羅 霄，牛懷俊，李 勇，武小鵬

(1.呼和浩特鐵路局，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

青藏500 kV直流輸電線路工程項(xiàng)目位于青藏高原多年凍土區(qū)腹地，起始于不凍泉，經(jīng)楚瑪爾河高原、可可西里山區(qū)、北麓河盆地到達(dá)風(fēng)火山山區(qū)。該段厚層地下冰、高溫高含冰量多年凍土及不良凍土現(xiàn)象發(fā)育，多年凍土工程地質(zhì)條件復(fù)雜。青藏鐵路的修建，提供了鐵路沿線的凍土情況詳盡、全面的資料。直流輸電線路工程基本平行青藏鐵路，結(jié)合物探、鉆孔，以及青藏鐵路現(xiàn)有的地質(zhì)資料進(jìn)行本次地質(zhì)調(diào)查，探明多年凍土的天然上限，可以提高效率。

1 地質(zhì)雷達(dá)基本原理概述

雷達(dá)工作時(shí)，向地下介質(zhì)發(fā)射一定強(qiáng)度的高頻電磁脈沖(幾十兆赫茲至上千兆赫茲)，電磁脈沖遇到不同電性介質(zhì)的分界面時(shí)即產(chǎn)生反射或散射，探地雷達(dá)接收并記錄這些信號(hào)，再通過進(jìn)一步的信號(hào)處理和解釋即可了解地下介質(zhì)的情況。工作原理見圖1。

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意

只要兩種介質(zhì)之間存在電性差異，電磁波就會(huì)在該界面處產(chǎn)生反射，反射系數(shù)γ見式(1)，電磁波速度ν見式(2)。式中，ν為速度，ε為相對(duì)介電常數(shù)，c為光速，下角標(biāo)1、2分別表示上、下介質(zhì)。因?yàn)椴煌貙与娦砸话愦嬖诿黠@差異，這為地質(zhì)雷達(dá)用于巖土工程勘察提供了前提條件。

2 凍土勘察中雷達(dá)的選型

多年凍土的導(dǎo)電性、介電性質(zhì)是決定探地雷達(dá)技術(shù)方法在多年凍土地區(qū)應(yīng)用效果的物理基礎(chǔ)和前提條件。多年凍土是由巖土顆粒、未凍水、冰等構(gòu)成的介質(zhì)，由于水是良導(dǎo)體，融化層中的水和凍土中的未凍水仍是導(dǎo)電體，凍土中的冰起阻隔作用，使凍土的導(dǎo)電通道大大變長(zhǎng)變窄，因此，凍土的電阻率要比融化層電阻率大好幾倍，凍土的導(dǎo)電性差，融化層的導(dǎo)電性相對(duì)較好，凍土與融化層之間有明顯的電性差異。電阻率的倒數(shù)是電導(dǎo)率，電導(dǎo)率的大小決定著電磁波在介質(zhì)中傳播的能量衰減和介質(zhì)吸收，凍土的電導(dǎo)率小，吸收系數(shù)也小，融化層的電導(dǎo)率相對(duì)較大，吸收系數(shù)相對(duì)也大。

介質(zhì)的介電性質(zhì)一般用相對(duì)介電常數(shù)表示，相對(duì)介電常數(shù)與介質(zhì)的含水率有明確的關(guān)系，也就是說水是相對(duì)介電常數(shù)的主要影響因素。融化層內(nèi)的水一般相對(duì)介電常數(shù)為81，從正溫到負(fù)溫，介質(zhì)的相態(tài)發(fā)生變化，在相態(tài)發(fā)生劇烈變化段內(nèi)，未凍水的含量急劇減小，當(dāng)未凍水基本都變成冰時(shí)，凍土的相對(duì)介電常數(shù)基本上是冰起主導(dǎo)作用，這時(shí)凍土的相對(duì)介電常數(shù)是3.2。凍土和融化層的相對(duì)介電常數(shù)差別比較大，由式(2)可知電磁波速度與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)平方根成反比，因此，凍土的電磁波速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于融化層的電磁波速度，兩種不同介質(zhì)的電磁波速度有明顯的差異。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用LTD-10型探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)。該探地雷達(dá)由一體化主機(jī)、收發(fā)天線及相關(guān)配件、數(shù)據(jù)采集及處理軟件組成，其基本技術(shù)指標(biāo)見表1。2004—2005年，中鐵西北科學(xué)研究院利用該雷達(dá)對(duì)青藏鐵路不凍泉—二道溝間近百個(gè)有代表性的路基斷面進(jìn)行了多次探測(cè)，實(shí)踐證明該雷達(dá)在高原工作性能穩(wěn)定，探測(cè)精度能滿足工程要求。

