探地雷达在地基沉陷检测中的应用(正文).doc

探地雷达在地基沉陷检测中的应用
舒志平
（中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014）
关键词：探地雷达；地基沉陷；脱空；松弛
摘要：针对沉陷地基的探地雷达检测方法作了研究，介绍了该技术的工作布置原则和成果，并通过工程实例分析评价了应用效果。
The application of the geology radar in the foundation landslide
SHU Zhi-ping
(Mid-south Investigation and Design Institute for Hydroelectric Project，Changsha Hunan 410014)
Key Words：geology radar，foundation landslide，empty，slackness
Abstract：The study on the examination technique of the geology radar was made in accordance with the foundation landslide，This paper introduces the layout principles and achievements in the work，And there is an analysis and evaluation of the application results through the project example.
1 前言
某水电工程缆机平台位于右岸高程450.00m，离河床约260m高差，靠近边坡前沿的前轨梁采用人工挖孔桩深基础，后轨梁为浅部条形基础。该处地质条件复杂,上部强风化砂岩分布不均,埋深一般为3～10m，平台中部位置有一断层深切。
缆机平台正下方高程406.50m位置已经施工完了一条排水洞，排水洞规格为2.5m*3.0m。为了保障缆机运行期的安全，在该洞通过断层带的位置准备进行扩挖，并采用钢筋混凝土衬砌加固。扩挖过程中，洞内突然发生冒顶，在靠近缆机平台前轨梁及两条联系梁之间的地面出现多处裂缝。
为了准确界定坍塌范围，包括脱空区及松弛区，为制定设计方案提供依据，探地雷达作为一种安全、快速、有效的手段成功地对该处沉陷作了检测。
2 探地雷达原理
探地雷达（简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术，通过天线向地下发射脉冲电磁波，同时接收由地下不同介质界面的反射回波。由于电磁波在介质中传播的路径、波形和电磁场强度将随所通过介质的电性质（如相对介电常数εr）及几何形态的差异而变化，根据接收到的回波旅行时间、幅度和波形等信息，雷达能够探测地下介质的地层结构与埋藏目的体，探地雷达正是利用上述特点进行工作。
3参数选择与观测系统
考虑到从冒顶中心位置往外的地下介质依次是脱空区——松弛区——正常的原生地层，被探测对象非常复杂，因此检测之前必须先作参数试验。
——天线中心频率的选择：取决于目标体的埋深、目标体最小尺寸、天线尺寸符合场地作业条件等因素，一般可按f=150/(xεr1/2)确定，式中x为空间分辨率（m），εr为介质的相对介电常数。本次选用750MHz天线勘察较浅的沉陷上界面，100MHz天线勘察深部破坏情况；
——时间窗口的选择：取决于最大探测深度Hmax（m）和介质中电磁波的传播速度V（m/ns），时间窗口W≈2.6Hmax/V。本次选用的时间窗口范围为20～200ns；
——测点点距的选择：通常为介质中波长的1/4；
——天线间距的选择：偶极天线在发射、接收临界角方向增益最强，天线间距S选择为最深目标体相对接收与发射天线的张角的2倍，S=2Hmax/ (εr-1) 1/2。本次选用的天线间距为0.25～0.50m；
由于地下介质的结构已发生变化，相对介电常数εr的选择范围为8～12，对应的电磁波传播速度为0.11～0.09m/ns，检测过程中通过改变时窗大小达到不同的勘察深度。
由于测试人员只能在联系梁上作业，现场通过拖弋天线的办法布置观测系统。根据探测目的物的规模，布置方格网，纵横剖面共7条，控制范围约120m2。
4 雷达反射波判别准则
由于雷达探测结果是用实时成像表现，根据雷达反射波判别地质特征一般具有如下规律：
——反射波能量：在物探异常的判别中，一般要求异常的幅值要比噪声干扰信号大2.5～3.0倍。异常回波的振幅越大，就越能肯定异常的存在与可靠；
——背景回波：判别回波首先应该了解平静场的雷达回波的波形特征，包括它的频率、相位和振幅变化的特点。本次探测选择收发天线对均匀介质（未损区）的探测数据作为参考背景波形；
——波形的相似性：同一界面反射波在相邻的记录上波形变化特征是相似的，反射波的周期、相位、大小关系是相似的。在判读时经常要利用波形的相似地段与不相似地段的差别进行判读划分；
——波形的连续性：同一界面的反射波在相邻测点上出现的时间是相近的，这样反射波同相位轴线应该是平缓变化，沿测线方向延伸较长。人机交互判别面层底界面线就是根据这条准则进行操作。一旦这条连续的同相位轴线发生中断或剧烈变化，将提供判别异常变化特征。
均匀介质中雷达实时显示的图像见图1，介质内部结构发生变化或受到扰动的雷达实时显示图像见图2。
图1 均匀介质中雷达实时显示图
图2 非均匀介质中雷达实时显示图结构变化（受扰动）

根据雷达反射波的判别准则，空洞区充填介质为空气，反射波呈现较强的异常振幅，同相位轴曲线呈明显的弯曲现象。一般来说雷达回波同相轴线向上弯曲，反映层面介质中空隙度比较大（内含大量空气），同相轴线向下弯曲变化可能是反映地层内含有大量水份。
由于破坏区属断裂带其中的岩石往往破碎成糜棱状，含有矿化水，使介电常数发生很大的变化，反射波同相轴错动，断裂带两侧的波组关系相对稳定。断裂带上反射波的振幅比两侧岩石的信号强，而反射波主频率呈减小趋势。沉陷的地基在脱空区两侧的岩层结构和产状发生变化，反映出雷达反射波同相轴向相交成一定角度。
5 探测结果
本次雷达探测能够清晰地分辨出不同地质特征对应的成像表现形式，图3、图4分别为2#、5#测线雷达典型波阵图。根据雷达检测结果，判断该处冒顶已经贯穿至缆机平台，被探测区域划分为表面已发现裂缝的脱空区、潜伏的脱空区、潜伏的松弛区及正常区，其中脱空区与松弛区的面积分别为40m2、25m2左右，脱空区塌落高度约为5m左右。雷达探测成果见图5。由于探地雷达的准确定位，在不影响正常生产的前提下，对事故现场进行了有效的警戒，人员和机械设备禁止进入危险区域。

图5 沉陷地基雷达探测成果图
6 处理意见
根据探地雷达检测的结果，考虑到冒顶的洞内塌落的土石方量较少，对脱空区域采用了C20混凝土回填，回填量约为300m2。
松弛区采用固结灌浆的方法进行处理，考虑到灌浆影响半径，灌浆孔自缆机平台钻进至高程415.00m左右。由于脱空区下方地层结构已经严重破坏，也属松弛范围，吸浆量较大，施工时先期采用砂浆灌注，然后再改用水泥浆，共耗浆1400～1500 m3。
沉陷处理完后，排水洞的施工及时得到了恢复，同时由于灌浆摄入量准确，未给边坡增加太大的抗剪压力。通过事后增设在缆机前、后轨梁上的监测仪器显示，未见明显的变形，保障了下一步缆机的正常安装及运行期的安全。

作者简介：舒志平（1965-），男，湖南湘乡人，高级工程师，主要从事工程质量检测工作。
5