應用探地雷達開展地質災害風險性勘測評估的案例分析研究

司 治

(新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊，新疆 昌吉 831100)

工農業生產和地質防災減災管理和實踐，離不開及時有效的地質勘測與解析評估工作。探地雷達勘測技術，對于郊野大范圍的地質勘測項目，尤其對于地形地貌起伏較大，對探深有一定要求的探測項目，該技術具有明顯的應用優勢。把握該雷達探地技術原理，了解介電系數計算關系，對回波影像開展技術解讀與解析，可以幫助我們熟悉探地雷達測量操作，進一步積累圖像解析經驗，助力實現更有技術適用性和解析準確性的地質勘測評估應用。

1 探地雷達探測原理簡述

探地雷達還被稱作地質探測雷達，測量過程中，探地雷達由控制主機指令發出寬帶高頻電磁波。如果在地下遇到有不同介電系數的介質，則伴隨該介質的空間形態和介電參數的差異，電磁波會對應發生改變，其傳導特性諸如波型、振幅和路徑等發生相應改變。一些電磁信號形成透射，另一些則基于介面反射，為接收天線所接收。采集數據系統對檢測構造中，不連續電介質系數的突變狀態和返回時間給予記錄和計算分析，其探測原理如圖1所示。

圖1 探地雷達的探測原理圖

地下介質因材質不同或因裂隙、不密實區、空洞等結構的影響，形成介電性相對差異，電磁波在傳導過程中，如經過松散介質或者遇非均質低阻抗介質時，雷達波型相對雜亂，有的則以同相軸窄細形態發生，有時無顯著規律；當遇到較完整巖體雷達波型無顯著反射，波型影像通常呈現均勻性黑灰顏色。經過處理所接收的回波，基于反射波組的相似性、同相性以及波型特征，依據波型、雙程傳播用時以及強度等參數，推測判斷相關介質的幾何構造形態、電性特征以及空間位置等，對不同地質所對應的反射波組給予區分，并分析它們的變化趨勢及互相關系，建立各種波組的地質構造模式，進而獲得檢測結果，達對地層解譯的目的。

測量在計算機控制下開展，可實時顯示雷達波型、采集數據和開展儲存。首先對數據開展編輯，數據接拼、測線調整、編輯數據塊、顯示參數設置；其次對數據開展基本處理，添加里程樁號、距離歸一化、時間深度轉換、調整地表時間零點、交互式解析、水平截面拉伸與壓縮；最后開展數據希爾伯特變換、反褶積、速率分析、偏移、濾波、增益調整，盡最大可能降低環境和信號干擾，提供清晰可辨的影像，為分析解析創造優質條件。經過處理的數據信息，可以雷達波型圖、三維路面截面圖、路面彩色截面圖顯示。資料解析就是對所采集的地質影像開展辨識解析，當探測波通過風化巖體與常規健康巖土體的分界面時，反射波放大能量，振幅波型變大，特定的波阻抗差異在界面兩側發生，會形成較強的反射波，依據反射波特征即可獲得地下探測目標的分布區域、層深度等特征。

另一個關鍵技術點在于介電系數校準。經常應用的介電系數校準方法包括：幾何刻度法、共反射點法、金屬板反射常數法、鉆孔取芯介電系數法等，此中的鉆孔取芯介電系數法應用比較成熟。在被測區段選取有代表性的點位開展芯鉆采樣，檢測其實際厚度。用實測厚度及采樣點截面上雷達波的雙程傳播用時兩參數，便可校準該構造層的介電系數，即：

(1)

式中：εr為構造層介電系數；t系為被測構造層的雷達波雙程傳播用時；c系為光速的理論值，取30 cm/ns；H系為被測構造層芯鉆采樣的實測厚度值。厚度計算：一旦各構造層介電系數已經知，則厚度就很容易計算。電磁波在介質中的傳導速率為：

(2)

式中：v系為電磁波在介質中的傳導速率；速率v乘以電磁波在構造層中往返用時乘1/2，即為目標構造層的結構厚度。

上面層：

(3)

