地質(zhì)雷達(dá)在埋置物截面形狀和尺寸正演分析中的應(yīng)用

劉冰洋， 杜智超， 尹 迪， 李潤(rùn)斌， 楊雨軒

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， ?？?570228； 2.北京交通大學(xué) 海濱學(xué)院， 河北 滄州 400045；3.天津師范大學(xué) 基建處， 天津 300387)

伴隨著長(zhǎng)期復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的演進(jìn)和人為活動(dòng)的開展，在地下有天然地質(zhì)體和人為埋置物存在[1]。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，人們對(duì)于能源的需求不斷的增長(zhǎng)，這就導(dǎo)致人們對(duì)于土地資源的開發(fā)不斷深入[1-2]。當(dāng)然，埋置物的存在會(huì)對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施和建(構(gòu))筑物的順利建設(shè)和安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

地質(zhì)雷達(dá)是一種無損的地球物理探測(cè)技術(shù)。由于本身具有探測(cè)精度高等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域[3]。地下考古調(diào)查是一個(gè)典型的代表[4-6]。對(duì)于水利工程而言，大壩擋墻內(nèi)部的侵蝕、結(jié)構(gòu)隱藏的缺陷處以及地下水分布特征均有應(yīng)用[7-12]。從中獲取的可靠數(shù)據(jù)對(duì)于結(jié)構(gòu)本身的合理改造以及安全管理提供了科學(xué)的依據(jù)。在地質(zhì)調(diào)查過程中，其被用于埋藏地質(zhì)體的定位，近地表斷層的調(diào)查[13-27]。包括：溶洞和天坑分布特點(diǎn)的探測(cè)、巖土體性質(zhì)以及含水率的變化，這對(duì)于控制災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生發(fā)揮著越來越重要作用[28-29]。在土木工程方面，巖質(zhì)邊坡內(nèi)部裂縫的繪制，已有建筑物和道路地基穩(wěn)定性的評(píng)估，水下橋墩周圍沖刷坑的調(diào)查中取得良好的效果[30-33]。

通過上面的闡述可以看出，地質(zhì)雷達(dá)在實(shí)際工程中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，并取得了豐碩的研究成果和經(jīng)濟(jì)利益。不過，通過二維地質(zhì)雷達(dá)圖像的正演分析對(duì)于埋置物的形狀，尤其是尺寸范圍進(jìn)行界定相對(duì)較少。于是，本文以地質(zhì)雷達(dá)為工具，選取重慶市三個(gè)典型的橋涵實(shí)例，開展了對(duì)于埋置物截面形狀和尺寸的正演分析。對(duì)于埋置物截面的地質(zhì)雷達(dá)圖像形狀和尺寸的響應(yīng)特征進(jìn)行了總結(jié)。提出了以圖像衍射曲線的頂點(diǎn)坐標(biāo)以及水平反射圖像的變化為依據(jù)，確定埋置物截面形狀和尺寸范圍的方法。并通過圖像確定的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證了方法的有效性。

1 地質(zhì)雷達(dá)基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是通過高頻電磁波傳播的一種物探方法[34-35]。一個(gè)典型的地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)由筆記本電腦、DAD控制單元以及天線組成(如圖1所示)。在整個(gè)勘探過程中，發(fā)射的電磁波在介質(zhì)中傳播，由于介質(zhì)自身性質(zhì)的不同，在不同的材料之間的界面發(fā)生反射。反射信號(hào)被接收后用于圖像的儲(chǔ)存和處理。整個(gè)作用過程如圖2所示。

圖2 電磁波傳播示意圖

地質(zhì)雷達(dá)在勘測(cè)過程中的相關(guān)系數(shù)，可以運(yùn)用下列方程進(jìn)行計(jì)算：

第一 在介質(zhì)中傳播的速度v (單位：m/s)，計(jì)算式為：

v=c/εr1/2

(1)

其中，c為光在真空中傳播的速度(單位為m/s)，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)(可以采用表1中給出的建議值)。

第二 反射系數(shù)R，可以通過相鄰介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)計(jì)算得到：

R=εr11/2-εr21/2/εr11/2+εr21/2

(2)

