地質雷達在海島調查中的應用*1

周慶杰，劉樂軍，李西雙，楊慶樂

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

地質雷達在海島調查中的應用*1

周慶杰，劉樂軍，李西雙，楊慶樂

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

地質雷達探測技術正朝著探測精度更高、探測范圍更廣、解釋更準確的方向發(fā)展，表現(xiàn)出前所未有的廣闊發(fā)展前景，被廣泛應用于工程、環(huán)境、災害地質調查等領域，越來越受到人們的關注。隨著海島的開發(fā)與海島基礎設施的建設，海島工程勘查與工程質量評估和地質災害的影響與危害評估等工作越來越多。本文章結合地質雷達探測的優(yōu)勢，分析了海島開發(fā)和地質調查中的研究內容，結合海島上的滑坡監(jiān)測、淺層斷裂等地質災害勘探實例，論述了地質雷達在海島工程與地質調查中的應用。

海島地質雷達； 滑坡； 斷層；海島工程開發(fā)

地質雷達作為一種先進的高頻電磁波勘探技術，具有現(xiàn)場探測簡便、探測速度快、費用低以及對原結構物無損壞等優(yōu)點[1-2]，在陸地的工程地質勘察、工程質量評估和地質災害調查中得到了廣泛應用。海島上的工程設施建設與內陸基本相同，地質雷達可以應用到相應的工程勘察及設施質量檢測中，如海島公路路基檢測、海島隧道襯砌質量檢測、海島機場跑道檢測、海島陸基風電場的地基評估等。另外，在海島地震、斷層、火山等構造類地質災害的調查中，也可以采用地質雷達調查，輔以地質鉆孔、原位測試等工程地質手段，了解地層和斷裂的分布位置、平面組合形態(tài)、展布方向、剖面組合形態(tài)特征和主要地裂縫的分布位置、產狀、長度、寬度及深度等特征[3]。本文章還根據(jù)地質雷達的優(yōu)勢，分析地質雷達在海島應用的適用性問題，并結合其在海島地質調查中的應用實例，探討地質雷達在海島勘察與調查應用中的相關問題。

1 地質雷達應用的優(yōu)勢

地質雷達體積小巧、攜帶方便，易于上島工作，可適用于海島復雜的地形地貌;抗電磁干擾能力強，可在各種噪聲環(huán)境下工作;作為一種非破壞性的原位探測技術，可適應海島復雜的環(huán)境條件，在工程上或地質災害調查中都有較滿意的探測深度和分辨率，現(xiàn)場直接提供實時剖面記錄，圖像清晰直觀，可高效率的完成探測任務[4]。20世紀90年代，地質雷達在我國淺層與超淺層地質調查及工程中得到了廣泛應用。何開勝等[5]通過太浦河泵站滑坡工程實例，嘗試應用地質雷達進行滑動面的探測，結果表明，利用地質雷達對堤壩滑動面進行探測是有效的。薛桂玉等[6]利用地質雷達探測出了某水電站滑坡體覆蓋層與破碎帶的分界面和某抽水蓄能電站庫區(qū)溶洞，解決了水電工程中的實際問題。在工程地質其它領域也有廣泛應用，如探測覆蓋層厚度、松軟層厚度及分布、基巖風化層界面及分布、基巖節(jié)理和斷裂帶、地下水分布等，探查地下溶洞、空洞、塌陷區(qū)、地下排污巷道、管道及地下管線等。地質雷達在回填等松軟層上探查深度可達20 m以上，在致密或基巖上探查深度可達30 m以上。另外，該技術在工程質量檢測中也有廣泛應用，如檢測襯砌厚度、破損、裂隙、空洞、滲漏帶、回填欠密實區(qū)、圍巖擾動等，檢測精度可達cm級；檢測公路及城市道路路面、跑道、擋墻等各層厚度和破損情況，擋墻、橋梁、混凝土構件等的空洞、裂隙及鋼筋分布等，檢測精度可達mm級[7]。覃建波等[8]運用探地雷達技術在檢測公路隧道、引水涵洞襯砌質量及混凝土結構中鋼筋鋪設質量時，取得了顯著的效果。

