探地雷達在某公路巖溶勘探中的應用

趙洋洋

【摘要】本文介紹了探地雷達的基本原理，并對影響探地雷達應用效果的因素進行分析；通過探地雷達探測在實際公路溶洞勘察中的應用；表明探地雷達是一種高效、無損的探測方法，能較為準確的探測溶洞的大小和位置，為基礎施工提供可靠的工程依據。

【關鍵詞】探地雷達；溶洞探測

1 概述

在計算機技術高速發(fā)展的今天，探地雷達技術已經被廣泛應用到多個領域。探地雷達高度集中了近代電子技術的成果，使其不僅在設備上得到了完善，在成像、成圖分析中也更加直觀。探地雷達是一種非破壞性的檢測技術，現已廣泛應用于公路路基溶洞探查、工程質量檢測、地下埋藏物探測、壩體隱患探測、考古勘探、污染區(qū)規(guī)劃等方面。而溶洞則是在我國有著廣泛分布的天然地質情況，在溶洞區(qū)建設公路、橋梁等工程建設工作也在日益增多；如何有效的避免或減少這種天然地質情況在工程建設中的危害成為工程建設必不可少的一個環(huán)節(jié)。

2 方法原理及特征參數

2.1 基本原理

探地雷達探測地下目標主要是通過在地面通過向地下發(fā)射高頻電磁波，經地層或目的體反射后形成反射回波返回地面。探地雷達的脈沖波雙程旅行時為：

式中x值即收發(fā)距，在剖面測量中是固定的；v為電磁波在介質中之傳播速度，可用寬角法直接測量，也可以根據公式：

近似計算。C為光速，εr為地下介質的相對介電常數。

2.2 影響因素

探地雷達是根據雷達波的特征識別地下介質的形狀和性質的，因此，能否獲得可分辨的反射波是影響探地雷達應用效果的關鍵因素，它取決于雷達波的強度、探地雷達儀器的分辨能力、波在地質界面上的反射特性以及波在地下介質中行進時的衰減情況。而雷達波的強度以及探地雷達儀器的分辨能力由探地雷達儀器本身決定，我們主要分析后兩個因素。

2.2.1 反射系數的影響因素

地質雷達波是高頻電磁波，其傳播可近似為平面波，在地質界面的反射系數r 為：

式中，z1為界面上層介質的波阻抗，z2為界面下層介質的波阻抗。波阻抗的計算式為：

其中j=-1，ω=2πf為角頻率，μ為介質的磁導率，ε為介質的介電系數，σ為介質的電導率（以下同） 。由于地質雷達頻率高，一般有σ<<ωε，故反射系數可簡化為：

εr為介質的相對介電常數，角標r表示波所在的介質。反射系數反映了反射能量占入射能量的比率，取決于界面上下介質的介電系數差異。而探測目標體與周圍介質的介電系數差異是探地雷達應用的物性前提，其差異的大小影響其探測的效果。一般的商用探地雷達，可容許反射波的損耗達60dB，因此當目標體與圍巖介質的介電系數差異達到1時，可測到反射波。

2.2.2 吸收系數的影響因素

電磁波在有耗介質中的衰減，主要是由于傳導電流的熱損耗和介質極化過程中的附加損耗。除了這些本質原因，還有波的空間發(fā)散損耗和散射損耗。若僅考慮前一原因，以吸收系數β表征的波衰減特性與介質性質的理論關系：

為了說明β與σ、ε、ω的關系，我們討論兩個極限情況：

a.時，，吸收系數與頻率f 無關，而與σ成正比，與ε成反比。

b. 時，，吸收系數與頻率f 、σ有關， 而與ε無關。可見在高導電率介質中或使用高頻時，β將增大。

介質的電導率主要受介質中的含水率及粘土含量的影響，常見介質按電導率的分類如下：

A 類：低電導率（小于10-7S/m），如空氣、干的花崗巖、灰?guī)r、混凝土、瀝青等應用效果好的介質。

B 類：中電導率（10-7～10-2S/m），如純凈水、純凈水結成的冰、雪、砂、干粘土、干的玄武巖、海冰等應用效果一般的介質。

C 類：高電導率（大于10–2S/m），如濕粘土、濕頁巖、海水等應用效果較差的介質。當σ>0101Sm時，不宜使用探地雷達。

2.2.3 分辨率的影響因素

探地雷達的應用前提是獲得可分辨的反射波，而其探測效果主要由其分辨率決定（包括垂直分辨率和水平分辨率）。

探地雷達的垂直分辨率主要由探地雷達的波長決定，從波的傳播規(guī)律可知，可識別目標體的尺度一般需大于1/2波長，若垂直最小可分辨的層的厚度為Dm，則它與f的關系為：

