探地雷達的應用

探地雷達是一種高分辨率探測技術,可以對淺層地質問題進行詳細填圖,也可以對地下淺部埋藏的目的體進行無損檢測。由于電子技術與數(shù)字處理技術的發(fā)展,使探地雷達的分辨率與探測深度大大提高,探地雷達已在工程地質勘察、災害地質調查、地基基礎施工質量檢測、考古調查、管線探測、公路工程質量檢測等多個領域中得到了廣泛應用。下面介紹探地雷達在兩個領域中的應用。

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（一）探地雷達在工程地質勘察中的應用

大型工程建筑對地基質量要求很高,當?shù)叵鹿こ痰刭|條件橫向變化較大時,常規(guī)的鉆探工作由于只能獲得點上的資料,無法滿足基礎工程施工對地質條件的要求,而探地雷達由于能對地下剖面進行連續(xù)掃描,因而在工程地質勘察中得到了廣泛的應用。

1.基巖面的探地雷達探測

高層建筑對地基的附加應力影響深、范圍廣,對地基土的承載力要求高。當場地的地基土層軟弱,而在其下不太深處又有較密實的基巖持力層時,常常采用進入基巖的樁基礎,在基巖面起伏劇烈地區(qū),詳細描述基巖面的起伏對樁基礎設計有重要意義。

圖3-53 灰?guī)r與覆蓋地層的探地雷達圖像

廣州同德花園位于廣州西北郊同德鄉(xiāng)廣佛高速公路旁。第四系覆蓋在基巖（灰?guī)r）上,第四系為淤泥、粉質黏土與砂,比較松軟；其下為灰?guī)r,有較高的承載力。建筑物擬采用預制樁樁基礎。在樓址范圍30.8 m× 30.8m內,基巖深度為18～43.5 m,高差達25.5m,為此需要詳細調查基巖面的起伏。由于灰?guī)r與上覆地層之間電性差異大,探地雷達圖像中灰?guī)r極易識別,圖3-53為該場地地層的探地雷達圖像,圖中灰?guī)r反射波特征明顯。

圖3-54是由探地雷達測量結果繪制的基巖等深圖。該場地西北角為基巖深凹陷,基巖面起伏更大之處,在10m水平距離內基巖面高差可達19m。顯然,用鉆探很難控制基巖面的劇烈起伏,上述結果表明,應用探地雷達探測基巖起伏效果明顯。

圖3-54 同德花園10棟基巖等深圖（單位：m）

2.巖溶地區(qū)的探地雷達探測

巖溶（又稱喀斯特）是指碳酸鹽巖等可溶性巖層受水的化學和物理作用所產生的溝槽裂隙和空洞,以及由于空洞頂板塌落使地表產生陷穴、洼地等現(xiàn)象和作用的總稱。

在巖溶地區(qū)進行工程地質勘察的主要目的是查明建筑場地范圍內巖溶的分布、形狀和規(guī)模。下面對各類巖溶的探地雷達圖像特征加以描述。

（1）節(jié)理裂隙巖溶

水對灰?guī)r的侵蝕一般從節(jié)理裂隙開始,巖溶本身往往就是裂隙溶蝕、擴大的結果,因此節(jié)理裂隙交叉處或密集帶往往就是巖溶發(fā)育帶。圖3-55為湖北黃石某地裂隙溶蝕帶的探地雷達圖像。從圖中可以看出地下6m以上為覆蓋層,其下為灰?guī)r。灰?guī)r致密無溶蝕特征時,基本上無雷達反射波存在；灰?guī)r中存在溶蝕裂隙并充水時,由于電性差異大,形成強反射波。在探地雷達確定的裂隙巖溶處進行鉆探,其結果表明該處沒見明顯空洞,但該處巖體裂隙發(fā)育,鉆孔漏水嚴重。由此證實該雷達圖像反映的是由地下水在裂隙發(fā)育帶形成的裂隙巖溶。