2 地質雷達在海島上的應用

2.1 在海島工程檢測中的應用

隨著海島的開發(fā)和利用，海島工程設施建設日益增多。海島環(huán)島公路和公路隧道、人工島機場、海島間跨海大橋/海底隧道和海島房地產開發(fā)等建設項目不斷上馬，這些工程的超前地質預報及工程質量檢測顯得尤為重要。地質雷達技術在陸地工程檢測[9]中的應用比較廣泛，且已經相當成熟，某些海島工程及地質條件與陸地相同，將其應用于海島工程質量檢測中是可行的。地質雷達以其體積小巧、易于上島作業(yè)、測量結果直觀準確和高效率等特點，在海島工程檢測中，如地下管網調查、隧道襯砌和公路路面厚度探測以及各種脫空、空洞、回填不實等工程質量隱患問題方面的檢測，可以獲得良好的探測效果。另外，在海島機場跑道檢測及海島風電場地基檢測中，地質雷達也可以發(fā)揮其優(yōu)勢，可克服海島復雜地形地貌的干擾而獲得有效數(shù)據(jù)。下面以地質雷達在公路和隧道建設中的工程質量檢測以及地下管線探測為例，介紹地質雷達在海島工程中的應用。

2.1.1 在海島環(huán)島公路中的應用

海島環(huán)島公路建設發(fā)展迅速，新公路質量檢測顯得尤為重要。探地雷達在公路質量檢測中的應用涉及到公路路面厚度和密實度的檢測、路基與路基缺陷的調查、公路維修質量及公路裂縫的調查等。此外，其在公路結構檢測中也得到了成功運用。在實際檢測作業(yè)中，由于不同的探測深度和探測精度的要求，探測瀝青混凝土面層應使用頻率大于1 200 MHz的天線，而對于水泥混凝土面層高頻(如2 500 MHz)天線一般難以穿透，只能使用900～1 000 MHz的天線，探測基層可使用頻率為800～1 000 MHz的天線，探測路基可使用頻率為300～900 MHz的天線[10]。

在公路路面檢測中，厚度檢測是公路無損檢測的主要內容之一。一般簡易路面厚度10～20 cm，高等級公路路面厚度20～30 cm，機場跑道路面厚度40 cm，因此，公路路面厚度檢測要求有較高的垂向分辨率。路面厚度檢測的誤差要求小于1 cm，因此，應用于公路路面厚度檢測的探地雷達必須具有高分辨率與高計厚精度，其天線中心頻率需在200 MHz以上。在路面的路基檢測中可以利用探地雷達進行公路基層及路基的損害檢測、公路路面的脫空檢測、公路路面的下沉檢測、公路路面網檢測、公路路面密實度檢測等。

2.1.2 在海島隧道檢測中的應用

海島公路隧道是海島工程建設中的重大項目之一，隧道超前地質預報及襯砌質量檢測等是隧道建設過程中的重要環(huán)節(jié)。在施工過程中，可能會出現(xiàn)脫空、不密實區(qū)、蜂窩麻面等不良病害，給工程的正常運行帶來極大隱患，為迅速、準確地確定其平面位置及分布范圍，評價施工質量是否滿足設計要求，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，消除隱患[11]。探地雷達是目前國際上最為先進的無損探測方法，在精度和準確度上完全可滿足檢測要求。隧道襯砌質量檢測已在我國陸地隧道施工中得到廣泛應用并取得良好的效果，同時，地質雷達小巧輕便易于上島作業(yè)，可應用于海島隧道檢測。

在隧道質量檢測過程中，應用地質雷達檢測獲得的資料數(shù)據(jù)經一系列的后期處理后，結合已知的地質、鉆探資料，就可以根據(jù)探測目標可能引起的異常的大小和形態(tài)進行分析和解譯，并最終得出各測線的成果圖，以此對隧道施工質量進行分析評價。在地質雷達圖像中振幅較強、同相軸比較連續(xù)的層位就是噴射混凝土與圍巖的分界面，在該界面以上即是噴射混凝土的厚度。此外，當襯砌混凝土背后回填不密實或混凝土與圍巖之間存在空洞時，在地質雷達圖像上，都能清晰地顯示出差異進而識別這些區(qū)域。

2.1.3 在海島地下管線檢測中的應用

在海島的城市建設中，地下管線是其重要的基礎設施，地下管線鋪設現(xiàn)狀的基礎資料是對海島進行規(guī)劃、設計、施工、建設和管理的重要依據(jù)，是建立海島地下管線數(shù)字信息管理系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來源。應用地質雷達進行地下管線探測，在探測區(qū)域內，地下管線一般埋深不超過3 m，管線周圍介質多為雜填土和沙質土，管線與周圍介質之間存在足夠的電性差異[12]。測線垂直管線長軸方向時，如果管線為圓形管道時，雷達剖面上反射波同相軸為向下開口的拋物線；當為溝道式或管塊時，同相軸為有限平板，兩端各為半支下開口的拋物線(圖1)。在雷達剖面上，雙曲線開口大小隨管道埋深的加大而變大，介質電磁波速度越小，雙曲線形態(tài)越明顯，峰尖也越清晰。此外，對于金屬管線的探測，加大功率和降低頻率，增強感應能量，均可以達到較好的探測效果；對于非金屬管線的探測，輻射能量起到主導的作用[13]。

