地质雷达在冻土地区输电线路中的应用

单 波，段 毅，王延辉，饶 虎

(西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710032)

随着国家建设的不断推进，为了促进偏远地区的经济发展，铁路、电力等基础行业的业务也在这些地区逐渐开展，在各个项目的工程勘察中，物探手段以其便利、快捷、经济等诸多优点被广泛使用，而地质雷达更以其轻便、适应性强等特点被各个领域逐步推广使用。

在电力等行业的线路工程中，高海拔地区经常需要穿越冻土区域，而冻土发育情况是必须勘察了解的内容，地质雷达探测在这一方面可以较好的满足工程需要, 国内的同行将地质雷达应用在冻土方面做了许多工作，取得了良好的效果。

1 冻土区输电线路地质雷达探测分析

高海拔的输电线路所穿越的地带海拔高，气候严寒，岛状冻土、多年冻土发育，而冻土由于具有热稳定性差、厚层地下冰和高含冰量冻土所占比重大、对气候变暖反应极为敏感以及水热活动强烈等特性，对路径优化、塔基定位、基础设计以及施工、运行等带来一系列难题。

1.1 地质雷达探测机理

地下不同部位的地质体在形成与演化过程中，由于其所处的地质、地理温度场、水分场等各种外部环境的不同，造成了地质体在构造、组构成份上会发生很大的差异、所表现出的各种物理性质(包括地质体的电性、密度、弹性、磁性等特征)自然会有很大的不同，地质雷达探测方法正是利用和通过对地质体的这种物性差异的探测，间接达到对地下介质情况勘探和了解的目的，在多年冻土区开展的冻土物探工作也正是基于同样的原理。

在多年冻土区，随着外界温度的变化会引起地下温度梯度的变化，导致土体中所含水分的迁移冻结和变化，引起冰在地质体中的不同部位以不同形式进行富集或消散，形成不同的冻土类型，冻土的这种形成和动态变化对地质体的物理性质产生突出的影响，由于冻结影响，介质的介电常数发生明显的改变，从表1可以看出，一般土质的介电常数在15左右，电磁波速在0.08m/ns左右，而冰的介电常数约为3，电磁波速在0.16m/ns左右，因此土层冻结后由于介电常数发生显著变化，导致传播速度也发生极大的改变，同时由于冻结后电池衰减极小，不会像土层一样存在较大的电磁吸收、损耗引起的损失，所以探测深度也会相应增加。

输电线路沿线冻土按照岩性可分为两类，一类是以第四系坡积、残坡积、洪积物组成的非成岩性冻土，另一类是已成岩性冻土，如泥岩、砂岩、板岩、花岗岩等。

非成岩冻土，由于孔隙度、透水性，地下水运移后含水量的不同，冻结前后物理性质存在较大的差异，而含冰量的不同也会使物理性质存在较大的差异。成岩型冻土(如砂岩、板岩及花岗岩等)在冻结前后差异要小于非成岩冻土冻结前后，但某些岩石如泥岩，由于冻结前后其物理性质截然不同，会造成显著物性差异，因此用地质雷达方法是可以有效解决冻土问题。

下面通过地质雷达在青海玉树地区和新疆天山地区的冻土区的探测结果分别进行分析，以达到判别冻土发育状况的目的。

表1 各种介质的介电常数与速度

1.2 青海玉树地区

输电线路所在区位于青藏高原的东南部，线路自东北向西南穿越青藏高原三江源区黄河流域北部的广大地区，地形地貌复杂多变。

该地区主要分布有岛状不连续多年冻土、大片连续多年冻土及多年冻土融区三种类型。冻土有少冰－多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层以及季节冻土等多种类型。

本次现场工作期间地质雷达仪器采用瑞典MALA公司生产的RAMACII型，天线采用中心频率为100MHz的屏蔽天线。

本次主要工作参数如下。

(1)时间窗口：由于探测深度要求较深，所以100 MHz天线时窗取420 ns。

(2)采样率：本次试验采用10倍天线中心频率作为采样频率，100 MHz天线采样频率为1000 MHz。

(3)叠加次数：在满足任务及进度要求前提下，叠加次数均选取128次叠加。

1.2.1 实例1

该数据采集地点位于线路经过的青藏高原冻土区域的冲洪积扇地貌单元。原始数据剖面见图1，从图中可以看到清晰连续的多组同相轴，同时几组波形之间存有明显的差异，因此初步判断地下介质可以分为几个岩性层。

由于线路沿线地区地形地貌多变，岩性差异很大，因此统一使用从地质雷达地层速度库中查找的地层速度便不太严谨，如果使用该速度，往往导致在剖面中进行时深转换时产生较大的地层深度差异，有时甚至会引起严重的错判。

因此，为了得到真实的地层速度，对该测点采用共中心点方法(CMP)进行速度分析，获得该测点地层速度大约为0.06 m/ns，经过对剖面进行处理分析、地质分层，然后采用该地层速度进行时深转换获得的剖面见图2。从图中可以看出剖面大致分为3层，具体顶底深度见表2中的物探分层深度，由于地层界面有起伏，该表只给了大概的平均深度。

后来钻机对该测点进行了钻孔验证，钻孔位置在地质雷达剖面的28 m处左右，结果见表2中的钻孔分层深度和岩性，从表中可以看出，排除误差和地质雷达分辨率因素，从地层的划分上地质雷达与钻孔结果基本一致，在通过速度分析获得准确的地层速度的情况下，时深转换后地层深度的划分也是与钻孔结果吻合的。