其中，εr1和εr2為兩種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

第三 埋置物的深度h(單位：m)， 可以通過傳播速度和雙向傳播時(shí)間計(jì)算得到：

h=vt/2

(3)

其中，v為電磁波在介質(zhì)中傳播的速度，t為電磁波的雙向傳播時(shí)間。

表1 不同物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

2 地質(zhì)雷達(dá)圖像的采集與解譯

2.1 地質(zhì)雷達(dá)圖像的采集

根據(jù)探測(cè)埋置物尺寸的差異，分別選用80 MHz和400 MHz天線完成連續(xù)勘測(cè)，配套使用的數(shù)據(jù)采集RIS軟件由意大利IDS公司生產(chǎn)。圖像的采集均為沿著平行于道路方向的測(cè)線完成。在圖像采集過程中，保持天線與地面緊貼，以保證采集圖像的準(zhǔn)確性。對(duì)于取得二維地質(zhì)雷達(dá)圖像運(yùn)用GresWin2軟件進(jìn)行處理，處理的一般操作步驟為：①帶通濾波；②去除直達(dá)波；③背景噪音去除；④線性增益；⑤平滑增益。在實(shí)際處理過程中，為了取得清晰準(zhǔn)確的圖像，上述處理操作的組成和操作的先后順序可以進(jìn)行必要的調(diào)整。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)圖像的解譯

圖3(a)為涵洞1的圖片，通過出露面可以確定地層結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)環(huán)境特征。上覆路面為混凝土路面，下伏基巖為砂巖，在涵洞下面有小河通過。區(qū)域A(圖2(a))的植被相過較為發(fā)育，區(qū)域B、C在結(jié)構(gòu)上存在破損。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，上覆混凝土路面厚度為0.2米，涵洞頂點(diǎn)距離路面的距離為1.24米，跨度為3.23米(如圖3(b)所示)。

圖4為涵洞1截面的二維地質(zhì)雷達(dá)圖像，圖像為沿著平行于道路的測(cè)線，通過連續(xù)勘測(cè)取得。電磁波對(duì)于具有不同介電常數(shù)的物質(zhì)的反映具有明顯的差異性。由于巖土體巖性的變化，在二維圖像在深度0.2米處出現(xiàn)了不連續(xù)，從而可以確定交界面L1的存在，這與實(shí)際路面與基巖面的交界面的空間位置相吻合(圖3(b))。將圖中標(biāo)記的B、C區(qū)域出現(xiàn)同向軸錯(cuò)斷，表示了實(shí)際結(jié)構(gòu)上的破損(圖3(a)的區(qū)域B、C)。在涵洞的頂部形成衍射雙曲線(圖4中的紅色曲線)，由于在涵洞和水流之間有空氣存在會(huì)形成與涵洞頂部無關(guān)的衍射(圖4中的綠色曲線)。通過衍射曲線頂點(diǎn)的標(biāo)記數(shù)據(jù)可以看出埋置深度位于地面以下1.24米，這與實(shí)際的尺寸相吻合。由于水具有高的相對(duì)介電常數(shù)，電磁波在傳播過程中衰減程度較高(圖4中的區(qū)域D)。另外，由于基巖表面植被較為發(fā)育，有大量植被覆蓋，所以，向下傳播的電磁波被弱化，在地質(zhì)雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為圖像局部區(qū)域的同向軸錯(cuò)斷(圖4中的區(qū)域A)。

圖3 涵洞1

圖4 處理后的涵洞1的地質(zhì)雷達(dá)二維圖像

圖5 涵洞2

涵洞2的基巖為致密的砂巖，涵洞的形狀為不規(guī)則的四邊形。通過實(shí)際調(diào)查其距離測(cè)試點(diǎn)起點(diǎn)的水平距離、埋深以及具體尺寸等信息如圖5(b)所示。從測(cè)得的二維地質(zhì)雷達(dá)圖像中，可以圈定異常區(qū)域E。為了進(jìn)一步確定截面的尺寸與范圍，通過圖像的處理，在不規(guī)則區(qū)域的拐點(diǎn)，會(huì)形成衍射雙曲線，標(biāo)記出雙曲線的頂點(diǎn)，并將其與坐標(biāo)軸數(shù)值相對(duì)應(yīng)可以確定四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為：F(1.8, 1.04), G(2.15, 1.04), H(1.75, 1.6), I(2.23, 1.6)。將這四個(gè)點(diǎn)連接，可以確定異常截面的范圍,將通過圖像解譯得到的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果對(duì)比，吻合度較高。