圖3-55 裂隙巖溶的探地雷達圖像

圖3-56 溶蝕溝的探地雷達圖像

（2）溶蝕溝槽

灰?guī)r *** 露地表時,其表面遭受風化后強度降低。灰?guī)r表面地形變化劇烈的地方,會由于地表的大徑流,使其表面受強烈侵蝕而形成溶溝、溶槽。圖3-56為廣州市某處溶蝕溝的探地雷達圖像。由圖可見,灰?guī)r中反射波明顯減弱,同相軸中斷的區(qū)域為灰?guī)r的溶蝕溝。由于溝壁陡直,在地表接收不到來自溝壁的反射波,而溝壁周界的灰?guī)r會由于溶蝕作用形成強反射波,因此溶蝕溝圈定應以強反射波為周界。該處地下灰?guī)r為石炭系灰?guī)r,曾 *** 露地表,在灰?guī)r的斜坡面上會由于地表徑流的侵蝕形成溶蝕溝。在地殼下降后,溶蝕溝逐漸為粉土充填。

（3）溶洞與開口溶洞

溶洞是可溶巖中的空洞,對建筑基礎影響更大的是可溶巖面附近的溶洞。當巖面覆蓋著易被沖蝕的滲透地層,且?guī)r溶與上覆地層存在水力聯(lián)系時,這種水力聯(lián)系會加速巖溶發(fā)育。當巖溶頂部變薄,不能支持上覆地層負荷時,就會發(fā)生塌落,形成開口溶洞。在開口溶洞上方土體中存在被沖蝕,以致土體密度降低的現(xiàn)象,我們稱為土體擾動。圖3-57為廣州市某處的開口溶洞的探地雷達圖像。該處覆蓋層為細顆粒粉砂,有一定的滲透性,其下為灰?guī)r?；?guī)r面附近巖溶發(fā)育,可見不規(guī)則強反射波。在強反射波所圍繞的區(qū)域內有一組短周期細密反射波。該反射波組特征與上覆地層反射波特征類似,這表明灰?guī)r中空洞已被上覆地層沖蝕的土體所充填。由于開口溶洞上方土體已遭沖蝕,其反射波形態(tài)與周圍土層的反射波形態(tài)不同,表明上覆地層已遭擾動。擾動土層與充填溶洞構成了開口溶洞特征。這類巖溶使上覆地層承載力明顯降低,極易引起坍塌,在巖溶地區(qū)勘察時這類開口溶洞應引起注意。

圖3-57 開口溶洞的探地雷達圖像

（二）探地雷達在地基基礎施工中的應用

1.探地雷達在樁基礎施工障礙成因調查中的應用

近年來,大型建筑物采用樁基礎施工的數(shù)量越來越多。由于勘探程度不夠或地下介質不均勻程度加劇,造成樁基礎施工遇阻。實踐表明,探地雷達在判斷樁基礎施工遇阻的原因方面有獨到作用。

（1）樁位處地層斷裂性質判別

武漢火炬大廈樁基礎施工過程中,在武珞路北擬建的33層高層建筑東北角51＃挖孔樁遇到破碎地層。為評價樁位下地層破碎的成因及其對樁位的影響,圍繞樁位進行了探地雷達測量。場區(qū)基坑已開挖,第四系填土已被挖除,地層系志留系泥巖。志留系原巖曾 *** 露地表,經風化自上而下可分為全風化層、中風化層與微風化層。無破碎帶存在時,反射波同相軸連續(xù)。當基巖因斷裂而形成破碎帶時,反射波同相軸明顯錯斷。由于破碎帶為地下水入侵提供了通道,造成風化程度加深,錯動帶內雷達反射波強度明顯減弱。圖3-58為基巖破碎帶的探地雷達圖像特征。為了了解樁位處斷裂情況,圍繞樁位布置了雷達測線。根據(jù)地質雷達圖像,得到基巖破碎帶的平面分布,如圖3-59所示。由圖可見,51＃樁位于兩條斷裂之間,這兩條斷裂應為褶皺形成時的伴生斷裂,斷距?。ǎ?m）,斷裂帶寬度不大（1.6m左右）,因此只要根據(jù)破碎帶力學性質對樁的設計做些小改動,就可以繼續(xù)進行挖孔樁施工。上述結論已為設計部門接受并為隨后的挖孔樁施工所證實。