图1 实例1原始剖面

图2 实例1分层剖面

表2 实例1地质雷达与钻孔成果对照表

1.2.2 实例2

该数据的采集地点位于线路经过的冻土区域的低山丘陵区。原始数据剖面见图3，从图中可以看出，剖面的上下不同深度的能量差异较大，也就暗示存在多组介电常数差异，对应多个不同岩性地层。

对该测点采用共中心点方法(CMP)进行速度分析，获得该测点地层较为准确的地层速度大约为0.08 m/ns，把该速度应用到原始剖面并进行分层处理，进行时深转换获得的剖面见图4，可以看出剖面大致可以为4层，具体顶底深度见表3中的物探分层深度，该表同样也只给了大概的平均深度。

后在地质雷达剖面的24 m处进行钻孔验证，得到钻探结果见表3中的钻孔分层深度和岩性，从表中可以看出，在地层的划分上地质雷达与钻孔结果基本一致，在进行速度分析选取合适的地层速度的情况下，时深转换后地层深度的划分与钻孔结果相比也是令人满意的。

图3 实例2原始剖面

图4 实例2分层剖面

表3 实例2地质雷达与钻孔成果对照表

1.3 新疆天山地区

某输电线路工程穿越新疆天山山脉，沿途经过多种地貌单元，发育多年冻土、岛状冻土等多种形态，为掌握本地区的冻土发育情况选用地质雷达方法进行勘察。

本次现场工作期间地质雷达仪器采用美国GSSI公司生产的SIR-20型，天线采用低频组合天线。

本次主要工作参数如下。

(1)时间窗口：考虑到天线频率与探测深度的关系，80 MHz天线时窗取190 ns；40 MHz天线时窗取480 ns。

(2)天线间距：2 m；测点点距：0.2 m。

(3)叠加次数：在满足任务及进度要求前提下，叠加次数均选取32次叠加。

1.3.1 实例3

该数据采集地点位于多年冻土区及冰川作用强烈影响区，地貌单元为高山，地形起伏较大，地势开阔，海拔高度在3000 m左右。该段地层岩性主要为第四系冰水沉积层碎石、块石，下伏石炭纪花岗岩。

原始剖面见图5左侧部分，可以看到剖面上下振幅、频率等差异明显，初步判断为岩性界面，根据周围地形地貌和处理分析分层结果见图5右侧部分，经过速度分析获得该测点地层速度为0.12 m/ns，基本符合基岩区的地层速度，因此最终解释结果：上层为块石、下层为基岩(冻结层)，块石的深度划分为剖面中划线部分。该结论与岩土勘探、地质调查结果基本一致。

图5 实例3分层剖面

1.3.2 实例4

该数据采集地点位于在岛状冻土区域，地貌为山坡脚下，从塔位基础周边环境不能直接判断地层是否为冻土。该段地层岩性主要为第四系残坡积粉质粘土，下伏志留系板岩。

80 MHz天线采集原始剖面见图6左侧部分；40 MHz天线采集原始剖面见图7左侧部分，经过对比分析，可以清晰的看到在90～120 ns之间80 MHz与40 MHz天线均存在一个非常强烈振幅的同相轴，并且该同相轴下面振幅较弱且均一，而在约210 ns附近也存在振幅相对较强的同相轴，经过处理分析，并依据该测点的地貌特点给出分层结果见图6、图7右侧部分。

后在对应地质雷达剖面14 m处进行钻孔验证，钻探结果见表4，可以看出与地质雷达解释结果基本一致，对于冻土这一特定地层地质雷达不仅可以有效进行地层划分和深度解译，也可以通过介电常数导致的振幅能量差异和冻土内部结构均一等特点来判断其岩性特征。

图6 实例4 80 MHz天线分层剖面

图7 实例4 40 MHz天线分层剖面

表4 实例4地质雷达与钻孔成果对照表

2 结论

结合上述的实例分析可以看出，通过地质雷达探测方法在青海玉树地区、新疆天山地区输电线路应用的综合分析，对不同地区的沿线不同冻土类型进行有针对性的勘察，并与钻探成果对比分析，可以达到以下判识目的：(1)划分地层，确定岛状冻土的上限；(2)对含冰量不同的含冰冻土、含土冰层等冻土进行有效划分，区分多年冻土类型。

因此地质雷达探测方法可以有效解决冻土这一特殊土中出现的一些勘察问题，为工程地质等提供定性和定量的技术参数、解释结果，满足设计、施工的需求。

参考文献：

[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] 苏智光，等．浅谈地质雷达数据的精细处理[J]．工程勘察，2012，40(7)．

[4] 苏智光，廖建军，钱东宏．探地雷达野外勘察数据干扰及其滤除方法[J]．物探与化探，2011，35(3)．

[5] Harry M．Jol．Ground Penetrating Radar Theory adn Applications[M]．Lodon：Elsevier，2009．

[6] David J．Daniels．Ground Penetrating Radar-2ndEdition[M]．London：The Institution of Electrical Engineers，2004．

[7] 武小鹏，魏永梁，张军平．探地雷达在多年冻土工程地质勘察中的应用效果研究[J]．地震工程学报，2013，35(2)．

[8] 王通，等．物探技术在多年冻土探测方面的应用[J]．物探与化探，2011，35(5)．

[9] 江波，齐法琳．高原冻土隧道地质雷达法检测分析[J]．铁道建筑，2014，(5)．

[10] 康富中，等．地质雷达在风火山隧道病害检测中的应用与结果分析[J]．工程地质学报，2010，18(6)．

[11] 韩晓飞，等．Seismic Unix 在地质雷达数据处理中的应用[J]．山西建筑，2015，41(19)．