張璐

（重慶南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶 401147）

前言

探地雷達(dá) (GroundPenetratingRadar簡稱GPR)測試技術(shù)是利用高頻電磁脈沖波的反射探測地下目的體分布形態(tài)及特征的一種方法早在1910年德國人Leimbach和Lwy就在一份德國專利中闡明了探地雷達(dá)的基本概念。1926年Hülsenbeck首次利用電磁脈沖技術(shù)研究地下巖性構(gòu)造并獲得成功，此后近40a探地雷達(dá)技術(shù)有了很大改進(jìn)，但由于地下介質(zhì)比空氣具有強(qiáng)得多的衰減特性而且波在地下介質(zhì)中的傳播比在空氣中要復(fù)雜得多，所以它僅限于研究介質(zhì)，相對均勻?qū)﹄姶挪ㄎ蘸苋醯牡刭|(zhì)環(huán)境如極地冰層淡水湖泊沙漠及巖鹽等介質(zhì)，EvansS于1963年用探地雷達(dá)測量了極地冰層的厚度，ProcelloLT于1974年用探地雷達(dá)研究月球表面結(jié)構(gòu)，Unbterberger探測了冰川和冰山的厚度等這其中AnnanAP等許多學(xué)者作了大量的理論及試驗(yàn)研究工作為這一技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。70年代以后隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展及現(xiàn)代處理技術(shù)的應(yīng)用許多商業(yè)化的探地雷達(dá)系統(tǒng)先后問世，其中具代表性的有美國地球物理探測設(shè)備公司(GSSI)的SIR系統(tǒng)加拿大探頭及軟件公司(SSI)的pulseEKKO系列瑞典地質(zhì)公司(SGAB)的RAMAC鉆孔地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)及日本應(yīng)用地質(zhì)株式會(huì)社(OYO)的GEORADAR系列等，與此同時(shí)探地雷達(dá)的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大已經(jīng)覆蓋了考古，礦產(chǎn)資源勘查，巖土工程測試，工程質(zhì)量無損檢測，環(huán)境工程等諸多領(lǐng)域。

與其他地球物理方法相比探地雷達(dá)具有下列優(yōu)勢：(1)高分辨率工作頻率高達(dá)5000MHz分辨率可達(dá)數(shù)厘米。(2)無損性。(3)高效率設(shè)備輕便操作簡單從數(shù)據(jù)采集到圖象處理實(shí)現(xiàn)一體化可實(shí)時(shí)輸出現(xiàn)場剖面記錄圖。(4)抗干擾能力強(qiáng)可在各種噪聲環(huán)境下工作。

本文綜述了探地雷達(dá)測試技術(shù)的基本理論測試方法數(shù)據(jù)處理技術(shù)和資料解釋原理討論了探地雷達(dá)測試技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1 項(xiàng)目概況

圖1 重慶市武隆縣鐵礦鄉(xiāng)大佛巖地面物探平面示意圖

2009年11月19日，武隆縣鐵礦鄉(xiāng)大佛巖危巖帶白馬石危巖基座部位發(fā)生局部塌落。為查明大佛巖一帶危巖分布、發(fā)育、發(fā)展情況、誘發(fā)影響因素及可能影響范圍，避免重大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，確保危巖影響區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，切實(shí)做好防災(zāi)、減災(zāi)工作。受重慶市國土資源和房屋管理局的委托，重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)承擔(dān)了重慶市武隆縣鐵礦鄉(xiāng)大佛巖危巖應(yīng)急搶險(xiǎn)調(diào)查工作。重慶南江物探工程檢測中心負(fù)責(zé)其中的物探勘查部分如圖（1），目的是勘測大佛巖危巖區(qū)陡崖上卸荷裂隙的寬度、深度及發(fā)育范圍。

2 探地雷達(dá)的原理

探地雷達(dá)是利用高頻電磁波(1MHz～1GHz)以寬頻帶短脈沖的形式在地面通過發(fā)射天線(T)將信號(hào)送入地下經(jīng)地層界面或目的體反射后返回地面再由接收天線(R)接收電磁波反射信號(hào)通過對電磁波反射信號(hào)的時(shí)頻特征和振幅特征進(jìn)行分析來了解地層或目的體特征信息的方法如圖1所示脈沖波的行程時(shí)間為；

圖1 測試原理示意圖

式中：t為電磁波反射信號(hào)的雙程行程時(shí)間z為目的體的埋深，x為天線距，v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度傳播速度v可根據(jù)已知資料的分析確定或者根據(jù)下式計(jì)算。

式中 m為磁導(dǎo)率 為介電常數(shù) 為電導(dǎo)率為電磁波的角頻率對于巖土介質(zhì)一般為非磁性非導(dǎo)電介質(zhì)常常可滿足α/ωε<<1故式 (2)可以寫為

式中c為真空中電磁波傳播速度c=0.3m/n；εr為相對介電常數(shù)，v也可由寬角法來確定。

式中：D為天線向兩側(cè)移動(dòng)的距離t1和t2分別為天線移動(dòng)前和移動(dòng)后電磁波的單程行進(jìn)時(shí)間。

本次雷達(dá)勘測電磁波穿遇目標(biāo)介質(zhì)為地表植被、第四系覆蓋層、基巖（灰?guī)r）。電磁波透過時(shí)，因不同介質(zhì)介電常數(shù)明顯差異而出現(xiàn)異常反射。通過分析反射圖像的形態(tài)來確定基巖中卸荷裂隙發(fā)育的形態(tài)及位置。