圖3-58 基巖破碎帶探地雷達圖像

圖3-59 雷達測線布置與破碎帶分布平面圖

（2）樁基礎下異常性質判斷

粵漢碼頭灘地改造一期工程住宅樓場址在進行沉管灌注樁施工過程中,有的樁位遇阻打不下去,有的樁位水泥超量使用。為查明樁基施工過程中問題的癥結,圍繞樁位用探地雷達進行了探測。在樁基礎施工中主要出現(xiàn)的問題有兩類：一是遇障礙物,樁很難打下去；二是樁非常容易打下去,但澆灌的混凝土大大超出樁的體積。探地雷達測量所發(fā)現(xiàn)的異常有三種類型：一是雜填土中硬物異常；二是雜填土中的不密實區(qū)；三是淤泥液化形成的空穴。本場地為緊靠長江的灘地,為防洪在地表下填充了大量雜填土。當雜填土中存在建筑垃圾等雜物時,便形成了與周圍介質差異極大的強、寬反射波,這類異常沒能在周圍測線形成有規(guī)則的排列,故定為硬性雜物,如圖3-60（a）所示。當雜填土堆積比較疏松,形成雜填土中的不密實區(qū),這類填土可能是生活垃圾等細軟物質,形成同相軸雜亂的反射波,如圖3-60（b）所示。按場地地質勘測結果,粉砂層上有一層粉質黏土。當粉質黏土中淤泥質含量高且下伏的粉砂顆粒較粗時,淤泥質土受到樁基礎施工擾動形成液狀土,當其水分通過下伏透水性好的砂層滲漏時便會形成空穴。這種空穴形成有下列三個條件：一是下伏粉砂顆粒較粗,透水性好；二是粉土顆粒變細向淤泥質土靠近,含水率高；三是在這種土中進行樁基礎施工造成擾動。當這三個條件都具備時,會在這類土中形成空穴,如圖3-60（c）所示。

圖3-60 三種地下異常的探地雷達圖像

（a）雜填硬物的地質雷達圖像；（b）不密實區(qū)的地質雷達圖像；（c）淤泥液化成空穴的地質雷達圖像

2.探地雷達在地下頂管問題調查中的應用

在老城區(qū)改造進行地下水管道及煤氣管道鋪設時,為不影響地面交通,常采用地下頂管工藝鋪設管道。在地下地質情況復雜區(qū),頂管常會遇到問題,極需查明情況采取對策。實踐表明,探地雷達在查明地下頂管問題過程中效果明顯。

（1）頂管引起地下塌陷原因剖析

上海曲阜路地下煤氣管道的地下頂管施工過程中,文安路口東頭路面發(fā)生陷落,為決定煤氣管是繼續(xù)采用地下頂管施工,還是采用大開挖施工,必須查明陷落范圍與成因,為此應用探地雷達進行探查。圖3-61為該段探地雷達圖像。在地表32～54m范圍,深度1.5～4m處可見到反射波特征明顯不同于周圍介質的區(qū)域。該處反射波強度明顯加大,反射波同相軸明顯不連續(xù),呈現(xiàn)雜散充填物的反射波特征。該處緊挨吳淞江,地表有流入吳淞江的支流,因此在筑路時填充有雜填土。由圖還可見到,在更大范圍（地表2～54m）內有反射波強度變弱、周期變短的區(qū)域,具有均質淤泥反射波特征,故該處應為雜填土的沉積物范圍。淤泥液化度高,在地下頂管過程中受到擾動,飽和孔隙水釋放,淤泥塌陷,造成路基承載力下降,路面陷落。淤泥變形區(qū)的周界處可見到反射波同相軸的明顯錯斷。

