探地雷達(dá)在某公路巖溶勘探中的應(yīng)用

趙洋洋

【摘要】本文介紹了探地雷達(dá)的基本原理，并對(duì)影響探地雷達(dá)應(yīng)用效果的因素進(jìn)行分析；通過(guò)探地雷達(dá)探測(cè)在實(shí)際公路溶洞勘察中的應(yīng)用；表明探地雷達(dá)是一種高效、無(wú)損的探測(cè)方法，能較為準(zhǔn)確的探測(cè)溶洞的大小和位置，為基礎(chǔ)施工提供可靠的工程依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】探地雷達(dá)；溶洞探測(cè)

1 概述

在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。探地雷達(dá)高度集中了近代電子技術(shù)的成果，使其不僅在設(shè)備上得到了完善，在成像、成圖分析中也更加直觀。探地雷達(dá)是一種非破壞性的檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于公路路基溶洞探查、工程質(zhì)量檢測(cè)、地下埋藏物探測(cè)、壩體隱患探測(cè)、考古勘探、污染區(qū)規(guī)劃等方面。而溶洞則是在我國(guó)有著廣泛分布的天然地質(zhì)情況，在溶洞區(qū)建設(shè)公路、橋梁等工程建設(shè)工作也在日益增多；如何有效的避免或減少這種天然地質(zhì)情況在工程建設(shè)中的危害成為工程建設(shè)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

2 方法原理及特征參數(shù)

2.1 基本原理

探地雷達(dá)探測(cè)地下目標(biāo)主要是通過(guò)在地面通過(guò)向地下發(fā)射高頻電磁波，經(jīng)地層或目的體反射后形成反射回波返回地面。探地雷達(dá)的脈沖波雙程旅行時(shí)為：

式中x值即收發(fā)距，在剖面測(cè)量中是固定的；v為電磁波在介質(zhì)中之傳播速度，可用寬角法直接測(cè)量，也可以根據(jù)公式：

近似計(jì)算。C為光速，εr為地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

2.2 影響因素

探地雷達(dá)是根據(jù)雷達(dá)波的特征識(shí)別地下介質(zhì)的形狀和性質(zhì)的，因此，能否獲得可分辨的反射波是影響探地雷達(dá)應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素，它取決于雷達(dá)波的強(qiáng)度、探地雷達(dá)儀器的分辨能力、波在地質(zhì)界面上的反射特性以及波在地下介質(zhì)中行進(jìn)時(shí)的衰減情況。而雷達(dá)波的強(qiáng)度以及探地雷達(dá)儀器的分辨能力由探地雷達(dá)儀器本身決定，我們主要分析后兩個(gè)因素。

2.2.1 反射系數(shù)的影響因素

地質(zhì)雷達(dá)波是高頻電磁波，其傳播可近似為平面波，在地質(zhì)界面的反射系數(shù)r 為：

式中，z1為界面上層介質(zhì)的波阻抗，z2為界面下層介質(zhì)的波阻抗。波阻抗的計(jì)算式為：

其中j=-1，ω=2πf為角頻率，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，ε為介質(zhì)的介電系數(shù)，σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率（以下同） 。由于地質(zhì)雷達(dá)頻率高，一般有σ<<ωε，故反射系數(shù)可簡(jiǎn)化為：

εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，角標(biāo)r表示波所在的介質(zhì)。反射系數(shù)反映了反射能量占入射能量的比率，取決于界面上下介質(zhì)的介電系數(shù)差異。而探測(cè)目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)的介電系數(shù)差異是探地雷達(dá)應(yīng)用的物性前提，其差異的大小影響其探測(cè)的效果。一般的商用探地雷達(dá)，可容許反射波的損耗達(dá)60dB，因此當(dāng)目標(biāo)體與圍巖介質(zhì)的介電系數(shù)差異達(dá)到1時(shí)，可測(cè)到反射波。

2.2.2 吸收系數(shù)的影響因素

電磁波在有耗介質(zhì)中的衰減，主要是由于傳導(dǎo)電流的熱損耗和介質(zhì)極化過(guò)程中的附加損耗。除了這些本質(zhì)原因，還有波的空間發(fā)散損耗和散射損耗。若僅考慮前一原因，以吸收系數(shù)β表征的波衰減特性與介質(zhì)性質(zhì)的理論關(guān)系：

為了說(shuō)明β與σ、ε、ω的關(guān)系，我們討論兩個(gè)極限情況：

a.時(shí)，，吸收系數(shù)與頻率f 無(wú)關(guān)，而與σ成正比，與ε成反比。

b. 時(shí)，，吸收系數(shù)與頻率f 、σ有關(guān)， 而與ε無(wú)關(guān)?？梢?jiàn)在高導(dǎo)電率介質(zhì)中或使用高頻時(shí)，β將增大。

介質(zhì)的電導(dǎo)率主要受介質(zhì)中的含水率及粘土含量的影響，常見(jiàn)介質(zhì)按電導(dǎo)率的分類(lèi)如下：

A 類(lèi)：低電導(dǎo)率（小于10-7S/m），如空氣、干的花崗巖、灰?guī)r、混凝土、瀝青等應(yīng)用效果好的介質(zhì)。

B 類(lèi)：中電導(dǎo)率（10-7～10-2S/m），如純凈水、純凈水結(jié)成的冰、雪、砂、干粘土、干的玄武巖、海冰等應(yīng)用效果一般的介質(zhì)。

C 類(lèi)：高電導(dǎo)率（大于10–2S/m），如濕粘土、濕頁(yè)巖、海水等應(yīng)用效果較差的介質(zhì)。當(dāng)σ>0101Sm時(shí)，不宜使用探地雷達(dá)。

