第３１卷第５期物探化探计算技术２００９年９月文章编号：１００ｌ—１７４９（２００９）０５—０４４２—０５地质雷达探测技术在岩溶地形勘察中的应用李仁海１，杨磊２，许新刚１，李党民１，冷元宝２一，单西北电力设计院，西安７１００３２；资源与环境学院，郑州４５００１１；波１（１．中国电力工程顾问集团２．华北水利水电学院３．水利部黄河水利科学研究院，郑州４５０００３）摘要：岩溶地形的有效勘察是保证岩溶地区工程施工安全与质量的重要因素。从应用条件来看，地质雷达方法较其它地球物理方法更适应浅层复杂岩溶地形的勘察。这里介绍了地质雷达在岩溶地形勘察中的工作原理和方法，分析了在岩溶地区雷达波的传播特点与曲线特征，结合工程实例，探讨了地质雷达在岩溶地形勘察中的应用。经分析认为，该技术能够有效地完成岩溶地区的工程地质勘察工作，有较好的发展前景和应用价值。关键词：地质雷达；岩溶；裂隙；落水洞；曲线特征；资料解释中图分类号：Ｐ６３１．４文献标识码：Ａ等电性参数的差异，利用高频电磁脉冲波的反射探０前言岩溶地形的形态各异，在我国分布广泛。在工程地质勘察的过程中，对岩溶地形进行勘察是保证工程质量的重要因素。特别是对地下隐伏地形分布情况的勘察，如位置、范围、分布、深度等，为工程的顺利进行提供了可靠的地质资料。结合不同工程地质条件，选择适宜的勘察方法，也是物探工作的基本原则之一。岩溶地形勘察的常规物探方法有直流电法、瞬变电磁、地质雷达等，其中，地质雷达方法能够对地下介质电性、完整性、含水性等特征的差异，做出敏感反应，且具有采集方便，速度快，易于调整，适应性强，对工作条件要求不高，有较强的普适性等特点，因此更适用于岩溶地形勘察。作者在本文中，主要从岩溶地区电磁波反应特征的角度，来介绍岩溶地形的地质雷达勘察技术。测地下介质分布的一种物探手段。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形，将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化，故通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置及结构…。地质雷达的探测原理与浅层地震相似，在探测过程中，它通过发射天线，将高频电磁波（１０６Ｈｚ—１０９Ｈｚ），以宽频带脉冲形式定向送入地下。电磁波在地下介质传播的过程中，当遇到存在电性差异的地下地层或目标体时，便会发生反射并返回地面，被接收天线所接收。地质雷达测量方法有剖面法、宽角法等，通常采用剖面法，即发射天线和接收天线以固定间距，沿测线同步移动的一种测量方式，每个发射周期获得一个记录，见下页图ｌ。在一条测线测量完成后，多次记录可用时间剖面图像来表示。图ｌ横坐标记录了天线的移动位置，纵坐标表示反射波的双程旅行时间。鉴于岩溶地形的复杂性，多采用点测的工作方式，测点点距的确定取决于天线的中心频率与地下介质的性质。一般来说，在频率较低，介１工作原理与方法地质雷达是基于地下介质的电导率、介电常数收稿日期：２００９—０２一０６改回日期：２００９—０５—２７质介电常数较小的情况下，可适当增加点距，大致万方数据 ５期李仁海等：地质雷达探测技术在岩溶地形勘察中的应用４４３为介质子波波长的四分之一。时窗的选择受测深和波速的影响，考虑到速度和目标埋深的变化，一般根据时窗大小适当增加其值（一般增大３０％），以避免溢出。