大深度探地雷達(dá)在礦區(qū)污水調(diào)節(jié)庫(kù)大壩無損檢測(cè)中的應(yīng)用

楊承志

（江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，江西 南昌 330038）

1 探地雷達(dá)的原理

探地雷達(dá)法（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR）是一種利用頻率介于106Hz～109Hz的無線電磁波確定地下介質(zhì)分布的一種勘探方法。由于采取的是高頻、短脈沖、寬頻帶和高速采樣技術(shù)，所以它探測(cè)精度高于其他普通的地球物理勘探手段[1]。

該方法是利用發(fā)射天線向地下的媒質(zhì)發(fā)射廣譜、高頻電磁波，由于發(fā)射天線發(fā)射出來的電磁波在地下傳播過程中由于介質(zhì)介電常數(shù)存在的差異從而在分界面處發(fā)生反射并被接收天線接收。采用的儀器通過對(duì)接收的數(shù)據(jù)，包括接收電磁波的振幅、相位、波形及雙旅程時(shí)等其他參數(shù)來進(jìn)行處理分析，然后結(jié)合工程地質(zhì)情況再確定地面下目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)、位置及形態(tài)等特征[2]。

如圖1所示，電磁波在地面下介質(zhì)特性(電特性)不同的界面上經(jīng)過反射而返回地面。電磁波在傳播過程中，由于它的路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形特征將隨所通過介質(zhì)的電質(zhì)性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化，而產(chǎn)生不同程度的變化，根據(jù)回波信號(hào)的形狀、時(shí)延和頻譜特性等參數(shù)，來解譯出目標(biāo)體的深度、性質(zhì)及介質(zhì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于，在數(shù)據(jù)處理方面，我們通過應(yīng)用數(shù)字圖像的恢復(fù)及重建技術(shù)，對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行成像處理，來達(dá)到對(duì)地下目標(biāo)體的真實(shí)及直觀的再現(xiàn)過程。一般情況，電介質(zhì)的電性差異的及電磁波在不同介質(zhì)中的衰減變化程度，決定了所采取探地雷達(dá)方法的有效性。如圖1所示，R是接收天線，T是發(fā)射天線，X為天線之間的距離，V是電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度，H是反射面到地面上的深度，由它們的幾何關(guān)系我們可以 得到電磁波的雙旅程時(shí)間。

圖1 探地雷達(dá)檢測(cè)原理示意圖

因此,只要估計(jì)地下介質(zhì)合理的相對(duì)介電常數(shù)，或通過已知深度目標(biāo)體求得電磁波在地下的傳播速度，并結(jié)合探地雷達(dá)獲得電磁波從發(fā)射到接收的雙程旅行時(shí)間，就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得反射界面或是探測(cè)目標(biāo)體的深度。

常見的地下相對(duì)介電常數(shù)和電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度如下表1所示。

表1 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電磁波波速

探地雷達(dá)法數(shù)據(jù)采集的方式主要包括兩種：剖面法（CDP）和寬角法（WARR）。剖面法是將接收天線和發(fā)射天線以固定的間隔距離沿著一根測(cè)線同步移動(dòng)的測(cè)量方法，在此過程中，獲取與地表測(cè)線相一致的地下剖面的圖像，它是一種最常用的探測(cè)方法，也是本次檢測(cè)中采用的測(cè)量方法。寬角法是采用一個(gè)天線固定，而另一天線不停地移動(dòng)的方式，或是兩天線陡同時(shí)沿著其中心點(diǎn)向兩側(cè)地反向相同距離地移動(dòng)，在這個(gè)過程中，儀器記錄地下不同層面地反射電磁波雙旅程時(shí)間，這種方法主要是用來獲得地下介質(zhì)的電磁波速度和反射面的深度。

并且，在運(yùn)用的理論中由于電磁波會(huì)向地下介質(zhì)傳播的特性，傳播中的能量會(huì)逐漸衰減從而使得獲得的反射信號(hào)不斷會(huì)減弱，電磁波頻率越高能量衰減越快，同時(shí)我們將電磁波能量衰減至原來的1/e時(shí)，所獲得的深度稱為有效深度。由于各種干擾波、地表不平和地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性等因素，結(jié)合不同頻率探地雷達(dá)天線的特點(diǎn)及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)出如下不同頻率雷達(dá)天線的勘探深度。

2 儀器設(shè)備

針對(duì)大壩檢測(cè)干擾大、精度要求高的特點(diǎn)，本文采用加拿大sensors & software公司（SSI）于2018年最新研制開發(fā)的新型Ultra pulseEKKO系列大深度探地雷達(dá)系統(tǒng)，該套探地雷達(dá)具有發(fā)射功率高（最高電壓1000V）、勘探深度大（最大深度100m）、疊加次數(shù)高（最大疊加次數(shù)65536）、抗干擾能力強(qiáng)、收發(fā)分離擴(kuò)展功能多等特點(diǎn)。同時(shí)可以根據(jù)場(chǎng)地施工需求選擇搭載50MHz、100MHz、200MHz非屏蔽收發(fā)分離式天線，如下圖2所示。

圖2 Ultra pulseEKKO系列大深度探地雷達(dá)系統(tǒng)

Ultra pulseEKKO系列大深度探地雷達(dá)系統(tǒng)是目前全球有效勘探深度最大，疊加次數(shù)最高，應(yīng)用范圍最廣泛的探地雷達(dá)之一。