下基層：

(4)

公式中：h1系為第1層構造厚度；h2系為第2層構造厚度；Δt1系為電磁波在第1層構造中傳導的往返時間；Δt2系為電磁波在第2層構造中傳導的往返時間。

2 探測工程和應用裝備概況

接受委托選用探地雷達對謝家溝地質災害風險性評估項目指定的范圍開展地質勘查，了解基巖裂縫發育情況、基巖風化層厚度、測區地質簡況和地球物理特征，依據工程特征及災害防范評估的需求?？辈闇y區的蓋覆層有強風化的礫石土及山頂局域的含土砂碎石層，基巖主要為泥巖及砂巖，范圍蓋覆層主要為第4系沖洪積的砂碎石層及崩坡積的礫石土；基巖為侏羅系砂巖、泥巖。整個探測從北向南沿山體共配置15條探測截面，合計實現雷達探測截面2 240 m。

全程選用SIR—30E型GSSI公司(美)生產的地質雷達，天線頻率可選擇應用50、100、200、500～900 MHz開展工作，對于不同探深，可選擇接掛不同型號的探測天線，實現針對。最大探深>60 cm。這次勘測目標深度值5～10 m左右，依據探測目的、現場實驗及測區現場地質條件，這次選用100 MHz頻率天線，數據采集選擇連續采集方式開展?；诰唧w探測深度設置時窗，現場所選擇的探測深度取1.5倍于目標探測深度。

3 探地雷達探地勘測成果和地質狀況評估

3.1 截面1-1＇的勘測成果和地質狀況評估

截面1-1′的各深度探地雷達探測影像如圖1～圖3具體所示。

圖1 截面1-1′的0～45 m雷達探測成果圖

圖2 截面1-1′的45～90 m雷達探測圖

圖3 截面1-1′的90～140 m雷達探測圖

雷達圖像顯示，0～3.2 m區域內同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發生，局域存在錯斷，推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、強風化基巖；3.2～6.4 m雷達影像呈現均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖，此中截面樁號50～90 m深度值3.3～5.4 m雷達影像局域呈現點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內部裂縫發育；6.4～8.5 m雷達影像呈現黑灰顏色點狀，推測判斷估測為弱風化—較完整基巖。

3.2 截面2-2′的勘測成果和地質狀況評估

截面2-2＇的各深度探地雷達探測影像如圖4～圖6具體所示。

圖4 截面2-2′的0～50 m雷達探測圖

圖5 截面2-2′的50～100 m雷達探測圖

圖6 截面2-2′的100～150 m雷達探測圖

雷達圖像顯示，0～3.1 m區域內同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發生，局域錯斷，推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、強風化基巖；3.1～6.0 m雷達影像呈現均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖，此中截面樁號50～73 m深度值3.1～5.3 m雷達影像局域呈現點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內部裂縫發育；6.0～8.5 m雷達影像呈現黑灰顏色點狀，推測判斷估測為弱風化—較完整基巖。

3.3 截面3-3′的勘測成果和地質狀況評估

截面3-3′的各深度探地雷達探測影像如圖7～圖8具體所示。

圖7 截面3-3′0～50 m雷達探測圖

圖8 截面3-3′50～120 m雷達探測圖

雷達圖像顯示，0～3.2 m區域內同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發生，局域錯斷，推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強風化基巖；3.2～6.2 m雷達影像呈現均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖，此中截面樁號10～25 m深度值3.2～8.5 m雷達影像局域呈現點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內部裂縫發育；6.0～8.5 m雷達影像呈現黑灰顏色點狀，推測判斷估測為弱風化—較完整基巖。

3.4 截面4-4′的勘測成果和地質狀況評估

截面3-3＇的各深度探地雷達探測影像如圖9～圖10具體所示。

圖9 截面4-4′的0～60 m雷達探測圖

圖10 截面4-4′的60～125 m雷達探測圖

截面4-4′的雷達探測長度125 m，探測影像反映：這次雷達探測深度區域內(0～8.5 m)，0～3.1 m區域內同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發生，局域錯斷，推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強風化基巖；3.1～5.7 m雷達影像呈現均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖；5.7～8.5 m雷達影像呈現黑灰顏色點狀，推測判斷估測為弱風化—較完整基巖。