中心频率和采样率，关系到探测的精度和测距的大小，可根据具体探测目标的埋深及性质来设定，一般应在工作前通过测试来确定。此外，考虑岩溶地形的发育特征和对电磁波的吸收能力，可在测试时进行重复测量和适当改变天线的排列方式。基岩图１地质雷达探测原理示意图Ｆｉｇ．１ＳｋｅｔｃｈｄｉａｇｒａｍｏｆＧＰＲｓｕｒｖｅｙｐｒｉｎｃｉｐｌｅ２岩溶地形下电磁波反应特征在不同工程地质条件下，电磁波传播的反应特征各不相同。岩溶地形下的电磁波传播，往往呈现出较强的差异性和不规则性，在进行岩溶勘察时，需充分了解电磁波的反应特征，包括电磁波的衰减、速度、距离特征，以及交界面反射、介质含水量特征和波形的曲线特征等。２．１衰减特征由于岩溶地区地质条件非常复杂，地下地形千姿百态，因此其衰减特征也特别明显。高频电磁波的传播可以用一组麦克斯韦方程来表示‘２、３】，考虑到高频电磁波在地下有耗介质中传播时电能损失，介电弛豫特性，以及磁导效应对电磁波能量衰减的影响，考虑用德贝尔函数表示衰减因子ＨＪ：ｖ层：警（１）Ｖ日：以＋扭＋ｏＤ３，（２）Ｂ＝垆＝Ｍ。＋∑Ｉ巾：（ｔ—ｒ）日（丁）ｄｔ（３）Ｄ＝，ｆｒｏｓ。∑Ｊ也（ｔ～丁）层（ｆ）ｄ下（４）万 方数据咖ｌ（ｔ）＝占。三￡——三三ｅ。ｒｅ（ｚ＝１，２，…，三）（５）占ｆ其中Ｅ为电场强度矢量；Ｂ为磁场强度矢量；Ｄ为位移电流矢量；Ｈ为磁场密度矢量；Ｊｓ为电流密度矢量（无源时Ｊｓ＝Ｏ）；咖，为衰减函数，类似于黏弹性介质中的响应函数；占。为真空中的介电常数（‰＝８．８５×１０‘１２Ｆ·ｍ一）；Ｆ。为高频条件下相对介电常数；％为低频条件下的相对介电常数；盯为电导率；咖’；为磁衰减函数；／Ｉ－０为真空中的导磁率；ｐ。为高频下的导磁率；７－Ｊ为松弛时间；Ｌ为衰减函数的总个数。可以看出，影响电磁波传播的参数包括介质的导磁率、电导率、介电常数、松弛时间等，由于对电磁波来说，地下介质属于有耗介质，这些参数影响着电磁波的能量、走时和形态。在岩溶地区，由于介质的电磁特性变化较大，电磁波的衰减特性很难进行量化，对于介质磁性和导电性较差的地区而言，电磁波的衰减速率大致随电导率和导磁率的增大而增加，随介电常数的增大而减小，电磁波的吸收特性可近似描述为：一２～８一旦压（６）其中口为吸收系数，它能够反应电磁场强度在传播过程中的衰减速率。在理想条件下，通过对介质相对介电常数、电导率、导磁率等参数的确定，能够大致推断出电磁波在介质中的衰减特征。由电磁波的传播特性可知：Ｑ＝孥，厂＝磊，Ａ＝手（７）ａ为相位系数，即单位距离波的弧度；Ａ为ｔ，＝ｗ／ａ（８）可以看出，相位系数是决定电磁波速大小的因移＝ｃ／面（９）ｃ为电磁波在真空中的传播速度；占为相对在进行结构层厚度和地质体埋深的勘察中，需２．２速度与距离特征其中波长；厂为电磁波的频率；∞为角频率。由此得到：素，而相位系数受介质电导率和介电常数影响，而且受影响的程度随着频率的变化而有差异。对于介质磁性和导电性较差的地区而言，电磁波的传播速度可近似表示为：其中介电常数；ｐ为介质的相对磁导率，其值一般取１。物探化探计算技术３１卷要了解地下结构层的介电常数，可通过雷达反射波幅来进行推导。确定方法如下ｂ】：反射面上层下层材料的介电常数，与界面的反射系数尺之间存在一定关系：式中瓜＝瓜牟揣（１０）占巾－１）、占ｒ（ｉ）分别为上层和下层的介电常数；Ｒ¨是上层反射系数，它是反射波幅Ａ与全反射波幅Ａ。的比；（１一Ｒ２）是上一层在反射过程的能量损失。当表层面反射时，上层空气的介电常数为１，忽略反射层能量损失，依次类推，可求出不同层的介电常数。