地质雷达探测技术及其在填方区中的应用

刘志辉，崔长飞，周中贵，杜青林

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前 言

目前，地质雷达探测在工程建设中得到了越来越广泛的应用，最典型的应用是探测混凝土厚度、缺陷(如空洞和不密实)和钢筋分布等。由于地质雷达方法在混凝土质量检测中的准确性及高效性，铁道部在TB10223－2004《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》中将地质雷达检测列为基本检测方法。目前地质雷达在越来越多的领域开展应用，例如岩溶探测、采空区探测、地质深部探测、市政管线探测等。这主要是随着地质雷达的用户群体越来越大，工程经验积累越来越多，对多领域的探测准确性也越来越高。本文详细介绍了地质雷达检测技术，包括其原理、外业采集和资料分析。通过对某工地探测的实例表明，地质雷达在对填挖方界面及缺陷(脱空或孤石)等的探测具有巨大的优势，表现为图像简明清晰、探测时间短、准确性高。这也例证了地质雷达探测的有效性。

2 地质雷达探测的基本原理

地质雷达是一种无损探测仪器，它依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作。电磁波脉冲由发射天线发出，被地下介质介面(或埋藏物)反射，由接收天线接收(见图1)然后将这些信号记录下来，并成图显示出来(见图2)。被反射脉冲旅行时间在单置式天线情况下为:

式中 h——反射界面的深度，m;

v ——波速，m/ns;

Δt——脉冲双程旅行时间，ns。

图1 地质雷达电磁波脉冲传播示意

每发射一次脉冲，就接收到一串反射讯号，称为时间系列或扫描记录。随着天线在介质面上方平行移动，得到无数扫描记录(大约200次/s)，即可合成一张完整的地下透视图像。

对于地质雷达所使用的频段来说，地下媒质一般可视为准电介质，波速可由下式近似求出:

式中 c——真空中光速，0.3m/ns

εr——地下介质的相对介电常数。

研究表明，引起雷达脉冲反射的主要原因是各种介质的介电常数不同。这是由于各介质的物质结构不同而造成的，如石灰岩的介电常数通常在7～9之间(见表1)。根据电磁波理论，当电磁波穿过层状介质时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射(见图3)。

电磁波在介质介面的反射和折射特征用反射系数R12和折射系数T12表示。对于非磁性介质，当电磁波垂直入射(θ=0)时，R12、T12可以用下式表示:

图2 地质雷达工作原理

表1 常见介质的相对介电常数

式中 ε1、ε2——分别为界面上下介质的相对介电常数;

R12——从介质1入射时，介质1－介质2的反射系数;

T12——从介质1入射时，介质1－介质2的折射系数。

3 地质雷达检测技术

任何地质雷达资料解释的基础是雷达数据，所以雷达数据的好坏决定了能否取得良好的结果。要认真分析探测对象的性质和特点，要有合理的测线布置、选择合适的天线(主要是频率)、设置合理的采集参数，标定岩土和工程介质电磁波速。

3.1 探测对象的性质和特点

任何一个地质雷达探测项目都会有明确的探测目的。从这些目的要求中应该特别清楚地明确下列要点，以便正确设置仪器参数和合理布置测线。这些要点包括:

(1)探测目标深度:决定了雷达采集时设置的时窗大小。

(2)探测目标水平尺度及分辨率:决定了测线布置。

(2)目标与环境电磁性质差异的大小:决定了采样位数。

3.2 合理的测线布置

测线布设应注意两点:

图3 电磁波在介质分界面上的反射和折射

(1)探测的目标是二度体还是三度体:二度体应平行布置测线，测线方向垂直目标轴向;三度体按网格状布设测线。

(2)探测目标水平尺度的大小及要求的水平分辨:测线的间距一般应同时小于或等于目标尺度与分辨率尺度，以防目标漏测。

3.3 天线的选择

天线选择很关键，因为它决定了探测效果的两个基本因素:探测深度和分辨率。在很多情况下二者是矛盾的。低频天线探测深度大，但分辨率差;高频天线探测深度小，但分辨率高。故在选择天线的时候既要照顾探测深度又要有适当的分辨率。

3.4 采集参数的选择

在进行地质雷达数据采集前应该对雷达的采集参数进行设定，参数设置的是否合理影响到记录数据的质量，是进行内业解释的基础，至关重要。

对于各厂家的新型雷达，在选择天线的时候基本上已把参数也固定下来了。但在现场还是必须根据探测目标进行微调。参数设定的主要有:

(1)探测深度与时窗长度。探测深度的选取是头等重要的，既不要选得太小丢掉重要数据，也不要选得太大降低垂向分辨率。一般选取探测深度H为目标深度的1.5倍。根据探测深度H和介电常数ε确定采样时窗长度。

(2)扫描速率。扫描速率是定义每秒钟雷达采集多少扫描线记录。扫描速率大时采集密集，天线的移动速度可增大，因而尽可能地选大些，但是它受仪器能力的限制。当扫描速率Scans/s决定后，要认真估算天线移动速度TV。估算移动速度的原则是要保证最小探测目标内至少有20条扫描线记录。

(3)增益选择。由于介质的吸收和散射，电磁波能量会衰减，信号越来越弱，增益点的作用是使记录线上不同时段有不同放大倍数，使各段的信号都能清楚地显现出来，增益点的位置最好是在反射信号出现的时段附近。增益大小的调节是使多数反射信号强度达到满度的70%左右，增益太大将造成信号削顶，增益太小将丢失弱小信号。

至于采样率、扫描样点数、滤波设置等其他参数一般采用系统默认的就可以。

3.5 标定电磁波速度与介电常数

电磁波速度的估计很重要，它是进行准确时深转换的基础，对于确定反射体的深度至关重要，测量中要给予特别的关注。对于收发一体天线，一般采用下面两种方法估算电磁波速:

(1)根据地层类型和含水情况使用参考速度值。

(2)利用已知埋深物体的反射走时求波速。

4 资料解释

地质雷达数据处理的目标是压制随机的和规则的干扰，以最大可能的分辨率在图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用信息，以帮助解释检测成果。地质雷达资料反映的是地下介质的电性分布，将其转化为地质体分布，必须把地质、施工、地质雷达等方面的资料有机地结合起来，以此获得检测对象的整体图像。

各雷达厂家都有相应的雷达数据处理软件，处理流程和处理方式大同小异。基本处理流程为:数据传输→能量均衡→水平均衡→数字滤波→时深转换→注释→文件编辑→输出雷达剖面图。一般而言，以雷达时间(时深转换)剖面图作为资料解释的基本图件。

5 应用实例

某电站一移民点场地地基土主要由原地坡洪积含块碎砾石土及回填碎砾石土构成。在填方完成后不久，移民点A区、B区住宅地基土体分别出现两条地表裂缝，裂缝平面呈锯齿状展布，顺河EW向断续延伸13～15m，宽度1～3cm。为了查明裂缝原因，以便在建造住宅前对已出现的隐患进行处理。业主希望能查清挖方及填方区的界面以及是否填方区存在粒径不匹配(如存在大的孤石)造成脱空等情况。为此，采用地质雷达对该场地进行详细探测。按照该移民安置点的断面形式，雷达检测在每栋房屋场地(地基)布置LP－1～LP－6共6条测线，测线间距2m。地质雷达检测测线布置见图4。

图4 雷达测试测线布置示意

本次检测采用的仪器设备为美国地球物理公司(GSSI)生产的SIR－3000型地质雷达、400M屏蔽天线，以连续剖面记录方式采集数据。为满足检测深度和精度的要求，时窗设置为85ns，采样率为512样点数/扫描，5点增益，保证了填方区新填方土与原有土层分界面、填方区脱空情况的检查。检测的典型图像见图5。从图5可见，填土区与原有土层分界面清楚，在距外侧5m、深1.0m处存在脱空。

图5 地质雷达在填方区探测的典型剖面

6 结束语

地质雷达具有检测图像直观、计算处理技术先进、测试精度高的特点，广泛应用于飞机跑道、公路、隧洞超前预报、岩溶探测、钢筋混凝土检测、堤坝隐患探测等岩土工程。目前，应用地质雷达对隧道混凝土质量进行检测已经成为控制隧道施工质量不可缺少的重要手段，但地质雷达在地质勘探方面等还具有相当的难度，其与操作者的工程经验密切相关。作者在总结多年地质雷达探测技术的经验上，重点介绍了地质雷达的现场检测技术，并通过对地基场地填方区的探测实例，说明了地质雷达只有相关参数设置正确、采集方法合适，在地质勘测方面效果同样明显，必将在以后的工程实践中凸显出更大的优势。

［1］李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京:地质出版社，1994.

［2］曾昭发.探地雷达方法原理及应用［M］.北京:科学出版社，2006.

［3］陈仲候，王兴泰，杜世汉.工程与环境物探教程［M］.北京:地质出版社，1993.