三維地質雷達探測邊坡脫空區的應用研究

[摘要]結合一邊坡工程實例，分析了三維地質雷達探測邊坡漿砌片石護面墻脫空區的波形特征及探測效果，電磁波在脫空區處反射強烈，波形特征明顯，三維地質雷達探測結果能準確顯示出脫空區的分布情況，對坡面維護及脫空區治理提供有效的科學依據。

[關鍵詞]地質雷達；脫空區；波形特征

地下脫空是常見的地質現象，地下脫空的存在會形成安全隱患，因此采用快速無損的技術方法探清地下脫空的分布情況具有重要的意義。無論脫空區內填充的是空氣、水或者是松散的土，其與周圍的介質都存在明顯的物理性質差異。一般情況地下脫空區與圍巖介質電性參數存在較大的差異[1]，電磁波在脫空區界面處的反射會變得強烈，因此采用地質雷達探測地下脫空方便、無損、可行[2]。三維地質雷達更加清楚地顯示脫空區的分布情況，可為工程治理提供科學依據。

1.基本原理及數據處理方法

1.1地質雷達工作原理

地質雷達向地下發射寬頻帶短脈沖形式的高頻電磁波（106Hz至109Hz），當地下存在介電常數有較大差異的不均勻體（界面）時，該電磁波會反射部分電磁波[3，4]，介質的相對介電常數決定了反射系數的大小，通過分析和處理地質雷達主機所接收的反射信號的旅行時、振幅和頻率等波組特征，達到識別隱蔽目標物的目的[5，6]，地質雷達探測原理如圖1所示。該方法具有連續、無損、高效和高精度等優點。

1.2地質雷達數據處理

地質雷達所接收的是來自地下不同電性界面的反射波信號，其正確解釋取決于檢測參數選擇合理、數據處理得當、模擬實驗類比規范和異常判斷依據可靠等。地質雷達數據通過刪除重復道/壞道，標記樁號，添加標題、標識等預處理后，再進行濾波和區域增益調整等處理分析等，數據處理流程圖見圖2。

2.應用實例分析

2.1工程概況

某邊坡采用護坡形式采用漿砌片石護面墻，護面墻坡度約為1∶0.75～1∶1，護面墻墻厚約30～50cm，護面墻下地層介質為全風化-砂土狀強風化，由于護面墻泄水孔未設置防御層，導致泄水孔堵塞，地下水沿護面墻墻體內沖刷坡面，導致局部土體、泥沙被掏空[7、8]，形成局部脫空，當局部脫空范圍變大，護面墻墻體失去支撐，當前坡面漿砌片石護面墻已產生大小不一的塌陷坑，坡面現場情況如圖3所示。塌陷體內見砂土狀強風化花崗巖出露，場地地層表層坡積粘性土較薄，厚度約2m，下覆地層為強風化花崗巖。在強降雨等因素影響下，邊坡受雨水沖刷及地下水作用存在產生進一步塌陷的可能性，威脅坡腳居民的生命財產安全，須進行綜合治理。因此為治理已存在未塌陷的脫空區，需探清護面墻墻面下脫空區的分布情況。

2.2主要儀器設備及工作參數

本次探測使用的儀器是美國GSSI公司生產的SIR4000系統地質雷達設備，該系列儀器為全數字化便攜式設計，具有輕便、自動化程度高、信號穩定、探測速度快、分辨率高等優點；它可連接使用多種頻率的天線。地質雷達探測工作方式采取時間剖面法，即發射天線（Tx）和接收天線（Rx）以固定頻率發射/接收電磁波，同時采集裝置沿測線勻速移動的測量方式。

根據探測場地條件要求探測漿砌片石護面墻墻面下局部脫空區，因此擬采用頻率為400MHz的屏蔽天線，有效探測深度約8m，采樣時窗為50ns，采樣點數為1024，掃描率為60掃/秒。沿邊坡坡面順坡向共布設6條地質雷達測線，測線編號分別為L1～L6，地質雷達現場探測工作照如圖4所示：

本次地質雷達的探測目標是地下脫空區，脫空是指地下一定深度位置存在明顯塌陷的空洞，一般脫空區上方為堅硬物體，中間為空洞，底部為塌陷下來的堆積物[1]。無論脫空區內的充填物是空氣或是水，其與周圍介質的介電常數都有較大的差異，電磁波在脫空區界面處的反射會變得強烈，據此判斷脫空區的位置和范圍在理論上是可行的，滿足了地質雷達探測地下脫空區所需要的地球物理勘探條件。與脫空區相關的介質物性參數見表1。

2.3探測剖面成果解譯

當探測地下范圍內無異常存在時，雷達波形圖的主要特點在于反射波的同相軸連續性好，無交叉、變位錯動、缺失和振幅值的差異變動。當探測地下范圍內存在異常時，反射波同相軸的連續性會變化，反射波會呈現強弱變化和錯斷等特征[9]，本次探測共完成6條剖面，解釋如下：

（1）L1-L3測線

如圖5所示，L1-L3測線總長均為16m，探測有效深度范圍均為2.5m，位于L1剖面樁號1.2～4.9m、5.5～8.2m出現明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強，推斷為嚴重脫空現象。位于L2剖面樁號1.1～4.8m、5.2～8.1m出現明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強、延續時間較長，推斷為嚴重脫空現象。位于L3剖面樁號3～8.5m出現明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強、延續時間較長，推斷為嚴重脫空現象。經現場核實，L3測線探測出的脫空區中心位置附近已經存在明顯坡面塌陷。

（4）L4-L6測線

如圖6所示，L4-L6測線總長均為16m，探測有效深度范圍均為2.5m，位于L4剖面樁號4.5～6.9m出現明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強、延續時間較長，推斷為嚴重脫空現象。經現場核實，L4測線探測出的脫空區中心位置附近已經存在明顯坡面塌陷。位于L5剖面樁號4～7.5m出現明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強、延續時間較長，推斷為嚴重脫空現象。位于L6剖面樁號10.4～13.9m出現明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強、延續時間較長，推斷為嚴重脫空現象。

綜合6條測線的探測結果，每條測線均存在嚴重的脫空區，將每條測線的探測結果投影到平面圖上，得出脫空區的平面分布情況，L1-L3測線探測出的脫空區平面位置比較集中，形成一個較大的脫空區分布區域，該脫空區分布區域覆蓋了現場存在明顯的塌陷區域；L4與L5測線探測出的脫空區平面位置也比較接近，也形成一個較大的脫空區分布區域，該脫空區分布區域也覆蓋了現場存在明顯的塌陷區域；平面圖上共顯示出3處明顯的脫空區平面分布范圍，具體脫空區平面分布圖如圖7所示。后期邊坡治理依據探測結果顯示的脫空區分布情況，并且結合場地地質條件，進行脫空區治理，并且合理布設排水通道，有效地解決了脫空區存在的隱患。

3.結論與展望

（1）地質雷達探測出的脫空區主要表現為明顯多次波反射、反射波組紊亂、能量較強、延續時間較長等特點；

（2）三維地質雷達探測坡面脫空區具有可行性，能準確探測出坡面的脫空區分布情況，通過探測出坡面位置脫空區的分布情況，可采用針對性的坡面維護及脫空區治理，為消除安全隱患提供了準確的科學依據。

（3）此次地質雷達探測的是淺部的脫空區，探測效果準確明顯，深部脫空區的地質雷達探測效果及探測的分辨率還有待進一步的研究。

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