圖3-61 上海曲阜路探地雷達圖像

（2）地下頂管前方障礙物探查

根據(jù)市政建設需要,南京市下水管道需在水關橋公鐵立交橋下通過。水關橋公鐵立交橋采用沉箱工藝建筑,由于地下存在淤泥質軟基地層,在沉箱下填有碎石加固基礎。下水管過立交橋采用地下頂管工藝,為了頂管安全,要求應用探地雷達探測管線通過處有無地下障礙物存在。測量采用頂管前方超前預報的環(huán)形剖面與管線地表剖面探測相結合的 *** 。圖3-62為1＃管超前探測環(huán)形剖面雷達圖像,可見有兩道雷達波形在頂管前方10m以遠,尤其在11.6～14.8m范圍內有孤立的人為障礙物存在。圖3-63為1＃管線地表剖面的雷達圖像,表明該處箱體下軟基發(fā)育,淤泥底界深約4m。在箱體下軟基發(fā)育段,淤泥底界面上有一不連續(xù)窄反射波。這與頂管前方探測的異常是一致的,該異常應為箱體基礎施工過程中加固物沒入淤泥底所形成的。工作結果表明,在管線通過處前方無人為的大直徑障礙物存在,而孤立的小塊障礙物由于處在淤泥中,極易被頂管推動而移開,不會造成施工障礙,上述結論已為施工所證明。

圖3-62 1＃管超前預報環(huán)形剖面雷達圖像

1＃頂管面前方10～14.5m有孤立的接近0.3m的塊石

圖3-63 1＃管線地表剖面雷達圖像

本項目重點

本項目重點介紹了電磁感應法理論基礎,并將頻率測深,尤其可控源音頻大地電磁測深法,以及瞬變電磁法作為重點 *** 給予介紹。

思考題

1. *** 名詞理解：

電磁法；電磁測深法；電磁剖面法；瞬變電磁法；可控源音頻大地電磁法；探地雷達法。

2.闡述電磁法的基本原理。

3.闡述電磁測深法的基本原理和應用范圍。

4.闡述電磁剖面法的基本原理和應用范圍。

5.闡述瞬變電磁法的基本原理和應用范圍。

6.闡述可控源音頻大地電磁法的基本原理。

7.闡述探地雷達的基本原理和應用范圍。

8.試對比時間域和頻率域電磁法的優(yōu)缺點。

9.試述對稱四極裝置直流電測深、大地電磁測深、頻率測深和瞬變測深曲線的共同點和不同點。

10.試論用電磁法評價異常源性質的可能性和局限性。

11.在電阻率為100Ω·m的均勻介質中傳播1000 Hz的平面電磁波,試計算電磁系數(shù)m及趨膚深度δ（已知εr＝36）。

12.比較f＝1000 Hz的電磁波在空氣中和電阻率為10Ω·m的導電介質中的波長。

13.在我國的某一工區(qū)開展大地電磁測深工作,所使用儀器的頻率范圍為320～0.001Hz,已知地下的平均電阻率為100Ω·m,求大地電測深在該區(qū)工作的更大穿透深度是多少?

　探地雷達

11.6.1　基本原理

探地雷達（Geologic Radar或Earth Pobing Radar）主要研究電磁波在介質中傳播的速度，介質對電磁波的吸收，以及電磁波在介質交界面的反射。

11.6.1.1　電磁波在介質中的傳播速度

探地雷達測量的是地下界面的反射波走時 t，為了獲取地下界面的深度 h=tv/2，必須有介質的電磁波傳播速度v：

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式中：c為真空中電磁波傳播速度，c=0.3m/ns；ε，為相對介電常數(shù)，是介質介電常數(shù)ε與真空的介電常數(shù)ε0的比值。

11.6.1.2　電磁波在介質中的吸收特性

吸收系數(shù)α決定了場強在傳播過程中的衰減率，對非良導電、非磁性介質，α的近似值為

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即α與導電率σ成正比，與介質導磁率μ和介電常數(shù)ε比值的平方根成正比。

11.6.1.3　反射定律與反射系數(shù)

電磁波（又稱入射波）到達介質的電性分界面時，會發(fā)生反射，被界面反射而返回的電磁波稱為反射波。反射波與入射波界面處的運動學特征（即傳播方向）遵循反射定律，即入射角θi（入射方向與界面法線向的夾角）等于反射角θr（反射方向與界面法線方向的夾角）。

電磁波在到達界面時，還將發(fā)生能量的再分配。入射波、反射波和折射波三者之間能量關系，因入射波電磁場相對界面的方向（極化特性）不同而異。當電場平行于界面時，電磁波從介質1入射到介質2時的電場反射系數(shù) R12為