圖1 溝道式或管塊式管線雷達剖面[13]Fig.1 A radar profile of channel-like or tube-like pipeline[13]

2.2 在海島地質災害調查中的應用

海島上的滑坡、溶洞、塌陷區(qū)及基巖風化等地質災害頻發(fā)，但由于海島運輸及海島地形地貌復雜，使用常規(guī)地震勘探或地質鉆探手段施工困難、工程投資大、費用高、控制范圍有限，很難查明滑坡滑動面、基巖風化面及不良地質結構面的整體發(fā)育情況。地質雷達作為一種高分辨率無損探測工具，采用其超強地面耦合天線并結合鉆探，可對巖溶塌陷區(qū)及滑坡區(qū)域進行有效地檢測，并為滑坡治理與防護提供有效的參考數(shù)據(jù)。

2.2.1 在巖溶塌陷調查中的應用

在基巖海島且隱伏基巖存在灰?guī)r及白云巖等可溶性巖石的地區(qū)，巖溶塌陷是一種較為常見的地質災害，由于地下海水的入侵，其較強的溶蝕作用，會使基巖中出現(xiàn)溶洞，溶洞的擴大可導致其上部覆蓋層中形成土洞而造成塌陷。由于這一切均發(fā)生在地下，隱蔽性較強，不易引起人們重視，隱患也就更大。在這方面的調查中，地質雷達具有較大的優(yōu)勢。

巖溶發(fā)育地區(qū)的巖土層之間、灰?guī)r和溶洞、溶蝕帶之間均存在導電性及介電性差異[14]。在地質雷達實測剖面上，覆蓋土層的反射波組呈現(xiàn)出同相軸連續(xù)的低頻、強振幅的特征，基巖內的溶蝕帶呈現(xiàn)出同相軸不太連續(xù)的較強振幅、較低頻率的波組特征，而較完整的基巖呈現(xiàn)出高頻、弱振幅、無強反射波組的特征。粘土層中土洞的電導率低，吸收系數(shù)小，電磁波穿過土洞時反射能量大，在雷達剖面上表現(xiàn)為強振幅和同相軸不連續(xù)，而圍巖土層電磁波振幅較弱。一般來說，純空洞的反射波振幅較強，充水土洞的反射波振幅較弱，充填松軟土體的空洞反射波振幅相對更弱。

2.2.2 在海島滑坡調查中的應用

在海島上斜坡地貌發(fā)育的地區(qū)，滑坡是一種較為常見的地質災害，地表流水的侵蝕、地下水的潛蝕和溶蝕以及工程荷載和地震作用等都可能引發(fā)滑坡[15-16]?；麦w下滑時與母體之間的分界面稱滑坡面。在工程方面，為了對滑坡災害采取有效的防治措施，首先必須找出滑坡面。在陸地滑坡調查中，一般采用的是電測法及地震勘測法，但這兩種方法的花費較高，且海島地質條件復雜，受地質因素的干擾較大，遠不及地質雷達方便、高效和經濟。

海島基巖以上的殘積土中以及巖層內部都有可能或已經發(fā)生的滑坡對工程設施建設和人民生命財產危害巨大。產生滑坡區(qū)域的土體風化程度不同，各層的物質組成、結構都存在差異，上部顆粒較細，礫石含量少；下部顆粒較粗，礫石含量多[17]。

以某海島滑坡區(qū)的地質雷達探測為例，探測儀器選用瑞典MALA公司的RAMAC/GPR地質雷達，雷達信號采用數(shù)字式光纖傳輸，采用專業(yè)的Groundvision雷達數(shù)據(jù)采集軟件進行數(shù)據(jù)采集，信號分析、數(shù)據(jù)處理采用專用Reflexw軟件系統(tǒng)，天線為RTA超強地面耦合天線，中心頻率為100 MHz，采樣步長為1.0 m，疊加128次，采集方式為手動點觸發(fā)采集。