3.5 其它各截面的勘測成果和地質狀況評估

截面5-5′至截面10-10′亦得到了各深度探地雷達探測影像，因篇幅所限，這里只給出依據雷達影像分析所得到的地質狀況評估成果。

截面5-5′雷達探測長度130 m，探測影像反映：這次雷達探測深度區域內(0～8.5 m)，0～2.8 m區域內同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發生，局域錯斷，推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強風化基巖；2.8～5.7 m雷達影像呈現均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖；5.7～8.5 m雷達影像呈現黑灰顏色點狀，推測判斷估測為弱風化—較完整基巖，此中截面樁號25～65 m深度值7.0～8.5 m雷達影像局域呈現點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內部裂縫發育。

截面6-6′雷達探測長度105 m，探測影像反映：這次雷達探測深度區域內(0～8.5 m)，0～3.0 m區域內同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發生，局域錯斷，推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強風化基巖；3.0～6.3 m雷達影像呈現均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖，此中截面樁號66～73 m深度值3.2～5.3 m雷達影像局域呈現點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內部裂縫發育；5.7～8.5 m雷達影像呈現黑灰顏色點狀，推測判斷估測為弱風化—較完整基巖。

截面7-7′雷達探測長度140 m，探測影像反映：這次雷達探測深度區域內(0～8.5 m)，0～2.7 m區域內同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發生，局域錯斷，推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強風化基巖；2.7～5.6 m雷達影像呈現均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖；5.6～8.5 m雷達影像呈現黑灰顏色點狀，推測判斷估測為弱風化—較完整基巖。

截面8-8′雷達探測長度150 m，探測影像反映：這次雷達探測深度區域內(0～8.5 m)，0～2.6 m區域內同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發生，局域錯斷，推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強風化基巖；2.6～6.0 m雷達影像呈現均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖，此中截面樁號30～45 m深度值3.2～7.5 m雷達影像局域呈現點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內部裂縫發育；6.0～8.5 m雷達影像呈現黑灰顏色點狀，推測判斷估測為弱風化—較完整基巖。

截面9-9′雷達探測長度170 m，探測影像反映：這次雷達探測深度區域內(0～8.5 m)，0～2.7 m區域內同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發生，局域錯斷，推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強風化基巖；2.7～6.3 m雷達影像呈現均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖；6.3～8.5 m雷達影像呈現黑灰顏色點狀，推測判斷估測為弱風化—較完整基巖。

截面10-10′雷達探測長度165 m，探測影像反映：這次雷達探測深度區域內(0～8.5 m)，0～2.8 m區域內同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發生，局域錯斷，推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強風化基巖；2.8～6.3 m雷達影像呈現均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖；6.3～8.5 m雷達影像呈現黑灰顏色點狀，推測判斷估測為弱風化—較完整基巖，此中截面樁號20～105 m深度值6.4～7.5 m雷達影像局域呈現點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內部裂縫發育。

4 結語

測區的蓋覆層有強風化的礫石土及山頂局域的含土砂碎石層，基巖主要為砂巖及泥巖，當電磁波穿透蓋覆層時，因為蓋覆層含土對電磁波的吸收較強，使得下部的電磁波較弱，但當遇到介質分界面時，反射波能量提高，波型振幅變大，導致風化帶兩側存在一定的波阻抗差異，但是在均勻介質中卻沒有顯著電磁波反射，波型振幅值較小。測區各地層在雷達探測影像上雷達波(電磁波)有顯著差異。探測成果顯示，在勘察區8.5 m以內地層深度區域內分為三大波型影像層：上部推測判斷估測為以第4系松散層為主，主要地層為強風化巖體、塌崩體坡積物和含粉土礫石，厚度通常在3.0 m左右；中部3.0～6.0 m區域內為強風化弱風化基巖；底部為弱風化較完整基巖。