地质雷达在岩土层勘察探测中的应用

　　摘要：建筑工程或大型基建项目岩土层勘察是基础保证，钻探和微测井地等方法都只能得到部分点的岩土层信息；地质雷达探测是利用不同界面的电性差异,反映整个空间岩土性质变化的特征。针对某勘察任务的需要，从地质雷达参数设计、资料处理和岩土层信息解释说明了在岩土层勘察应用，显示地质雷达探测能提供整个工程区域岩土勘察信息，为工程设计、施工提供可靠保障。

　　关键词: 地质雷达，岩土勘察，电性结构，反射波处理；

　　Abstract: Construction or large infrastructure projects is the basis to ensure rock and soil survey as drilling and micro logging methods can only get part of the rock and soil information. The geological radar detection skill takes use of different electricity in different interface to reflect spatial soil properties variation characteristics. According to a survey mission needs, this paper explans the use of geotechnical investigation from the design of geological radar parameters, data processing and rock and soil information, indicating that geological radar intection can provide geotechnical investigation of the whole project area, thus making reliable guarantee for engineering design and project construction.

　　Key words: Geological radar, Geotechnical investigation, Electrical structure, Reflection wave processing

　　所谓地质雷达，亦称为探地雷达，一般是将1Mz~1GHz的高频电磁波通过发射天线进行定向发送，当介质存在着电性差异时，会反射一部分电磁波并由地面接受天线所接收，雷达主机会对所收到的反射信号(波形、强度、电性和几何形态)数据进行相应的处理和解释，从而达到对岩土层信息和目标体的探测。该技术属于无损检测，具有的高效、连续、无损、高精度等特点，因而得到了广泛的应用。

　　大型基建工程岩土层信息在空间变化较大的区域，对其详细全面的勘察非常重要，由于受成本和工地条件的限制，通常采用布置部分钻探和微测井。而钻探和微测井地等方法都只能得到一个点的岩土层信息，利用间隔较大的多点测量对岩土层界面进行划分,不能准确确定表层的岩土层界面和结构,对岩土层信息的分析存在多解性。地质雷达探测是利用不同界面的电性差异,反映岩土性质变化的特征。

　　某客车公司厂房大型基建基础施工需要勘察浅地表岩土层特性，需对该厂区浅层地质情况进行勘探，为了了解该厂区的地质层位的详细分布和空间变化，设计了1500米长地质雷达测线。使用RIS探地雷达40MHz半屏蔽天线对该测线进行了连续剖面测量，为设计和施工提供指导。

　　1 探测原理

　　探地雷达的主要组成部分包括一体化主机，发射和接收天线以及相应的配套软件等。其基本工作原理是：电磁波在传播过程中，不同的有耗介质中所具有的传播特性存在一定的差异。利用宽频带短脉冲，探地雷达所发射的高频电磁波(如40Mhz)在经过不同介质界面时会发生相应的反射，一般而言，介质的相对介电常数就决定了该反射系数的大小。这样，雷达主机会对反射回来的电磁波信号进行数据处理并解译相应的图像，从而有效的对反射层或不易发现的目标物进行有效识别。另外，雷达波的反射信号强度与电性差异是正比例关系，通常是不同介质的电性差异越大，雷达电磁波反射信号越强。而雷达电磁波的穿透深度与介质电性和中心频率成反比例关系，即导电率和中心频率越高，电磁波的穿透深度越小，反之亦然。如图1所示。

　　图1   探地雷达工作原理示意图

　　在一定的介质中，电磁波的传播速度是恒定的，通过读取探地雷达所高妙的记录地面反射波与地下反射波的时间差，我们就可以计算地下反射层的埋藏深度，如式(1)所示。

　　(1)

　　V是电磁波在介质中的传播速度，ΔT是时间差，H是地下反射层的埋藏深度。

　　电磁波在介质中的传播速度计算方法如式(2)所示：

　　(2)

　　其中，H是所要探测的目标物的厚度；V是电磁波在地下介质中的传播速度，C是电磁波在大气中的传播速度，是一个常数，一般记为3×108m/s；ε是相对介电常数，该常数随着地下各层构成物质的不同，其介电常数也不同，具体数据需要根据实际情况而定，不能一概而论。

　　通常情况下，雷达波反射信号的振幅与反射系数是正比例关系，考虑以位移电流为主的低损耗介质，反射系数r的测算见式(3)：

　　(3)

　　式中，ε1、ε2为不同介质所对应界面的相对介电常数。

　　2 数据采集及参数确定

　　测量参数选择合适与否关系到测量的效果，根据勘察任务的需要，现场测量开始前应该对雷达的采集参数进行试验和设定，测量参数的选择包括天线中心频率、时窗、采样率、采样点数以及发射与接收天线间距，参数设置的是否合理影响到记录数据的质量，至关重要。

　　1）天线中心频率

　　雷达天线频率的选择由勘探目标深度和表层介质的电性结构决定，一般高频天线分辨率高，但探测深度浅，而低频天线探测深度大，分辨率低。在满足分辨率且场地条件又许可时，尽量使用中心频率低的天线。因本区勘探20米以上地层分层和异常，我们选择40Mhz非屏蔽天线连续剖面测量。

