地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)及其在填方區(qū)中的應(yīng)用

劉志輝，崔長飛，周中貴，杜青林

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前 言

目前，地質(zhì)雷達(dá)探測在工程建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，最典型的應(yīng)用是探測混凝土厚度、缺陷(如空洞和不密實(shí))和鋼筋分布等。由于地質(zhì)雷達(dá)方法在混凝土質(zhì)量檢測中的準(zhǔn)確性及高效性，鐵道部在TB10223－2004《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》中將地質(zhì)雷達(dá)檢測列為基本檢測方法。目前地質(zhì)雷達(dá)在越來越多的領(lǐng)域開展應(yīng)用，例如巖溶探測、采空區(qū)探測、地質(zhì)深部探測、市政管線探測等。這主要是隨著地質(zhì)雷達(dá)的用戶群體越來越大，工程經(jīng)驗(yàn)積累越來越多，對多領(lǐng)域的探測準(zhǔn)確性也越來越高。本文詳細(xì)介紹了地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)，包括其原理、外業(yè)采集和資料分析。通過對某工地探測的實(shí)例表明，地質(zhì)雷達(dá)在對填挖方界面及缺陷(脫空或孤石)等的探測具有巨大的優(yōu)勢，表現(xiàn)為圖像簡明清晰、探測時(shí)間短、準(zhǔn)確性高。這也例證了地質(zhì)雷達(dá)探測的有效性。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是一種無損探測儀器，它依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進(jìn)行工作。電磁波脈沖由發(fā)射天線發(fā)出，被地下介質(zhì)介面(或埋藏物)反射，由接收天線接收(見圖1)然后將這些信號記錄下來，并成圖顯示出來(見圖2)。被反射脈沖旅行時(shí)間在單置式天線情況下為:

式中 h——反射界面的深度，m;

v ——波速，m/ns;

Δt——脈沖雙程旅行時(shí)間，ns。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)電磁波脈沖傳播示意

每發(fā)射一次脈沖，就接收到一串反射訊號，稱為時(shí)間系列或掃描記錄。隨著天線在介質(zhì)面上方平行移動，得到無數(shù)掃描記錄(大約200次/s)，即可合成一張完整的地下透視圖像。

對于地質(zhì)雷達(dá)所使用的頻段來說，地下媒質(zhì)一般可視為準(zhǔn)電介質(zhì)，波速可由下式近似求出:

式中 c——真空中光速，0.3m/ns

εr——地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

研究表明，引起雷達(dá)脈沖反射的主要原因是各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同。這是由于各介質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同而造成的，如石灰?guī)r的介電常數(shù)通常在7～9之間(見表1)。根據(jù)電磁波理論，當(dāng)電磁波穿過層狀介質(zhì)時(shí)，由于上下介質(zhì)的電磁特性不同而產(chǎn)生折射和反射(見圖3)。

電磁波在介質(zhì)介面的反射和折射特征用反射系數(shù)R12和折射系數(shù)T12表示。對于非磁性介質(zhì)，當(dāng)電磁波垂直入射(θ=0)時(shí)，R12、T12可以用下式表示:

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

表1 常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)

式中 ε1、ε2——分別為界面上下介質(zhì)的相對介電常數(shù);

R12——從介質(zhì)1入射時(shí)，介質(zhì)1－介質(zhì)2的反射系數(shù);

T12——從介質(zhì)1入射時(shí)，介質(zhì)1－介質(zhì)2的折射系數(shù)。

3 地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)

任何地質(zhì)雷達(dá)資料解釋的基礎(chǔ)是雷達(dá)數(shù)據(jù)，所以雷達(dá)數(shù)據(jù)的好壞決定了能否取得良好的結(jié)果。要認(rèn)真分析探測對象的性質(zhì)和特點(diǎn)，要有合理的測線布置、選擇合適的天線(主要是頻率)、設(shè)置合理的采集參數(shù)，標(biāo)定巖土和工程介質(zhì)電磁波速。

3.1 探測對象的性質(zhì)和特點(diǎn)