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對于非磁性、非良導電介質，

。垂直入射時11.6.2　觀測 ***

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探地雷達盡管型號很多，但都可以看成是由接收、發(fā)射兩部分組成。發(fā)射部分通過天線向地下發(fā)射超高頻寬帶短脈沖電磁波，接收部分通過天線接收來自地下介質交界面的反射電磁波。目前常用的探地雷達觀測方式有剖面法和寬角法兩種。

11.6.2.1　剖面法

剖面法是發(fā)射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。當發(fā)射天線與接收天線間距為零，亦即發(fā)射天線與接收天線合二為一時，稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結果可以用探地雷達時間剖面圖像來表示。該圖像的橫坐標記錄了天線在地表的位置；縱坐標為反射波雙程走時，表示雷達脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經地下界面反射回到接收天線所需的時間。這種記錄能準確反映測線下方地下各發(fā)射界面的形態(tài)。圖11-8為剖面法示意圖及其雷達圖像剖面。

圖11-8　剖面法示意圖及雷達圖像

11.6.2.2　寬角法

為了原位測量地下介質的電磁波速度，在探地雷達工作中還常采用寬角法或共中點法觀測方式。一個天線固定在地面某一點上不動，而另一天線沿測線移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時，這種測量方式稱為寬角法。也可以用兩個天線，在保持中心點位置不變的情況下，改變兩個天線之間距離，記錄反射波雙程走時，這種測量方式稱為共中心點法。當?shù)叵陆缑嫫街睍r，這兩種 *** 結果一致。這兩種測量 *** 的目的是求取地下介質的電磁波傳播速度。圖11-9是共中心點觀測方式示意圖及其雷達圖像。

深度為h的地下水平界面的反射波雙程走時t滿足：

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式中：x為發(fā)射天線與接收天線之間的距離；h為反射界面的深度；v為電磁波的傳播速度。當?shù)貙与姶挪ㄋ俣葀不變時，t2與x2成線性關系。用寬角法或共中心點法測量得到地下界面反射波雙程走時t，再利用公式（11.9）就可求得地層的電磁波速度。

11.6.3　技術要求

11.6.3.1　測線布置原則

探地雷達的野外工作常常是沿測線進行的，沿測線采集到的數(shù)據(jù)經處理后的成果就是探地雷達剖面（時間剖面或深度剖面），它是探地雷達資料解釋的基本依據(jù)。測線布置的基本原則如下。

（1）主測線應垂直地下目標體走向，輔助測線平行目標體走向，目的是更好地反映目標體形態(tài)，同時也可以避免大量異常波的出現(xiàn)；

圖11-9　共中心點觀測方式與雷達圖像

（2）測線應盡量通過已有的井位，以利于地層的對比。

11.6.3.2　分辨率

分辨率是地球物理 *** 分辨最小異常體的能力。分辨率可分為垂向分辨率與橫向分辨率。類似于地震勘探，通常將探地雷達剖面中能夠區(qū)分一個以上反射界面的能力稱為垂向分辨率。

為了研究方便，選用處于均勻介質中一個厚度逐漸變薄的地層模型。電磁波垂直入射時，則有來自地層頂面、底面的反射波以及層間的多次波。多次波的能量較弱，所得到的雷達信號為頂面反射波與底面反射波的合成。依照相應地層厚度的時間關系所得地層頂面的反射波合成雷達信號見圖11-10。由圖可知，可取地層厚度 h=A/4作為垂直分辨率的下限。

探地雷達在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸稱為橫向分辨率。雷達剖面的橫向分辨率通常可用菲涅爾帶加以說明。設地下有一水 *** 射面，以發(fā)射天線為圓心，以其界面的垂距為半徑，作一圓弧與反射界面相切，此圓弧代表雷達到達此界面時的波前，再以多出1/4及1/2子波長度的半徑畫弧，在水平面界面的平面上得到兩個圓。其內圓稱為之一菲涅爾帶，兩圓之間的環(huán)形帶稱作第二菲涅爾帶。根據(jù)波的干涉原理，法線反射波與之一菲涅爾帶外緣的反射波的光程差λ/2（雙程光路），反射波之間發(fā)生相長性干涉，振幅增強。之一帶以外諸帶彼此消長，對反射的貢獻不大，可以不考慮。設反射界面的埋深為 h，發(fā)射、接收天線的距離遠遠小于h時，之一菲涅爾帶半徑可按下式計算：