　　2）探测深度与时窗长度

　　对地质雷达勘探而言，如何选取合适的探测深度是极为重要的，若深度过小，则会丢失重要的探测数据，而深度过大，则会严重影响并降低勘探的垂向分辨率。在实际工作中，我们通常以探测深度设定为探测目标深度的1.5倍，采样时窗长度（Range/ns）的选取则要综合考虑探测深度和介电常数的实际情况，见式(4)。例如对于地层岩性为砂层时，介电常数为5，探测深度为20m时，时窗长度应选为300ns。

　　Range= 2H(ε)1/2/0.3= 6.6 H(ε)1/2(4)

　　3)采样率

　　采样率由Nyquist 采样定律控制,即采样率至少应达到记录到的反射波最高频率的2 倍。若天线中心频率为f (MHz) , 则采样率Δt (ns) 为1 000/ 6f 。

　　4）采样点数

　　对于SIR型雷达，可供选用的采样点数包括128、256、512、1024、2048，以较高的垂向分辨率为标准，可以在情况许可的情况下尽量选取较大的采样点，具体来看，采样点数Samples要满足式(5)的要求，

　　Samples≧10-8*Range*f(5)

　　其中，f为天线频率、Range为时窗长度。满足该关系可以保证在使用的频率下一个波形有10个采样点。对于40MHZ天线，500ns采样长度，采样点数应大于500,我们取1024。

　　3 雷达数据处理

　　由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形发生变化，电磁波干扰收到随机干扰，必须对信号进行处理，改善资料的信噪比，并使反射信号归位。

　　1）应用带通滤波和背景去除技术，消除随机噪声压制干扰，提高有效反射波信噪比；

　　2）采用自动时变增益和均方根能量增益技术补偿介质吸收，以提高深层反射信号能量；

　　3）通过剖面上绕射波的时距曲线拟合，并结合钻孔分层资料，反演出该地区的电磁波传播速度，并以此速度进行反射波时-深转换，得到深度雷达反射剖面。

　　4）电磁波在异常区或起伏界面上产生强绕射波，影响分层解释和判断，时间偏移处理使界面反射信号归位，获得高质量的地质雷达图像。

　　图1   原始雷达剖面（上）处理后剖面（下）

　　上图是经过上述处理步骤得到的地质雷达剖面对比，通过剖面上绕射波的时距曲线拟合，并结合钻孔分层资料，得到电磁波传播速度大约为0.16m/ns，并对反射波偏移处理，得到反射信号归位后的雷达剖面。

　　4 数据解释与结论

　　根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的对比追踪，并结合钻孔资料确定反射波组的地质分层含义，构筑地质地球物理解释剖面。并依据剖面的解释，获得各条测线的表层结构地质断面分层解释最终成果图。

　　该工程区的几个钻孔资料显示浅层分别为填土、粉质粘土和细砂及砂层。把测线经过的钻孔和剖面对比，可以看到钻孔分层和反射波在深度上基本吻合。从整个区域五条剖面上可见有几组贯穿剖面的反射同相轴，在全区基本相似。但反射剖面上的各界面反射波形在空间分别上也有一些差异。

　　（1）因采用的40MHZ雷达天线，频率较低，受直达波影响，来自浅层2m以内填土和粘土界面上的反射不能分辨。

　　（2）粘土和细沙电性差异较大，地层界面上就存在明显的反射波特征，该3米左右界面上的反射波同相轴平直而稳定。

　　（3） 大约在7米附近有一个很强的反射同相轴，在未偏移的剖面上存在绕射波，说明该界面起伏，且横向变化较大。推断可能为砂层上下潜水面的影响。

　　（4）在深度17米和22米附件有一个较弱的反射波同相轴，而且在横向上连续性较差，可能是砂岩层内沉积物差异而导致电性变化。

　　5 结语

　　地质雷达是一种非破坏性的原位探测技术,现场直接提供实时剖面记录,图像清晰直观,工作效率高,重复性好。地质雷达技术可以区分浅层不同介质的界面,指出其精确深度和介质性质,探测结果反映的是连续的地下剖面的图像。同时能够呈现介质的横向变化特征，为基建工程勘察设计和施工提供详细的岩土层空间变化信息。

　　参考文献

　　[1] 李大兴. 探地雷达方法原理与应用[M] . 北京:地质出版社,1994. 12～25.

　　[2] 吴志刚. 探地雷达在城市建设工程质量检测中的应用[J] . 岩土工程师,2000 ,12 (2) :53 - 55.

　　[3] 徐占锋. 地质雷达技术及其在工程勘探中的应用[J] . 物探装备,1999 ,9 (4) :38 - 41.

　　[4] Haeni , F P. Use of ground2penet rating radar and continuous seismic-reflection profiling on surface2water bodies in environmental and engineering studies [J] . Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 1996 , 1 : 27 - 35.