电磁波在地下介质传播的过程中，当遇到不同的结构层或地质体时，部份能量发生折射，其余能量发生反射并返回地面。由于电磁波在各不同介质中的传播速度ｙ不同，根据发射器和接收器所接收的反射波信息，可获得雷达脉冲在地下传播过程中的双程旅行时间△ｒ，于是有式（１１），并由此来推算地层厚度或埋深信息。日＝ｙ×等２．３交界面反射特征利用地质雷达探明溶洞或地层交界面的基本原理，是利用交界面对高频电磁波反射信号的影响来判定。界面介质的异常，往往会导致反射电磁波的波形异常（如强反射、夹层反射和绕射等），由此便能够判断出交界面地质体的性质、大小和分布情况。在检测时，当电磁波垂直入射时，反射系数Ｒ和折射系数ｒ可以用式（１２）来表示。ｒ广＿广＿、＾ｒＲ：ｂ丝二尘盟．ｒ：—二丛生一（√占２＋√占１）。（√占２＋￣／占１）（１２）式中８：、占。分别为上、下介质的介电常数。一旦结构层出现变化或遇到空洞和裂隙等，便会出现明显的异常特征反射，并反映在雷达资料上。２．４含水量特征覆盖层和结构层的含水量特征，是判断岩溶地形发育状况的重要因素，也是电磁波图像识别的重要辅助手段，可根据介电常数与含水量之间的关系测得该层的含水量。设Ｐ”Ｐ：、队Ｐ，分别为水、固体、结构层和空气的密度，Ｈ、Ｋ、ｙ、Ｅ分别是水、固体颗粒、结构层和空气的体积，Ｇ卜岛、Ｇ分别为水、固体颗粒和基层的容重（忽略空气容重），万 方数据则有：Ｇ＝Ｃｌ＋Ｇ２（１３）即：ｐｇＶ＝ｐｌｇＨ＋ｐ２９％（１４）肌ｐ＝学＋学（１５）水、固体和空气的体积百分比Ⅳｌ、Ⅳ２、Ⅳ３分别为：Ⅳ１＝号，Ⅳ２＝堕Ｖ，Ⅳ３＝可ｖ３（１６）可以得到：／／１，ｌ２ｐｌＫ２ｐｌＮｌＶ、ｍ２２Ｐ２ｖ２２ｐ２Ⅳ２Ｖ、ｍ３＝Ｐ３屹＝ｐ３Ｎ３Ｖ（１７）那么，将ｍ，、ｍ：代入公式（１１），得到：ｓ＝躺删％（１８）ｓ＝鼎·，００％如果取结构层为饱和含水，可将式（１８）变为：（１９）考虑到水的密度Ｐ。＝１ｓ２赢。１００％（２０）ｇ／ｍ３，可以得到：因为Ｊ＼ｒｌ＋Ⅳ２＋Ｎ３＝１００％＝１，由于空气的体积比较小，可近似看作Ｊ７、ｒ，＋／ｖ２＝１，则：ｓ＝—万—∑Ｔ＿矿·１００％。一ｐ２（一１）＋Ⅳｌ１Ｎ）１２（¨１７其中，固体颗粒的干密度ｐ：为测定值，那么，结构层含水量取决于水的体积百分比Ⅳ１。此时，便可以按照前面所述的，利用地质雷达的方法来测含水量的基本原理，根据介电常数与含水体积之间的关系，可以测得该层的含水量。２．５曲线特征岩溶地形由于其表面的复杂性和发育的不规则性，且对电磁波吸收能力较强，往往会对雷达的成像效果产生较大影响。加之偶极子源的辐射场是一种球面波，在接收器接受电磁波的过程中，会受到不同程度干扰波的影响，致使岩溶地形雷达波曲线往往具有干扰多、衰减快、特征弱的特点，为雷达波的图像特征识别增加了难度。因此，在进行岩溶地形电磁波曲线特征识别时，应最大限度地了解数据的采集环境与地质条件，熟悉各种岩溶地形的成像特征以及电磁波的反射特征。一般来说，地下不同介质的介电常数差别较大，会导致反射能量迅速增加，交界面图像反射特征明显，在局部或某方向范围内成像有较大差异。如果不同介质的分界面比较光滑和规则，则反射波５期李仁海等：地质雷达探测技术在岩溶地形勘察中的应用４４５走时比较稳定，在图像上会形成一道细密的波形；如果介质表面很复杂，特别是在裂隙和破碎带，波形会变得很杂乱，受反射延迟的影响，反射波范围较大，交界面特征不明显。在电磁波传播过程中，如果遇到裂隙、断裂破碎带，特别是充水溶蚀破碎带，波形往往会发生突变，边界反射信号明显，反射波同向轴位置发生错动，而且由于地层破碎，使断裂带内部对电磁波的吸收增强，内部反射波强度会减弱。