在地質雷達圖像中，滑坡體多具有不對稱丘狀外形、滑坡后壁處沉積地層突然中止，滑動面反射波同相軸產生錯斷，反射波不連續(xù)，內部弱振幅、雜亂或無反射結構，在滑動面(帶)處形成清晰而強烈的反射波[18](圖2)。

2.2.3 在海島斷裂帶調查中的應用

海島上的斷裂帶較為發(fā)育，活動斷裂作為一種巨大的災害隱患已引起人們的注意和重視，它可以誘發(fā)地震、地裂縫以及地面沉降等多種地質災害，危害極大，如果能準確地確定出活動斷裂的位置，從而在以后的工程建設中避開或采取有效的防護措施，可以最大限度地減少損失。在海島活動斷裂的調查方面，由于運輸或地形條件的限制，鉆探及變形監(jiān)測等傳統(tǒng)方法在某些地區(qū)不易實現(xiàn)，簡便易攜帶的地質雷達則可以發(fā)揮很大的優(yōu)勢。

對于海島上存在的淺層斷裂帶，會破壞淺層沉積，引起地層相對位移，造成不穩(wěn)定的工程地質條件，直接關系到工程的施工與維護等方案的確定。因此，在開發(fā)建設以前進行必要的斷層勘察，可以為工程施工、資源開發(fā)等的評價與設計提供可靠的資料。在勘探過程中，主要獲取斷層的位置、走向、傾向、傾角、落差及充填物情況等特征參數(shù)[19]。

圖2 滑坡體地質雷達圖像(天線頻率：100 MHz)Fig.2 A geological radar image of landslide (Frequency:100 MHz)

圖3 斷層的地質雷達圖像(天線頻率：25 MHz)Fig.3 A geological radar image of fault (Frequency:25 MHz)

應用地質雷達沿水平方向或巖層層位進行多次探測，可以直接判明斷層面位置及其形態(tài)，而連續(xù)確定的斷層面位置連線即確定了斷層的走向。若沿垂向或垂直巖層層位方向探測，則通過地質雷達剖面記錄圖可直接判明斷層的傾向和傾角。所以，地質雷達在確定一定深度范圍內的斷層位置、走向、傾向和傾角等特征參數(shù)是可行的[20-21]。斷層的落差可以通過標定上、下盤標志層的位置后經比較分析得出。標志層上、下界面的兩側介質電性差異較大，易于地質雷達分辨。

以某勘探區(qū)斷層檢測為例，使用瑞典MALA公司的RAMAC/GPR CUII型地質雷達，采用專業(yè)的Groundvision雷達數(shù)據(jù)采集軟件進行數(shù)據(jù)采集，信號分析、數(shù)據(jù)處理采用專用Reflexw軟件系統(tǒng)。選用25 MHz RTA超強地面耦合天線，采樣頻率400 MHz，采樣點數(shù)1 000點，時窗長度2 000 ns，點測距為0.5 m，疊加次數(shù)為128次，觸發(fā)方式為手動點觸發(fā)。

在地質雷達圖像上，斷層表現(xiàn)為一個或多個連續(xù)性好的反射波組發(fā)生系統(tǒng)的錯移(圖3)。有的表現(xiàn)為同相軸發(fā)生彎曲、兩側厚度不一致，有的則為反射層突然終止或減薄，還有的兩側反射特征不一致。對于一些正斷層，由于斷點的存在，有時在地質雷達時間剖面上可見雙曲線型繞射波。從圖3可以清楚的看到A區(qū)是一個破碎區(qū)域，且基巖發(fā)生了錯斷；B區(qū)的基巖也發(fā)生了巖層的錯斷，且左邊的巖層隆起；C區(qū)的基巖發(fā)生了斷裂。

3 結 語

通過對地質雷達在海島常見工程及地質災害問題的研究分析，并結合我們在海島調查中的具體應用，可看出地質雷達在海島公路、隧道、地基檢測及市政管網建設中都具有良好的應用效果，能夠為海島基礎設施建設和房地產開發(fā)等項目提供準確的參考資料。地質構造等災害性地質異常在地質雷達剖面上都有明顯的顯示：在滑坡體的滑動面上，因同相軸錯亂而異常明顯；在斷層的斷面處，由于地質體的巖性差異，在雷達圖像上也有明顯的錯移特征；應用地質雷達在淺地層的連續(xù)追蹤中效果良好，可以清晰的反映目標層的演變規(guī)律。由于地質雷達圖像解譯的多解性，在使用地質雷達進行勘探時，需要根據(jù)測試現(xiàn)場的具體條件，綜合分析作出判斷。在有條件的情況下，最好結合鉆探等其它物探方法，進行綜合探測，以便得出更為可靠的測試結果。

[1]謝昭暉，李金銘.我國探地雷達的應用現(xiàn)狀及展望[J].工程勘察,2007，(11):71-75.

