地質雷達在凍土地區(qū)輸電線路中的應用

單 波，段 毅，王延輝，饒 虎

(西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710032)

隨著國家建設的不斷推進，為了促進偏遠地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，鐵路、電力等基礎行業(yè)的業(yè)務也在這些地區(qū)逐漸開展，在各個項目的工程勘察中，物探手段以其便利、快捷、經(jīng)濟等諸多優(yōu)點被廣泛使用，而地質雷達更以其輕便、適應性強等特點被各個領域逐步推廣使用。

在電力等行業(yè)的線路工程中，高海拔地區(qū)經(jīng)常需要穿越凍土區(qū)域，而凍土發(fā)育情況是必須勘察了解的內容，地質雷達探測在這一方面可以較好的滿足工程需要, 國內的同行將地質雷達應用在凍土方面做了許多工作，取得了良好的效果。

1 凍土區(qū)輸電線路地質雷達探測分析

高海拔的輸電線路所穿越的地帶海拔高，氣候嚴寒，島狀凍土、多年凍土發(fā)育，而凍土由于具有熱穩(wěn)定性差、厚層地下冰和高含冰量凍土所占比重大、對氣候變暖反應極為敏感以及水熱活動強烈等特性，對路徑優(yōu)化、塔基定位、基礎設計以及施工、運行等帶來一系列難題。

1.1 地質雷達探測機理

地下不同部位的地質體在形成與演化過程中，由于其所處的地質、地理溫度場、水分場等各種外部環(huán)境的不同，造成了地質體在構造、組構成份上會發(fā)生很大的差異、所表現(xiàn)出的各種物理性質(包括地質體的電性、密度、彈性、磁性等特征)自然會有很大的不同，地質雷達探測方法正是利用和通過對地質體的這種物性差異的探測，間接達到對地下介質情況勘探和了解的目的，在多年凍土區(qū)開展的凍土物探工作也正是基于同樣的原理。

在多年凍土區(qū)，隨著外界溫度的變化會引起地下溫度梯度的變化，導致土體中所含水分的遷移凍結和變化，引起冰在地質體中的不同部位以不同形式進行富集或消散，形成不同的凍土類型，凍土的這種形成和動態(tài)變化對地質體的物理性質產(chǎn)生突出的影響，由于凍結影響，介質的介電常數(shù)發(fā)生明顯的改變，從表1可以看出，一般土質的介電常數(shù)在15左右，電磁波速在0.08m/ns左右，而冰的介電常數(shù)約為3，電磁波速在0.16m/ns左右，因此土層凍結后由于介電常數(shù)發(fā)生顯著變化，導致傳播速度也發(fā)生極大的改變，同時由于凍結后電池衰減極小，不會像土層一樣存在較大的電磁吸收、損耗引起的損失，所以探測深度也會相應增加。

輸電線路沿線凍土按照巖性可分為兩類，一類是以第四系坡積、殘坡積、洪積物組成的非成巖性凍土，另一類是已成巖性凍土，如泥巖、砂巖、板巖、花崗巖等。

非成巖凍土，由于孔隙度、透水性，地下水運移后含水量的不同，凍結前后物理性質存在較大的差異，而含冰量的不同也會使物理性質存在較大的差異。成巖型凍土(如砂巖、板巖及花崗巖等)在凍結前后差異要小于非成巖凍土凍結前后，但某些巖石如泥巖，由于凍結前后其物理性質截然不同，會造成顯著物性差異，因此用地質雷達方法是可以有效解決凍土問題。

下面通過地質雷達在青海玉樹地區(qū)和新疆天山地區(qū)的凍土區(qū)的探測結果分別進行分析，以達到判別凍土發(fā)育狀況的目的。

表1 各種介質的介電常數(shù)與速度

1.2 青海玉樹地區(qū)

輸電線路所在區(qū)位于青藏高原的東南部，線路自東北向西南穿越青藏高原三江源區(qū)黃河流域北部的廣大地區(qū)，地形地貌復雜多變。

該地區(qū)主要分布有島狀不連續(xù)多年凍土、大片連續(xù)多年凍土及多年凍土融區(qū)三種類型。凍土有少冰－多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土、含土冰層以及季節(jié)凍土等多種類型。

本次現(xiàn)場工作期間地質雷達儀器采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMACII型，天線采用中心頻率為100MHz的屏蔽天線。

本次主要工作參數(shù)如下。

(1)時間窗口：由于探測深度要求較深，所以100 MHz天線時窗取420 ns。

(2)采樣率：本次試驗采用10倍天線中心頻率作為采樣頻率，100 MHz天線采樣頻率為1000 MHz。

(3)疊加次數(shù)：在滿足任務及進度要求前提下，疊加次數(shù)均選取128次疊加。

1.2.1 實例1

該數(shù)據(jù)采集地點位于線路經(jīng)過的青藏高原凍土區(qū)域的沖洪積扇地貌單元。原始數(shù)據(jù)剖面見圖1，從圖中可以看到清晰連續(xù)的多組同相軸，同時幾組波形之間存有明顯的差異，因此初步判斷地下介質可以分為幾個巖性層。

由于線路沿線地區(qū)地形地貌多變，巖性差異很大，因此統(tǒng)一使用從地質雷達地層速度庫中查找的地層速度便不太嚴謹，如果使用該速度，往往導致在剖面中進行時深轉換時產(chǎn)生較大的地層深度差異，有時甚至會引起嚴重的錯判。