如果地下裂缝、裂隙沿横向发展、发育，那么由于其对雷达反射波的吸收和衰减作用，往往使得在裂缝、裂隙的发育位置造成可连续追踪对比的雷达反射波同相轴局部缺失，而缺失的范围与地下裂缝、裂隙的横向发育范围及大小有关怕Ｊ。由于溶洞与周围介质物性差异明显，容易在边界形成反射，且反射形状能够大致反映溶洞的位置和大小，充填型溶洞往往边界反射非常明显。溶洞内部反射特征与内部充填介质的类型、规则性和均匀性有关：如果填充物比较单一或填充物较集中，则内部会表现出反射信号弱或反射信号被吸收的特征；如果内部空间表面起伏较大、连续性不好，则会弓ｌ起多次反射和绕射，形成多次波或绕射波。断裂破碎带、溶蚀裂隙、裂缝等对电磁波的吸收作用很强，往往会使反射波能量的衰减在时间剖面上表现明显，这是判断上层构造发育的重要依据。此外，在勘察过程中，电磁波会受地表溶沟溶槽、地形突变、覆盖物、出露灰岩，以及地下隐伏不规则体的影响，出现不同类型的干扰波。根据干扰介质、干扰类型、中心频率或采样率的不同，这些干扰波往往会导致电磁波曲线呈现出倾斜线形，上下错动形，“Ｖ”形或“ｘ”形震荡反应，这些主要体现在振幅和同向轴的变化上。干扰的识别和判断一方面是依靠勘察人员的工程经验，而在更大程度上是依靠对勘查区地质情况的深入了解和分析。３应用实例在某岩溶地区输电线路工程中，采用地质雷达方法进行地质勘察，以探明地下隐伏不良地质体的空间位置和分布范围。具体参数设置如下：天线中心频率为５０ＭＨｚ，收发天线间距为２．５ｎｌ，视窗最大为９００ｎ８，采样频率为１１３０ＭＨｚ，叠加次数６４次。１２８次，采样点数为ｌ０２４何扫描线。图２（见下页）是二幅探明有不良地质体的曲线图实例。在图２中，纵坐标轴在雷达图像中表示探测时万 方数据问（ｎｓ），在地质解释图像中表示深度（ｍ）；横坐标轴表示水平位移距离（ｍ）。图２（ａ）中的雷达点测距离为０．２１１１，从图２（ａ）中可以看出，地表覆盖层厚度约２．０ｍ一３．０ｍ，在水平位移４．０ｍ～８．０ｍ和８０ｎｓ一１８０ｎｓ区域，出现裂隙发育；在水平位移８．０Ｉｌｌ一９．８ｍ和７５ｎｓ一１５０ｎｓ区域，出现充填溶洞；在水平位移１０．０ｍ—１３．５ｍ和６０ｎｓ一１２０ｎｓ区域，有溶蚀沟槽。当覆盖层至３５０ｎｓ以下，为中风化灰岩；在３５０ｎ８以下，为微风化灰岩。建议在工程施工时，将上部挖开，用块石进行回填夯实，面层用粘土填充夯实处理。在图２（ｂ）中，雷达点测距离为０．３Ｉｌｌ，地表初始测点处有１ｍ高陡坎，表面覆盖层为约３ｍ厚的松软黄壤，从图２（ｂ）中的倾斜线型反射异常和能量快速衰减等特征可以看出，地表干扰和吸收作用比较明显，在水平位移１０．０ｍ—１５．５Ｉｎ和１００ｎｓ一２１０ｎ８范围，出现明显的同向轴错动现象，判断有较大范围的溶蚀破碎带；在水平位移１０．０ｍ附近，有纵向延伸的空洞，１２ｍ以下电磁波衰减特征较为明显，判断此处覆盖层以下可能为直径１．５ｍ左右的落水洞，深度超过１２ｍ。建议在工程施工时，进行钻孔填浆和挤密加固，面层用粘土填充夯实处理。４结语根据不同勘察对象的类型，结构特征，地质条件，工程规模和质量工期的要求，选择不同的检测方法，以保证检测过程的无损、高效，以及数据处理过程的方便、快捷，是工程质量检测的重要目标【＿７｜。由于岩溶地形的复杂性，相对于一般工程地质勘察工作，岩溶地形的勘察往往要面临更多的未知性和不确定性，对勘察手段和技术提出了更多的要求。