所以，探地雷達(dá)探測(cè)凍土上限是可行的、有效的，從勘測(cè)效率和費(fèi)用方面來(lái)說，探地雷達(dá)是快速又經(jīng)濟(jì)的一種地球物理勘測(cè)方法。

表1 LTD系列地質(zhì)雷達(dá)基本技術(shù)指標(biāo)

3 凍土勘察中雷達(dá)參數(shù)的選擇和數(shù)據(jù)處理

3.1 雷達(dá)參數(shù)的選擇

雷達(dá)工作參數(shù)是保證物探質(zhì)量的關(guān)鍵因素，也是進(jìn)行內(nèi)業(yè)解釋的重要依據(jù)。物探參數(shù)包括天線中心頻率、時(shí)窗、采樣率、測(cè)點(diǎn)間距以及發(fā)射、接受天線間距等。本次探測(cè)決定對(duì)相關(guān)物理參數(shù)結(jié)合本工程的鉆探資料現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定，具體是對(duì)包括76個(gè)鉆探點(diǎn)在內(nèi)的376個(gè)塔位均進(jìn)行物探，用鉆探資料校正物探參數(shù)，確保探測(cè)數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性。

天線中心頻率是雷達(dá)探測(cè)中最重要的參數(shù)。LTD-10型探地雷達(dá)天線型號(hào)見表2。

表2 LTD-10型探地雷達(dá)天線型號(hào)

針對(duì)本次上限探測(cè)的具體情況，主要從分辨率、穿透力和穩(wěn)定性三個(gè)方面綜合衡量，結(jié)合實(shí)際情況擬選擇100 MHz和25 MHz天線進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，根據(jù)本工程的勘查目的、要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效果最終選擇25 MHz天線進(jìn)行探測(cè)。

3.1.1 測(cè)線布置

探測(cè)時(shí)采用剖面法，以塔位中心為中心、半徑為15 m的圓內(nèi)，取沿線路走向的直徑作為測(cè)線。雷達(dá)主機(jī)放置于測(cè)線旁，采用人工點(diǎn)測(cè)的探測(cè)方式，測(cè)點(diǎn)水平間距為1.0 m，探測(cè)過程中始終保持天線與地面垂直密貼，從測(cè)線的小里程方向依次點(diǎn)測(cè)到測(cè)線末結(jié)束，則每個(gè)塔位一般測(cè)試31個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)采集3次數(shù)據(jù)，則每個(gè)塔位的雷達(dá)剖面一般由93道記錄組成。測(cè)線布置示意圖見圖2。

圖2 測(cè)線布置示意

3.1.2 記錄參數(shù)的確定

在選定測(cè)量天線后，進(jìn)行了記錄參數(shù)選取試驗(yàn)。根據(jù)有關(guān)資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試分析結(jié)果，主要參數(shù)確定如下:

1)介電常數(shù)為7，相應(yīng)的波速為0.12 m/ns;

2)每道包括512個(gè)時(shí)間采樣點(diǎn);

3)采用手動(dòng)測(cè)量方式;

4)天線間距2.0 m;

5)測(cè)點(diǎn)間距1.0 m。

3.2 數(shù)據(jù)處理和分析

數(shù)據(jù)處理采用中國(guó)電波傳播研究所開發(fā)的IDSP5.0探地雷達(dá)處理解釋軟件。處理過程包括預(yù)處理和處理分析。預(yù)處理主要為:①修改文件頭參數(shù);②標(biāo)記和樁號(hào)校正;③剖面翻轉(zhuǎn)和道標(biāo)準(zhǔn)化;④添加標(biāo)題、標(biāo)識(shí)等。處理分析主要包括:①瀏覽整個(gè)剖面，查找明顯的異常;②頻譜分析;③濾波去噪;④振幅調(diào)整;⑤異常特征和面層對(duì)應(yīng)相位分析;⑥剖面修飾等。