任何一個(gè)地質(zhì)雷達(dá)探測項(xiàng)目都會有明確的探測目的。從這些目的要求中應(yīng)該特別清楚地明確下列要點(diǎn)，以便正確設(shè)置儀器參數(shù)和合理布置測線。這些要點(diǎn)包括:

(1)探測目標(biāo)深度:決定了雷達(dá)采集時(shí)設(shè)置的時(shí)窗大小。

(2)探測目標(biāo)水平尺度及分辨率:決定了測線布置。

(2)目標(biāo)與環(huán)境電磁性質(zhì)差異的大小:決定了采樣位數(shù)。

3.2 合理的測線布置

測線布設(shè)應(yīng)注意兩點(diǎn):

圖3 電磁波在介質(zhì)分界面上的反射和折射

(1)探測的目標(biāo)是二度體還是三度體:二度體應(yīng)平行布置測線，測線方向垂直目標(biāo)軸向;三度體按網(wǎng)格狀布設(shè)測線。

(2)探測目標(biāo)水平尺度的大小及要求的水平分辨:測線的間距一般應(yīng)同時(shí)小于或等于目標(biāo)尺度與分辨率尺度，以防目標(biāo)漏測。

3.3 天線的選擇

天線選擇很關(guān)鍵，因?yàn)樗鼪Q定了探測效果的兩個(gè)基本因素:探測深度和分辨率。在很多情況下二者是矛盾的。低頻天線探測深度大，但分辨率差;高頻天線探測深度小，但分辨率高。故在選擇天線的時(shí)候既要照顧探測深度又要有適當(dāng)?shù)姆直媛省?/p>

3.4 采集參數(shù)的選擇

在進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集前應(yīng)該對雷達(dá)的采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，參數(shù)設(shè)置的是否合理影響到記錄數(shù)據(jù)的質(zhì)量，是進(jìn)行內(nèi)業(yè)解釋的基礎(chǔ)，至關(guān)重要。

對于各廠家的新型雷達(dá)，在選擇天線的時(shí)候基本上已把參數(shù)也固定下來了。但在現(xiàn)場還是必須根據(jù)探測目標(biāo)進(jìn)行微調(diào)。參數(shù)設(shè)定的主要有:

(1)探測深度與時(shí)窗長度。探測深度的選取是頭等重要的，既不要選得太小丟掉重要數(shù)據(jù)，也不要選得太大降低垂向分辨率。一般選取探測深度H為目標(biāo)深度的1.5倍。根據(jù)探測深度H和介電常數(shù)ε確定采樣時(shí)窗長度。

(2)掃描速率。掃描速率是定義每秒鐘雷達(dá)采集多少掃描線記錄。掃描速率大時(shí)采集密集，天線的移動速度可增大，因而盡可能地選大些，但是它受儀器能力的限制。當(dāng)掃描速率Scans/s決定后，要認(rèn)真估算天線移動速度TV。估算移動速度的原則是要保證最小探測目標(biāo)內(nèi)至少有20條掃描線記錄。

(3)增益選擇。由于介質(zhì)的吸收和散射，電磁波能量會衰減，信號越來越弱，增益點(diǎn)的作用是使記錄線上不同時(shí)段有不同放大倍數(shù)，使各段的信號都能清楚地顯現(xiàn)出來，增益點(diǎn)的位置最好是在反射信號出現(xiàn)的時(shí)段附近。增益大小的調(diào)節(jié)是使多數(shù)反射信號強(qiáng)度達(dá)到滿度的70%左右，增益太大將造成信號削頂，增益太小將丟失弱小信號。

至于采樣率、掃描樣點(diǎn)數(shù)、濾波設(shè)置等其他參數(shù)一般采用系統(tǒng)默認(rèn)的就可以。

3.5 標(biāo)定電磁波速度與介電常數(shù)

電磁波速度的估計(jì)很重要，它是進(jìn)行準(zhǔn)確時(shí)深轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，對于確定反射體的深度至關(guān)重要，測量中要給予特別的關(guān)注。對于收發(fā)一體天線，一般采用下面兩種方法估算電磁波速:

(1)根據(jù)地層類型和含水情況使用參考速度值。

(2)利用已知埋深物體的反射走時(shí)求波速。

4 資料解釋

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾，以最大可能的分辨率在圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用信息，以幫助解釋檢測成果。地質(zhì)雷達(dá)資料反映的是地下介質(zhì)的電性分布，將其轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體分布，必須把地質(zhì)、施工、地質(zhì)雷達(dá)等方面的資料有機(jī)地結(jié)合起來，以此獲得檢測對象的整體圖像。

各雷達(dá)廠家都有相應(yīng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件，處理流程和處理方式大同小異。基本處理流程為:數(shù)據(jù)傳輸→能量均衡→水平均衡→數(shù)字濾波→時(shí)深轉(zhuǎn)換→注釋→文件編輯→輸出雷達(dá)剖面圖。一般而言，以雷達(dá)時(shí)間(時(shí)深轉(zhuǎn)換)剖面圖作為資料解釋的基本圖件。

5 應(yīng)用實(shí)例

某電站一移民點(diǎn)場地地基土主要由原地坡洪積含塊碎礫石土及回填碎礫石土構(gòu)成。在填方完成后不久，移民點(diǎn)A區(qū)、B區(qū)住宅地基土體分別出現(xiàn)兩條地表裂縫，裂縫平面呈鋸齒狀展布，順河EW向斷續(xù)延伸13～15m，寬度1～3cm。為了查明裂縫原因，以便在建造住宅前對已出現(xiàn)的隱患進(jìn)行處理。業(yè)主希望能查清挖方及填方區(qū)的界面以及是否填方區(qū)存在粒徑不匹配(如存在大的孤石)造成脫空等情況。為此，采用地質(zhì)雷達(dá)對該場地進(jìn)行詳細(xì)探測。按照該移民安置點(diǎn)的斷面形式，雷達(dá)檢測在每棟房屋場地(地基)布置LP－1～LP－6共6條測線，測線間距2m。地質(zhì)雷達(dá)檢測測線布置見圖4。

圖4 雷達(dá)測試測線布置示意

本次檢測采用的儀器設(shè)備為美國地球物理公司(GSSI)生產(chǎn)的SIR－3000型地質(zhì)雷達(dá)、400M屏蔽天線，以連續(xù)剖面記錄方式采集數(shù)據(jù)。為滿足檢測深度和精度的要求，時(shí)窗設(shè)置為85ns，采樣率為512樣點(diǎn)數(shù)/掃描，5點(diǎn)增益，保證了填方區(qū)新填方土與原有土層分界面、填方區(qū)脫空情況的檢查。檢測的典型圖像見圖5。從圖5可見，填土區(qū)與原有土層分界面清楚，在距外側(cè)5m、深1.0m處存在脫空。

圖5 地質(zhì)雷達(dá)在填方區(qū)探測的典型剖面

6 結(jié)束語

地質(zhì)雷達(dá)具有檢測圖像直觀、計(jì)算處理技術(shù)先進(jìn)、測試精度高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)跑道、公路、隧洞超前預(yù)報(bào)、巖溶探測、鋼筋混凝土檢測、堤壩隱患探測等巖土工程。目前，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)對隧道混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測已經(jīng)成為控制隧道施工質(zhì)量不可缺少的重要手段，但地質(zhì)雷達(dá)在地質(zhì)勘探方面等還具有相當(dāng)?shù)碾y度，其與操作者的工程經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)。作者在總結(jié)多年地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)上，重點(diǎn)介紹了地質(zhì)雷達(dá)的現(xiàn)場檢測技術(shù)，并通過對地基場地填方區(qū)的探測實(shí)例，說明了地質(zhì)雷達(dá)只有相關(guān)參數(shù)設(shè)置正確、采集方法合適，在地質(zhì)勘測方面效果同樣明顯，必將在以后的工程實(shí)踐中凸顯出更大的優(yōu)勢。

［1］李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］.北京:地質(zhì)出版社，1994.

［2］曾昭發(fā).探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［3］陳仲候，王興泰，杜世漢.工程與環(huán)境物探教程［M］.北京:地質(zhì)出版社，1993.