地质雷达因其自身特点，更适合浅层岩溶地形的勘察。但在岩溶特征的识别，干扰信号的降低，曲线特征的解释等方面，尚有许多问题值得商榷，目前解决这些问题的主要方法，是针对异常情况综合实施多种物探方法，或在施工前进行土工验证。工程勘察的目标向着“高、新、精、尖”的方向发展，工程实践与实验研究成果相互借鉴，快速进步。随着数据采集方法，资料处理技术的进步，地质雷达方法在岩溶地形勘察方面，会有更加广阔的发展前景和良好的应用价值。致谢：感谢西北电力设计院李党民工程师和华北水利水电学院杨磊的大力帮助和支持。４４６物探化探计算技术３ｌ卷图２地质雷达探测曲线示意图Ｆｉｇ．２ＧＰＲｓｕｒｖｅｙｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇｆｉｏｎ［ｃ］．ｃｏｎｆ，１９９４：２０７．参考文献：［１］方建立，应松，贾进．地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用［Ｊ］．中国岩溶，２００５，２４（２）：１６０．［２］孙洪星．有耗介质高频脉冲电磁波传播衰减理论与应用的实践研究［Ｊ］．煤炭学报．２００１，２６（６）：５６７．［３］ＴｏＮＧＸＵ，ＧＥＯＤＧＥＡ，ＭＣＭＥＣＨＡＮ．ＧＰＲａｔｔｅｎｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｄｏｎｉｎ２．５［５］刘彦华，熊章强，方根显，等．综合物探方法在泰井高速公路滑坡调查中的应用［Ｊ］．工程地球物理学报，２００７，４（４）：２９５．［６］孙洪星，张文，管言相．地质雷达探测技术在近地表弱地基工程勘察中应用实践［Ｊ］．煤矿开采，２０００，（４）：１０．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａ［Ｊ１．如ｏｂｊｅｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎ【７］秦建增，杨磊，贺为民，等．电阻率成像技术研究与应用［Ｊ］．ＣＴ理论与应用研究，２００８，１７（３）：５０．ｏｐｈｙｓｉｅｓ，１９９７，６２（１）：４０３．［４］ＯＬＨＯＥＦＴＧＲ，ＣＡＰＲＯＮＤＥ．Ｂｕｒｉｅｄｗｉｔｌｌｇｒｏｕｎｄｐｅｎｅｒａｔｉｎｇｏｆｒａｄａｒ［Ａ］．Ｐｒｏｅ．Ｏｆ５山Ｉｎｔｅｍｅｔ作者简介：李仁海（１９８２一），男，山东泰安人，硕士，主要从事地震电法和电磁勘探技术的研究。ＵｎｅｘｐｌｏｄｅｄＯｒｄａｎｃｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｅＲｅｍｅｄｉａ．万方数据 地质雷达探测技术在岩溶地形勘察中的应用
作者：作者单位：
李仁海， 杨磊， 许新刚， 李党民， 冷元宝， 单波
李仁海,许新刚,李党民,单波(中国电力工程顾问集团西北电力设计院,西安,710032)， 杨磊(华北水利水电学院资源与环境学院,郑州,450011)， 冷元宝(华北水利水电学院资源与环境学院,郑州450011;水利部黄河水利科学研究院,郑州450003)
物探化探计算技术
COMPUTING TECHNIQUES FOR GEOPHYSICAL AND GEOCHEMICAL EXPLORATION2009,31(5)2次
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