3 勘查儀器設(shè)備及工作方法

本次勘測采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-3000型探地雷達(dá)，所用天線為100MHz地面耦合式單體屏蔽天線。它具有多路天線輸入方式，全數(shù)字化，實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)增強(qiáng)，信噪比高，測量速度快，內(nèi)置微計(jì)算機(jī)及專用雷達(dá)處理器等功能和優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)顯示記錄及打印檢測剖面數(shù)據(jù)。野外作業(yè)的具體步驟如下。

3.1 天線的選取

針對本次施工對象的材料特征和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，我們選擇了50MHz、100MHz兩種天線進(jìn)行試驗(yàn)。主要從分辨率、穿透力和穩(wěn)定性三個(gè)方面綜合衡量，選取最佳天線。從試驗(yàn)結(jié)果來看，100MHz天線分辨率較高，有效穿透深度可達(dá)25m以上，探測圖像的分辨率和深度滿足本次勘測工作的需要。

3.2 記錄參數(shù)試驗(yàn)

在選定測量天線后，進(jìn)行了記錄參數(shù)選取試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試分析結(jié)果，確定主要參數(shù)如下：①采用連續(xù)掃描方式；②每道記錄長度600ns，1024個(gè)時(shí)間采樣點(diǎn)，數(shù)據(jù)精度16位，20線/秒，20線/米；③采用5點(diǎn)分段增益。

3.3 野外作業(yè)過程

采用上述試驗(yàn)所確定的天線和參數(shù)對測量區(qū)域進(jìn)行野外采集作業(yè)，測線編號(hào)和具體位置均按工作布置圖，測線方向統(tǒng)一為山頂-陡崖方向，每條測線長100m，共完成10條測線。

4 資料分析與勘測結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用美國GSSI公司開發(fā)的RADAN6.5探地雷達(dá)處理解釋軟件。處理過程包括預(yù)處理（修改文件頭參數(shù)、標(biāo)記校正、剖面翻轉(zhuǎn)和道歸一化、添加標(biāo)題等）和處理分析（瀏覽剖面，查找明顯的異常、頻譜分析、濾波去噪、振幅增強(qiáng)、異常特征和面層對應(yīng)、相位分析、剖面修飾等）。

本次數(shù)據(jù)處理主要應(yīng)用：修改文件頭參數(shù)、標(biāo)記校正、剖面翻轉(zhuǎn)和道歸一化、瀏覽剖面，消除背景干擾，查找明顯的異常、頻譜分析、異常特征和面層對應(yīng)、相位分析、剖面修飾等。

4.2 數(shù)據(jù)分析

①干擾雷達(dá)圖像分析

以上雷達(dá)圖像中紅線圈定部分是在探測時(shí)，地面不平整（地表有有溝槽、突起或矮樹樁）造成的假異常信號(hào)。

②典型雷達(dá)圖像分析

以上雷達(dá)圖像為基巖完整，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

以上雷達(dá)圖像為基巖破碎，發(fā)育有卸荷裂隙。

4.3 勘測結(jié)果

通過上述處理與解釋，特別是雷達(dá)時(shí)間剖面同相軸對比，對本次勘測的10條測線解釋如下：

測線2-2'：77m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深16m；84m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深17m。該處危巖卸荷裂隙帶寬31m。

測線4-4'：85m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深18m。該處危巖卸荷裂隙帶寬58m。

測線7-7'：83m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深9m；90m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深11m。該處危巖卸荷裂隙帶寬48m。

測線9-9'：90m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深20m。該處危巖卸荷裂隙帶寬46m。

測線10-10'：71m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深13m；78m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深10m；86m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深10m。該處危巖卸荷裂隙帶寬59m。

測線B-B'：90m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深13m。該處危巖卸荷裂隙帶寬30m。

測線C-C'：72m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深16m；77m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深17m。該處危巖卸荷裂隙帶寬35m。

測線D-D'：74m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深19m。該處危巖卸荷裂隙帶寬44m。

測線F-F'：83m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深19m。該處危巖卸荷裂隙帶寬38m。

測線G-G'：76m位置處發(fā)育有一卸荷裂隙，深13m。該處危巖卸荷裂隙帶寬34m。

結(jié)論

本次勘測，根據(jù)雷達(dá)圖像解釋，本次勘測的10處危巖體卸荷裂隙發(fā)育深度9～20m，卸荷裂隙帶寬度30～59m。物探解釋成果詳見《重慶市武隆縣鐵礦鄉(xiāng)大佛巖危巖帶專項(xiàng)地質(zhì)調(diào)查地面物探平面示意圖》和《重慶市武隆縣鐵礦鄉(xiāng)大佛巖危巖帶專項(xiàng)地質(zhì)調(diào)查地面物探解釋斷面圖》。

[1]劉傳孝，楊永杰，蔣金泉.探地雷達(dá)技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998-12-02.