[2]李嘉，郭成超，王復明，等.探地雷達應用概述[J].地球物理學進展,2007,22(2):629-637.

[3]劉傳效，蔣金泉，楊永杰.斷層特征參數(shù)地質雷達探測與識別的應用研究[J].巖土力學,2004,25(5):832-838.

[4]楊峰.地質雷達探測原理與方法研究[M].北京：科學出版社,2010.

[5]何開勝，章為民，王國群.堤壩滑坡災害的探地雷達應用研究[J].水利水電科學進展,2005,25(2):36-39.

[6]薛桂玉，余志雄.地質雷達技術在堤壩安全監(jiān)測中的應用[J].大壩安全，2004,(1):13-19.

[7]徐宏武，邵燕，鄧春為.探地雷達技術及其探測的應用[J].巖土工程技術,2005,19(8):191-194.

[8]譚建波，鄧世坤，李沫.探地雷達在隧道和涵洞工程檢測中的應用研究[J].煤田物探,2004,(5):55-58.

[9]胡平，肖都.高頻探地雷達技術在香港工程質量檢測中的應用[J].物探與化探,2004,28(4):361-364.

[10]李大心.公路工程質量的探地雷達檢測技術[J].中國地質大學學報,1996,21(6):661-664.

[11]鄒正明，王曉形，顏炳杰.地質雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用[J].西部探礦工程,2008,(4):147-149.

[12]楊志鵬.RAMAC探地雷達在地下管線探測中的應用[J].科技資訊,2007,(10):28-29.

[13]何厚志，陳兵.探地雷達在管線探測中的應用[J].城市勘測,1997,(4):44-47.

[14]BARNHARDT W A,KAYEN R E.Radar structure of earthquake-induced,coastal landslides in Anchorage,Alaska[J].Environ.Geosciences,2000,7(1):38-45.

[15]BICHLER A,BOBROWSKY P,BEST M,et al.Three-dimensional mapping of a landslide using a multi-geophysical approach: the Quesnel Forks Landslide[J].Landslides,2004,1(1):29-40.

[16]BICHLER A,BOBROWSKY P,BEST M,et al.Three-dimensional mapping of a landslide using a multi-geophysical approach:the Quesnel Forks Landslide[J].Landslides,2004,1(1):29-40.

[17]鄧世坤，祁明松.探地雷達在滑坡和巖溶地區(qū)探測中的應用[J].地球科學,1993,18(3):329-338.

[18]李大心.探地雷達方法與應用[M].北京：地質出版社,1994.

[19]王虹，趙同彬，王炳山.基于地質雷達方法確定斷層特征參數(shù)[J].黑龍江科技學院學報,2004,14(1):49-51.

[20]孫洪星，李鳳明.探地雷達高頻電磁波傳播衰減機理與應用實例[J].巖石力學與工程學報,2002,21(3):413-417.

[21]王俊茹，呂繼東.地質雷達在環(huán)境地質災害探測中的應用[J].地質與勘探,2002,38(3):70-73.

ApplicationofGeologicalRadarinIslandGeologicalSurvey

ZHOUQing-jie,LIULe-jun,LIXi-shuang,YANGQing-le

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

Geological radar detection technology is advancing toward the direction of higher detection accuracy,wider detection range and more accurate interpretation.It shows an unprecedented broad prospect for development and has been widely applied in geological surveys such as engineering,environment,geological disaster,and so on,and therefore gets more and more attention of people.With the development of islands and the construction of islands' infrastructure,the engineering exploration of islands,the quality evaluation of projects,the influence of geological hazards and the assessment of dangers is coming more and more.Based on the advantages in geological radar detection and the analyses of research aspects in the island development and geological investigations,and combined with the exploration examples such as landslide monitoring,geological disasters and shallow fault on the islands,the applications of geological radar to the island engineering and the island geological survey are discussed.

island geological radar;landslide;fault;island engineering development

2014-01-16

海洋公益性行業(yè)科研專項——我國典型海島地質災害監(jiān)測及預警示范研究(201005010-1)

周慶杰(1989-)，男，碩士，主要從事海洋災害地質方面研究.E-mail:zhouqjouc@163.com

(杜素蘭 編輯)

P627

A

1002-3682(2014)03-0063-07