质体的介电常数差异为理论基础，如图1，通过发射天线向地质体发射高频电磁波,电磁波在地质体内部传播，当其遇见介电常数差异界面时发生反射，通过接收天线接收反射电磁波，并传输到数据采集器，经专业软件处理获得目标地质体的埋深、层厚等数据[3-5]。根据现场踏勘情况，开展地质雷达试验工作，进行参数设定。本次试验选用的仪器型号为GSSI公司的SIR-40型地质雷达，选用100 MHz屏蔽天线。

图1 地质雷达基本原理图

2.2 测线布置

本次地质雷达探测工作利用导航船进行水上数据采集，3#桥墩承台共布置地质雷达测线13条，每条测线均由导航船定位。

3 典型图像分析

地质雷达电磁波信号在水体中传播，其介质较均一，雷达电磁波信号较为稳定，频谱范围窄，振幅均匀，同相轴连续性好；在松散的水下卵石层中传播，其介质不均一，雷达波形发生衍射、反射，反射能量强，振幅变化较大，同相轴连续性较好。

3.1 承台前方区域

3#桥墩承台前方区域布置地质雷达测线5条，均以长江下游为测线起点，测线距5 m，平行河道布设。地质雷达实测图像见图2。

图2 承台前方区域地质雷达实测图像

从图2可知，江水、卵石层、下附淤泥层或沙层分界明显，该测线水深变化范围较大，水深最浅处雷达图像视窗显示为100 ns，最深处雷达图像视窗显示为160 ns，水深总体变化规律是沿测线方向逐渐变浅。该线范围均发现卵石层强反射异常，测线水平距离0～72 m卵石层雷达图像视窗显示变化较小，时差较均一；测线水平距离72～150 m外界干扰较大，卵石层雷达图像视窗显示变化较大，信噪比低，时差变化大；测线水平距离105～137 m卵石层雷达图像视窗显示变化较大，时差较均一。卵石层埋深随水深变化而变化，整体厚度较为均一。

3.2 承台下游区域

3#桥墩承台下游区域布置地质雷达测线5条，测线距5 m，垂直河道布设。地质雷达实测图像见图3。

图3 承台下游区域地质雷达实测图像

从图3可知，江水、卵石层、下附淤泥层或沙层分界明显，该测线水深变化范围较大，水深最浅处雷达图像视窗显示为90 ns，最深处雷达图像视窗显示为210 ns，水深总体呈现沿测线方向深浅交替变化。该线范围均发现卵石层强反射异常，测线水平距离0～85 m卵石层雷达图像视窗显示变化较大，时差较均一；测线水平距离85～110 m卵石层雷达图像视窗显示变化较大，时差变大。该侧线卵石层埋深随水深变化而变化，测线水平距离0～85 m厚度较为均一，测线水平距离85～110 m卵石层增厚。

3.3 承台上游区域

3#桥墩承台上游区域存在金属干扰，布置3条地质雷达测线，测线距5 m，垂直河道布设。地质雷达实测图像见图4。

图4 承台上游区域地质雷达实测图像

从图4可知，测线水平距离0～64 m外界干扰较大，信噪比低，江水、卵石层、下附淤泥层或沙层分界不明显，且水平距离0～22 m存在强干扰；测线水平距离64～88 m江水、卵石层、下附淤泥层或沙层分界明显，水深较均一，卵石层雷达图像视窗显示变化较小，时差较均一，厚度较为均一。

4 结语

地质雷达电磁波信号在江水中传播，介质较均一，雷达电磁波信号较为稳定，分布较均一，同相轴连续性好；卵石层中雷达电磁波反射信号能量强，部分波形较凌乱，同相轴连续性较好，偶尔会出现合并、分岔、中断等现象。地质雷达可高效探测水下卵石层位置及厚度，为桥墩及承台养护、减灾、防灾等提供地球物理依据，但实际工作中，不均匀介质和周边干扰源会影响地质雷达的图像判别，应结合现场实际情况，开展一定验证工作，提高探测精度。