其中， C為電磁波在真空中的傳播速度。可見頻率越高，則Dm越小，即垂直可分辨層的厚度越薄，垂直分辨率越高。

探地雷達的水平分辨率是指探地雷達在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸。根據波的干涉原理，法線反射波與第一Fresenel帶外緣的反射波的旅行差為λ/2。當反射波之間發(fā)生相長性干涉時，振幅增強；而第二Fresenel帶內的反射波發(fā)生相消性干涉時，振幅減弱，因此雷達波向下傳播的區(qū)域是一個圓錐體，其反射能量主要來自第一Fresenel帶。設目標體埋深為H，雷達波的波長為λ時，則第一Fresenel帶的半徑RF為：

由于每一雷達記錄是第一Fresenel帶內反射波的綜合反映，因此RF是水平分辨率的最小尺度。從RF的計算公式可以看出，當目標體埋深越大，雷達波頻率越低，波長越長，則RF越大，水平分辨率越低，反之，水平分辨率越高。同時，水平分辨率與探地雷達的觀測方式有關，對于剖面觀測方式，采樣點距越大，水平分辨率越低，一般的，采樣點距設為最小目標體水平尺度的1/5。

3 在橋址溶洞探測中的應用

3.1 工程地質概況

本文所選路段基巖分布為灰?guī)r，覆蓋層為山前沖積形成的粉質粘土夾碎石， 處在覆蓋型巖溶區(qū)，巖溶發(fā)育是該區(qū)主要的不良地質現象。該路段曾出現地表塌陷，最大直徑8m，最大塌陷深度3m。

3.2 地下水

該路段及周圍灰?guī)r中存在豐富的地下水資源，由于地貌上的差異，其地下水流向不一，存在形式主要有溶蝕裂隙水、溶洞存水，據區(qū)域地質資料分析可能存在地下河。

由于該段地下水含量較為豐富，灰?guī)r中裂隙發(fā)育，是溶洞、溶蝕槽、溶蝕溝等不良地質發(fā)育巖層，巖溶中充填物為軟塑-流塑狀粘土。從鉆探成井資料可看到溶蝕裂隙水和溶洞存水，但其中從東向西有30m深處溶洞成為干洞，充填粘性土。

3.3 雷達勘探

為查明該段巖溶的地下分布規(guī)律，給樁基礎的施工提供可靠的工程依據，避免工程隱患，采用地質雷達方法對該段進行了詳細勘查，其目的是查明覆蓋層的厚度，巖溶的分布規(guī)律及其填充情況。

使用RAMAC地質雷達、100MHz屏蔽天線、測點點距為0.3m及0.6m進行巖溶勘探。得到的圖像中出現2處明顯的強振幅，剖面上同向軸呈向上凸起的弧形。

結合實際地質情況，解釋認為著2處分別為3×2m的溶洞，埋深約為23m；和一上下層溶洞。經過鉆探驗證分別為相同埋深干溶洞和埋深為3m和5.5m，約1.2×1m大小的濕溶洞。

4 結論

通過在實際地段上應用探地雷達對地下隱伏溶洞的探測與鉆探驗證的對比，我們得出以下結論：

1） 探地雷達在路橋選址以及溶洞探測工程中有著高效、精確的特點，減少了工作量及工程開支。

2） 探地雷達探測深度和精度（分辨率）主要與電磁波的頻率有關。當電磁波頻率越高，探測深度越小，則探測精度越高；相反，當電磁波頻率越高，探測深度越大，則探測精度越低。因此在做探測時，應準確估算探測深度，選用合適頻率的電磁波方能達到最佳效果。

3） 探地雷達在公路路基質量的探測、路橋的選址、溶洞和地下暗河的查找中有著廣闊的發(fā)展前景。

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