圖11-10　地層厚度對波形影響示意圖（據(jù)Widess　1973修改）

（a）為反射射線圖解，b為地層厚度；（b）為單個反射波形，利用地層厚度算出的時間延遲把得自頂?shù)捉缑娴膯蝹€反射波形相加，即得到如（c）中的波形；（c）為復合反射波形，它是地層厚度的函數(shù)，T為入射子波主周期，λ2=tv為地層內的波長。等時線間隔為t/2。標有x的線為波谷時間線，點線為零振幅時間線，為各復合子法的中心線；（d）為振幅與視厚度的定義

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式中：λ為雷達子波的波長；h為異常體的埋藏深度。

圖11-11為處于同一埋深、間距不同的兩個金屬管道的探地雷達圖像。該圖像在水槽中獲得，實驗使用鐵管φ5cm，鋼管φ3cm。測量時使用中心頻率為100MHz天線，其在水中的子波波長λ＝0.33m。從圖中可以看出一些內容：①處在深度為1.06m的φ3cm鐵管仍可以很清晰地為探地雷達所分辨，由于其管徑約為0.1rf，說明探地雷達對單個異常體的橫向分辨率要遠小于之一菲涅爾帶的半徑。②圖11-10(a）兩管間距0.5m大于之一菲涅爾帶半徑，由雷達圖像可以準確把兩管水平位置確定出來；（b）兩管間距0.4m小于之一菲涅爾帶半徑rf=0.42m，已很難用雷達圖像確定兩管精確位置。這表明區(qū)分兩個水平相鄰的異常體，其最小橫向距離要大于之一菲涅爾帶半徑。

11.6.3.3　探測距離與探距方程

探地雷達能探測最深目標體的距離稱為探地雷達的深測距離。當雷達系統(tǒng)選定后，系統(tǒng)的增益 Q。就確定。Qs為最小可探測的信號功率 Wmin與輸入到發(fā)射天線的功率Wt之比，即：

圖11-11　兩個同深金屬管的地質雷達圖像

（a）鋼管（右）直徑3cm，頂深1.06m；鐵皮管（左）直徑5cm，頂深1.04m，管中心距0.5m;（b）鋼管（右）頂深0.52m；鐵皮管（左）頂深0.5m，管中心距0.4m;（c）鋼管（右）頂深1.04m；鐵皮管（左）頂深1.06m，管中心距0.4m

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探地雷達從發(fā)射到接收的過程中能量會逐漸損耗。雷達系統(tǒng)從發(fā)射到接收過程中的功率損耗 Q可由雷達探距方程來描述。

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式中：ηt、ηr分別為發(fā)射天線與接收天線的效率；Gt、Gr分別為在入射方向與接收方向上天線的方向性增益；g為目的體向接收天線方向的后向散射增益；σ為目的體的散射截面；α為介質的吸收系數(shù)；r為天線到目的體的距離；λ為雷達子波在介質中的波長。

滿足Qs+Q＞0的更大距離r，稱為探地雷達的深測距離，亦即處在距離 r范圍內的目的體的反射信號可以為雷達系統(tǒng)所探測。

11.6.3.4　探地雷達 *** 有效性評價

每接受一個探地雷達測量任務，都需要對探地雷達解決地質問題的有效性進行評價，以確定探地雷達測量能否取得預期效果。

（1）目標體深度是一個非常重要的問題。如果目標體深度超出雷達系統(tǒng)探測距離，則探地雷達 *** 就要被排除。雷達系統(tǒng)探測距離可根據(jù)雷達探距方程（11.12式）進行計算。

（2）目標體幾何形態(tài)（尺寸與取向）必須盡可能了解清楚，包括高度、長度與寬度。目標體的尺寸決定了雷達系統(tǒng)可能具有的分辨率，關系到天線中心頻率的選用。如果目標體為非等軸狀，則要搞清目標體走向、傾向與傾角，這些將關系到測網的布置。