因此，為了得到真實的地層速度，對該測點采用共中心點方法(CMP)進行速度分析，獲得該測點地層速度大約為0.06 m/ns，經(jīng)過對剖面進行處理分析、地質分層，然后采用該地層速度進行時深轉換獲得的剖面見圖2。從圖中可以看出剖面大致分為3層，具體頂?shù)咨疃纫姳?中的物探分層深度，由于地層界面有起伏，該表只給了大概的平均深度。

后來鉆機對該測點進行了鉆孔驗證，鉆孔位置在地質雷達剖面的28 m處左右，結果見表2中的鉆孔分層深度和巖性，從表中可以看出，排除誤差和地質雷達分辨率因素，從地層的劃分上地質雷達與鉆孔結果基本一致，在通過速度分析獲得準確的地層速度的情況下，時深轉換后地層深度的劃分也是與鉆孔結果吻合的。

圖1 實例1原始剖面

圖2 實例1分層剖面

表2 實例1地質雷達與鉆孔成果對照表

1.2.2 實例2

該數(shù)據(jù)的采集地點位于線路經(jīng)過的凍土區(qū)域的低山丘陵區(qū)。原始數(shù)據(jù)剖面見圖3，從圖中可以看出，剖面的上下不同深度的能量差異較大，也就暗示存在多組介電常數(shù)差異，對應多個不同巖性地層。

對該測點采用共中心點方法(CMP)進行速度分析，獲得該測點地層較為準確的地層速度大約為0.08 m/ns，把該速度應用到原始剖面并進行分層處理，進行時深轉換獲得的剖面見圖4，可以看出剖面大致可以為4層，具體頂?shù)咨疃纫姳?中的物探分層深度，該表同樣也只給了大概的平均深度。

后在地質雷達剖面的24 m處進行鉆孔驗證，得到鉆探結果見表3中的鉆孔分層深度和巖性，從表中可以看出，在地層的劃分上地質雷達與鉆孔結果基本一致，在進行速度分析選取合適的地層速度的情況下，時深轉換后地層深度的劃分與鉆孔結果相比也是令人滿意的。

圖3 實例2原始剖面

圖4 實例2分層剖面

表3 實例2地質雷達與鉆孔成果對照表

1.3 新疆天山地區(qū)

某輸電線路工程穿越新疆天山山脈，沿途經(jīng)過多種地貌單元，發(fā)育多年凍土、島狀凍土等多種形態(tài)，為掌握本地區(qū)的凍土發(fā)育情況選用地質雷達方法進行勘察。

本次現(xiàn)場工作期間地質雷達儀器采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20型，天線采用低頻組合天線。

本次主要工作參數(shù)如下。

(1)時間窗口：考慮到天線頻率與探測深度的關系，80 MHz天線時窗取190 ns；40 MHz天線時窗取480 ns。

(2)天線間距：2 m；測點點距：0.2 m。

(3)疊加次數(shù)：在滿足任務及進度要求前提下，疊加次數(shù)均選取32次疊加。

1.3.1 實例3

該數(shù)據(jù)采集地點位于多年凍土區(qū)及冰川作用強烈影響區(qū)，地貌單元為高山，地形起伏較大，地勢開闊，海拔高度在3000 m左右。該段地層巖性主要為第四系冰水沉積層碎石、塊石，下伏石炭紀花崗巖。

原始剖面見圖5左側部分，可以看到剖面上下振幅、頻率等差異明顯，初步判斷為巖性界面，根據(jù)周圍地形地貌和處理分析分層結果見圖5右側部分，經(jīng)過速度分析獲得該測點地層速度為0.12 m/ns，基本符合基巖區(qū)的地層速度，因此最終解釋結果：上層為塊石、下層為基巖(凍結層)，塊石的深度劃分為剖面中劃線部分。該結論與巖土勘探、地質調查結果基本一致。

圖5 實例3分層剖面

1.3.2 實例4

該數(shù)據(jù)采集地點位于在島狀凍土區(qū)域，地貌為山坡腳下，從塔位基礎周邊環(huán)境不能直接判斷地層是否為凍土。該段地層巖性主要為第四系殘坡積粉質粘土，下伏志留系板巖。

80 MHz天線采集原始剖面見圖6左側部分；40 MHz天線采集原始剖面見圖7左側部分，經(jīng)過對比分析，可以清晰的看到在90～120 ns之間80 MHz與40 MHz天線均存在一個非常強烈振幅的同相軸，并且該同相軸下面振幅較弱且均一，而在約210 ns附近也存在振幅相對較強的同相軸，經(jīng)過處理分析，并依據(jù)該測點的地貌特點給出分層結果見圖6、圖7右側部分。

后在對應地質雷達剖面14 m處進行鉆孔驗證，鉆探結果見表4，可以看出與地質雷達解釋結果基本一致，對于凍土這一特定地層地質雷達不僅可以有效進行地層劃分和深度解譯，也可以通過介電常數(shù)導致的振幅能量差異和凍土內部結構均一等特點來判斷其巖性特征。

圖6 實例4 80 MHz天線分層剖面

圖7 實例4 40 MHz天線分層剖面

表4 實例4地質雷達與鉆孔成果對照表

2 結論

結合上述的實例分析可以看出，通過地質雷達探測方法在青海玉樹地區(qū)、新疆天山地區(qū)輸電線路應用的綜合分析，對不同地區(qū)的沿線不同凍土類型進行有針對性的勘察，并與鉆探成果對比分析，可以達到以下判識目的：(1)劃分地層，確定島狀凍土的上限；(2)對含冰量不同的含冰凍土、含土冰層等凍土進行有效劃分，區(qū)分多年凍土類型。

因此地質雷達探測方法可以有效解決凍土這一特殊土中出現(xiàn)的一些勘察問題，為工程地質等提供定性和定量的技術參數(shù)、解釋結果，滿足設計、施工的需求。

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