3 數(shù)據(jù)處理

受各種干擾波、地表不平和地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性等因素使得由地下管線空洞、塌陷、松散引起的有效信號(hào)與干擾信號(hào)混雜在一起，造成記錄的圖像會(huì)難于解釋，所以我們應(yīng)首先對(duì)GPR法采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理的手段主要有：頻率域?yàn)V波、信號(hào)預(yù)處理、頻率域?yàn)V波、空間域?yàn)V波和二維濾波、調(diào)整成圖參數(shù)和信號(hào)增強(qiáng)處理等；在此過程中，根據(jù)判讀波形和追蹤反射波組的同相軸，并通過合理地解譯來恢復(fù)真實(shí)的地下結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

3.1 信號(hào)預(yù)處理

信號(hào)預(yù)處理主要包含兩個(gè)環(huán)節(jié)：①根據(jù)班報(bào)記錄對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)拼接和測(cè)線方向反轉(zhuǎn)，并根據(jù)綜合測(cè)線進(jìn)行統(tǒng)一的樁號(hào)修正；②進(jìn)行信號(hào)的去直流漂移及去低頻漂移處理（圖4）。

圖4 去信號(hào)漂移的前后對(duì)比圖

3.2 頻率域?yàn)V波

頻率域?yàn)V波主要包括高通濾波、低通濾波及帶通濾波，其濾波參數(shù)的選取依據(jù)為信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后的頻譜圖。其中高通濾波可壓制低頻噪聲，低通濾波可壓制高頻噪聲。在各類環(huán)境噪聲中，由于低頻噪聲比高頻噪聲衰減更慢、影響區(qū)域更大，因此對(duì)于主頻大于100MHz天線的數(shù)據(jù)應(yīng)主要考慮高通濾波壓制低頻噪聲，而對(duì)于本次可能采用的50MHz低頻天線應(yīng)主要考慮使用帶通濾波同時(shí)壓制低頻和極低頻噪聲[3]。

帶通濾波器的設(shè)計(jì)包括高截、高通、低通、低截共四個(gè)參數(shù)，其參考值分別為天線主頻的40%、80%、120%、160%。

3.3 空間域?yàn)V波

常見的空間域?yàn)V波算法包括：平滑濾波、背景水平道消除、反卷積等。在進(jìn)行地質(zhì)分層等層狀介質(zhì)模型的數(shù)據(jù)處理中可適當(dāng)采用矩形窗平滑濾波，以保證波形同相軸的連續(xù)可追蹤性。當(dāng)出現(xiàn)明顯水平道干擾時(shí)應(yīng)采用背景消除，若同時(shí)需進(jìn)行地質(zhì)層面解譯時(shí)，其濾波窗口長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)置為“全通”。當(dāng)反射信號(hào)弱、數(shù)據(jù)信噪比低時(shí)，不宜對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反卷積[4]。

3.4 二維濾波

二維濾波即采用FK或克希霍夫算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移歸位處理，主要應(yīng)用于壓制極強(qiáng)的空間電磁干擾（如高壓線等）的繞射波。其擬合速度可通過拾取干擾波的繞射弧獲取[5]。

3.5 調(diào)整圖像顯示參數(shù)

雷達(dá)圖像的顯示參數(shù)包括增益調(diào)整、時(shí)深轉(zhuǎn)換、圖像屬性編輯及輸出等。其中增益調(diào)整通過設(shè)置起始增益值、最大增益值及衰減度來控制，衰減度變量嚴(yán)格按照指數(shù)規(guī)律設(shè)置，從而確保的增益后信號(hào)的真實(shí)性[6]。時(shí)深轉(zhuǎn)換根據(jù)工作區(qū)鉆孔資料及其他先驗(yàn)資料進(jìn)行速度標(biāo)定，再利用該速度對(duì)測(cè)區(qū)其余測(cè)線進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換[7]。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文選用永平某礦區(qū)污水調(diào)節(jié)庫(kù)大壩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探測(cè)，該壩主要為土壩結(jié)構(gòu)，壩頂及壩側(cè)面采用石塊進(jìn)行堆砌。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解，該壩存在滲漏情況，需要查明壩體滲漏的位置及情況。

4.1 不同頻率天線對(duì)比

本次大壩探測(cè)采用了50MHZ和100MHZ兩種天線進(jìn)行對(duì)比探測(cè)，見圖5、圖6，從兩種不同天線采集的數(shù)據(jù)分析，可以看出，兩天線的圖件形態(tài)基本一致，都大致反應(yīng)了大壩的分層情況。從50MHZ圖可以看出，10m以淺的信號(hào)相對(duì)于100MHZ天線，信號(hào)更弱，相對(duì)而言，高頻天線采集的淺部信息更加豐富。

圖5 50MHZ天線

圖6 100MHZ天線

4.2 壩體解譯

根據(jù)鉆孔資料及探地雷達(dá)物探成果圖7，可推測(cè)此剖面的覆蓋層厚2.1m～4.8m，全風(fēng)化層厚度厚度3.1m～5.9m，強(qiáng)風(fēng)化混合巖層厚度6.4m～7.2m，下伏為中風(fēng)化混合巖層。在平距16.0m～21.9m，埋深105.5m～99.6m處，原本連續(xù)均勻的同相軸突然中斷消失或雜亂，內(nèi)部波形雜亂，繞射波較多，推測(cè)為疏松體，后期經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，該處確實(shí)為松散體。

圖7 壩體物探成果圖

5 結(jié)論

地質(zhì)雷達(dá)法是目前一種快速并高效的無損檢測(cè)方法，可廣泛地應(yīng)用在大壩檢測(cè)，應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)不但可以探測(cè)壩體的地層結(jié)構(gòu)分布情況，還可以用于壩體滲漏情況的質(zhì)量檢測(cè)中。通過探測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)地下病害體，為工程治理提供依據(jù)。