4 地質(zhì)雷達(dá)在凍土地質(zhì)勘查的應(yīng)用實(shí)例

確定好探測(cè)參數(shù)以后，首先運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法共同探測(cè)10個(gè)塔位，而后分開各自探測(cè)，每隔9個(gè)塔位相互校核一次。按照此計(jì)劃，則地質(zhì)雷達(dá)共需探測(cè)212個(gè)塔位，每個(gè)塔位探測(cè)點(diǎn)數(shù)30個(gè)，則探測(cè)點(diǎn)數(shù)總計(jì)為212×30=6 360個(gè)。具體見表3:

以Z74塔基為例，對(duì)成果圖做出解釋，見圖3。

表3 雷達(dá)探測(cè)點(diǎn)數(shù)

圖3 Z74塔基地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)解譯成果

通過圖3可以看出:

1)在地表附近，雷達(dá)反射波的波峰波谷形態(tài)基本上沿一水平軸線無(wú)變化，同相軸一致性好，反射波形為低頻全—強(qiáng)寬幅形態(tài);

2)在融化層內(nèi)，反射波形為中頻中振幅波，波行較雜亂;

3)在凍土與融化層附近，反射波形改變，波峰波谷寬度變窄;

4)在凍土層內(nèi)反射波為高頻低振幅波，波形規(guī)則，由淺到深反射波形逐漸衰減。

5 結(jié)論

1)凍土與融化層之間的物理特征存在比較明顯的差異變化，導(dǎo)電性和介電性質(zhì)的較大差別是探地雷達(dá)探測(cè)凍土上限所具備的主要物理基礎(chǔ)和物理前提條件。電磁波由空氣進(jìn)入土層，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射(由于空氣中電磁波傳播速度較快，這時(shí)地面對(duì)應(yīng)的是負(fù)相位)，當(dāng)電磁波由融土進(jìn)入凍土?xí)r，由于融土和凍土之間存在明顯的電性差異，亦會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)剖面相位和幅度發(fā)生變化(由于融土相對(duì)于凍土電磁波傳播速度慢，這時(shí)的凍土上限對(duì)應(yīng)的是正相位)，由此可確定凍土上限位置。

2)地質(zhì)雷達(dá)法雖然具有快速、無(wú)損的特點(diǎn)，但影響地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的因素也很多，如介質(zhì)物理性質(zhì)的不均勻性、工作頻率與探測(cè)深度的矛盾、探測(cè)深度與探測(cè)精度的矛盾、電磁波的散射和衍射、多次波及雜波、能量發(fā)散、空間信息量少等因素均在不同程度上制約著探測(cè)結(jié)果的好壞。同時(shí)由于多年凍土的復(fù)雜性，對(duì)探測(cè)結(jié)果影響也很大，有時(shí)可能使圖象失真，這為解釋工作增加了很大困難，往往使結(jié)果帶有誤差。因此，建議在設(shè)計(jì)中緊緊結(jié)合鉆孔和已有地質(zhì)資料，并始終貫穿動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修改，以確保輸電線路塔基設(shè)計(jì)的合理與安全。

［1］陜西電力設(shè)計(jì)院，中鐵西北科學(xué)研究院有限公司.格爾木～拉薩±500 kV直流輸電線路工程(不凍泉～風(fēng)火山段)巖土部分巖土工程勘察報(bào)告［R］.陜西電力設(shè)計(jì)院，中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，2009.

［2］張魯新，熊治文，韓龍武.青藏鐵路凍土環(huán)境與凍土工程［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］李大心.探地雷達(dá)技術(shù)和應(yīng)用［M］.北京:地質(zhì)出版社，1994.

［4］姚云泉，張新剛.探地雷達(dá)在世界之窗站隧道中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2010(8):70-73.

［5］熊昌盛，李晉平，陳輝，等.地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)鐵路隧道襯砌質(zhì)量的效果驗(yàn)證［J］.鐵道建筑，2011(11):32-34.