涵洞3為埋置于土層0.5米以下的直徑為0.35米的混凝土管，其周圍為植被所包圍(如圖7(a))。圖7(b)給出了沿著測(cè)線方向截面的空間位置與自身的尺寸。由于空氣、混凝土以及巖土體之間的介電常數(shù)存在著差異性，衍射圖像出現(xiàn)黑-白-黑的雙曲線的交替。忽略介質(zhì)的極化和擴(kuò)散效應(yīng)，成對(duì)出現(xiàn)的雙曲線頂點(diǎn)間的距離代表混凝土管的直徑。依據(jù)峰值點(diǎn)L(1.2,0.5)和M(1.2,0.85)的坐標(biāo)，埋置物埋深0.5米，直徑0.35米，距離測(cè)量起點(diǎn)的位置為1.2米。由圖像分析得到的位置和尺寸與截面分布的空間位置相吻合。此外，圖像顯示在埋深0.95米處有異常區(qū)域K出現(xiàn)。通過上面的規(guī)律可以初步判定，在深度為0.95米處還有另外的埋置物存在，埋置物的截面形狀為圓形，截面直徑為0.24米。

圖6 涵洞2的地質(zhì)雷達(dá)圖像

圖7 涵洞3

3 結(jié)論與展望

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在地面以下的傳播過程中，當(dāng)遇到埋置物時(shí)會(huì)形成衍射與繞射現(xiàn)象，進(jìn)而形成不同的二維地質(zhì)雷達(dá)圖像。而這些差異性與傳播介質(zhì)性質(zhì)及埋置物形狀、尺寸的變化息息相關(guān)。從傳播介質(zhì)性質(zhì)的角度來看，通過二維地質(zhì)雷達(dá)圖像水平的同軸錯(cuò)斷和波形的變化可以確定不同巖土層的交界面。當(dāng)環(huán)境相對(duì)潮濕且有植被覆蓋時(shí)，電磁波具有較大程度的衰減。尤其當(dāng)傳播介質(zhì)為水時(shí)，電磁波幾乎無法繼續(xù)向下傳播。從埋置物截面形狀的角度來看，當(dāng)埋置物截面為弧形時(shí)，會(huì)形成單支衍射雙曲線。

當(dāng)埋置物截面為圓形時(shí)，會(huì)在截面的頂部和底部形成成對(duì)的衍射雙曲線。當(dāng)截面為不規(guī)則的四邊形時(shí)，在不規(guī)則圖形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)會(huì)形成衍射單支雙曲線。

通過以圖像衍射曲線的頂點(diǎn)坐標(biāo)以及水平反射圖像的變化為依據(jù)，可以確定埋置物截面的范圍。為了驗(yàn)證確定方法的有效性，將通過圖像確定的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，對(duì)于規(guī)則性的圖形結(jié)果的吻合度較高。對(duì)于不規(guī)則的四邊形具有一定的誤差，不過，誤差值僅有2 mm。所確定的方法具有簡(jiǎn)便、快捷、準(zhǔn)確度較高等特點(diǎn)，有利于實(shí)際工程的應(yīng)用。

通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察可以得到包括高程在內(nèi)的相關(guān)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將鉆孔信息與地質(zhì)勘察的出露巖土體的信息結(jié)合可以對(duì)于巖土體的性質(zhì)進(jìn)行真實(shí)的描述。另外，通過正交分布的二維地質(zhì)雷達(dá)圖像的解譯可以對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的空間特征做出較為客觀的反映。將上述三種方法相結(jié)合可以較為準(zhǔn)確地確定三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，這將為相關(guān)研究工作的開展和實(shí)際工程的分析提供必要的前提，筆者認(rèn)為從工程實(shí)際的角度來看這是未來的一個(gè)發(fā)展方向。

圖8 涵洞3的地質(zhì)雷達(dá)圖像