2.2.3 分辨率的影響因素

探地雷達(dá)的應(yīng)用前提是獲得可分辨的反射波，而其探測(cè)效果主要由其分辨率決定（包括垂直分辨率和水平分辨率）。

探地雷達(dá)的垂直分辨率主要由探地雷達(dá)的波長(zhǎng)決定，從波的傳播規(guī)律可知，可識(shí)別目標(biāo)體的尺度一般需大于1/2波長(zhǎng)，若垂直最小可分辨的層的厚度為Dm，則它與f的關(guān)系為：

其中， C為電磁波在真空中的傳播速度?？梢?jiàn)頻率越高，則Dm越小，即垂直可分辨層的厚度越薄，垂直分辨率越高。

探地雷達(dá)的水平分辨率是指探地雷達(dá)在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸。根據(jù)波的干涉原理，法線反射波與第一Fresenel帶外緣的反射波的旅行差為λ/2。當(dāng)反射波之間發(fā)生相長(zhǎng)性干涉時(shí)，振幅增強(qiáng)；而第二Fresenel帶內(nèi)的反射波發(fā)生相消性干涉時(shí)，振幅減弱，因此雷達(dá)波向下傳播的區(qū)域是一個(gè)圓錐體，其反射能量主要來(lái)自第一Fresenel帶。設(shè)目標(biāo)體埋深為H，雷達(dá)波的波長(zhǎng)為λ時(shí)，則第一Fresenel帶的半徑RF為：

由于每一雷達(dá)記錄是第一Fresenel帶內(nèi)反射波的綜合反映，因此RF是水平分辨率的最小尺度。從RF的計(jì)算公式可以看出，當(dāng)目標(biāo)體埋深越大，雷達(dá)波頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，則RF越大，水平分辨率越低，反之，水平分辨率越高。同時(shí)，水平分辨率與探地雷達(dá)的觀測(cè)方式有關(guān)，對(duì)于剖面觀測(cè)方式，采樣點(diǎn)距越大，水平分辨率越低，一般的，采樣點(diǎn)距設(shè)為最小目標(biāo)體水平尺度的1/5。

3 在橋址溶洞探測(cè)中的應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)概況

本文所選路段基巖分布為灰?guī)r，覆蓋層為山前沖積形成的粉質(zhì)粘土夾碎石， 處在覆蓋型巖溶區(qū)，巖溶發(fā)育是該區(qū)主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象。該路段曾出現(xiàn)地表塌陷，最大直徑8m，最大塌陷深度3m。

3.2 地下水

該路段及周?chē)規(guī)r中存在豐富的地下水資源，由于地貌上的差異，其地下水流向不一，存在形式主要有溶蝕裂隙水、溶洞存水，據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料分析可能存在地下河。

由于該段地下水含量較為豐富，灰?guī)r中裂隙發(fā)育，是溶洞、溶蝕槽、溶蝕溝等不良地質(zhì)發(fā)育巖層，巖溶中充填物為軟塑-流塑狀粘土。從鉆探成井資料可看到溶蝕裂隙水和溶洞存水，但其中從東向西有30m深處溶洞成為干洞，充填粘性土。

3.3 雷達(dá)勘探

為查明該段巖溶的地下分布規(guī)律，給樁基礎(chǔ)的施工提供可靠的工程依據(jù)，避免工程隱患，采用地質(zhì)雷達(dá)方法對(duì)該段進(jìn)行了詳細(xì)勘查，其目的是查明覆蓋層的厚度，巖溶的分布規(guī)律及其填充情況。

使用RAMAC地質(zhì)雷達(dá)、100MHz屏蔽天線、測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為0.3m及0.6m進(jìn)行巖溶勘探。得到的圖像中出現(xiàn)2處明顯的強(qiáng)振幅，剖面上同向軸呈向上凸起的弧形。

結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況，解釋認(rèn)為著2處分別為3×2m的溶洞，埋深約為23m；和一上下層溶洞。經(jīng)過(guò)鉆探驗(yàn)證分別為相同埋深干溶洞和埋深為3m和5.5m，約1.2×1m大小的濕溶洞。

4 結(jié)論

通過(guò)在實(shí)際地段上應(yīng)用探地雷達(dá)對(duì)地下隱伏溶洞的探測(cè)與鉆探驗(yàn)證的對(duì)比，我們得出以下結(jié)論：

1） 探地雷達(dá)在路橋選址以及溶洞探測(cè)工程中有著高效、精確的特點(diǎn)，減少了工作量及工程開(kāi)支。

2） 探地雷達(dá)探測(cè)深度和精度（分辨率）主要與電磁波的頻率有關(guān)。當(dāng)電磁波頻率越高，探測(cè)深度越小，則探測(cè)精度越高；相反，當(dāng)電磁波頻率越高，探測(cè)深度越大，則探測(cè)精度越低。因此在做探測(cè)時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確估算探測(cè)深度，選用合適頻率的電磁波方能達(dá)到最佳效果。

3） 探地雷達(dá)在公路路基質(zhì)量的探測(cè)、路橋的選址、溶洞和地下暗河的查找中有著廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M]，北京：地質(zhì)出版社，1993.

[2]戴前偉，呂紹林，肖彬.地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用條件探討[J]，物探與化探，2000，24（2）：157-159.

[3]王惠濂等.探地雷達(dá)專(zhuān)輯[J].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)[地球科學(xué)]1993，18（3）：249-367.

[4]張虎生，等.地質(zhì)雷達(dá)在瑞金沙州壩巖溶塌陷調(diào)查中的應(yīng)用效果[J].物探與化探，2000，24（6）：459-463.