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(zhì)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(nèi)容，地質(zhì)雷達探測在這一方面可以較好的滿足工程需要, 國內(nèi)的同行將地質(zhì)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(zhì)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(zhì)雷達探測機理

地下不同部位的地質(zhì)體在形成與演化過程中，由于其所處的地質(zhì)、地理溫度場、水分場等各種外部環(huán)境的不同，造成了地質(zhì)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(zhì)(包括地質(zhì)體的電性、密度、彈性、磁性等特征)自然會有很大的不同，地質(zhì)雷達探測方法正是利用和通過對地質(zhì)體的這種物性差異的探測，間接達到對地下介質(zhì)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(zhì)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(zhì)體的物理性質(zhì)產(chǎn)生突出的影響，由于凍結影響，介質(zhì)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(zhì)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(zhì)存在較大的差異，而含冰量的不同也會使物理性質(zhì)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(zhì)截然不同，會造成顯著物性差異，因此用地質(zhì)雷達方法是可以有效解決凍土問題。

下面通過地質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)雷達分辨率因素，從地層的劃分上地質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)雷達方法進行勘察。

本次現(xiàn)場工作期間地質(zhì)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(zhì)調(diào)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(zhì)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(zhì)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(zhì)雷達解釋結果基本一致，對于凍土這一特定地層地質(zhì)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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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