（3）目標體的電性（介電常數(shù)與導電率）必須搞清。雷達 *** 成功與否取決于是否有足夠的反射或散射能量為系統(tǒng)識別。當圍巖與目標體相對介電常數(shù)分別為εh與εT時，目標體功率反射系數(shù)的估算式為：

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一般說目標體的功率反射系數(shù)應大于0.01。

（4）測區(qū)的工作環(huán)境必須搞清。當測區(qū)內存在大范圍金屬構件并成為無線電射頻源時，將對測量構成嚴重干擾，在進行資料解釋時必須加以排除。

11.6.4　信號處理

11.6.4.1　濾波技術

探地雷達測量中，為了保持更多的反射波特征，多采用寬頻帶進行記錄，但在記錄各種有效波的同時，也記錄了各種干擾波。一維濾波技術就是利用頻譜特征的不同來壓制干擾波，以突出有效波，它包括一維頻率域濾波和一維時間域濾波。

探地雷達數(shù)據(jù)中，有時有效波和干擾波的頻譜成分十分接近甚至重合，這時無法用頻率濾波壓制干擾，需要用有效波和干擾波在空間位置上的差異進行濾波。這種濾波要同時對若干道進行計算才能得到輸出，因此是一種二維濾波。

二維濾波原理是建立在二維傅里葉變換基礎上的。沿地面觀測頻率波數(shù)譜 G（ω，kx）是頻譜的時空函數(shù)。

地質災害勘查地球物理技術手冊

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上式說明，g(t,x）是由無數(shù)圓頻率為ω＝2πf，波數(shù)為kx的平面簡諧波所組成，它們沿測線以視速度v＊傳播。

如果有效波和干擾波的平面簡諧波成分有差異，有效波的平面諧波成分與干擾波的平面諧波成分以不同的視速度傳播，則可用二維視速度濾波將它們分開，達到壓制干擾、提高信噪比的目的。

11.6.4.2　二維偏移歸位處理 ***

探地雷達測量的是來自地下介質交界面的反射波。偏離測點的地下介質交界面的反射點只要其法平面通過測點，都可以被記錄下來。在資料處理中需要把雷達記錄中的每個反射點移到其本來位置，這種處理 *** 被稱為偏移歸位處理。經過偏移處理的雷達剖面可反映地下介質的真實位置。常用的偏移歸位 *** 有繞射偏移、波動方程偏移和克?；舴蚍e分偏移，有關偏移 *** 可參考相關地球物理信號處理書籍。

11.6.5　數(shù)據(jù)處理 ***

數(shù)據(jù)處理的目的是對原始雷達記錄進行初步加工處理，使實測的雷達資料更便于計算機處理。常用的處理 *** 有不正常道處理與多次疊加處理。

當天線與地面接觸不良，或者由于發(fā)射電路工作不正常產生廢記錄道，在預處理時必須廢除該道記錄，并用相鄰道的均值補全。

在地下介質對電磁波吸收較強的測區(qū)，為了增加來自地下深處的信息，加大探地雷達的探測深度，常常使用多次疊加技術。目前適用于探地雷達多次疊加處理的測量 *** 有兩種：一種是多天線雷達測量系統(tǒng)，應用一個發(fā)射天線，多個接收天線同時進行測量；另一種是多次覆蓋測量，使用幾種不同天線距的發(fā)射—接收天線沿測線進行重復測量。多次覆蓋測量在同一測點上有幾組共反射點的雷達數(shù)據(jù)，經天線距校正后，進行疊加使得來自地下的反射波得到加強，而干擾波信號大大減弱，從而增加了探測深度。

11.6.6　成果表達形式

（1）探地雷達實際材料圖集中顯示雷達測網布置；

（2）雷達剖面成果圖顯示雷達測線下地層與構造形態(tài)；

（3）平面等值線圖表達測線范圍內某些目的層分布特征，其中包括基巖高程圖、目的層等深圖等；

（4）雷達推測成果圖，包括推斷構造分布、滑體范圍成果圖，巖溶平面分布圖等；

（5）三維雷達成果，包括垂直切片圖、水平切片圖、三維體顯示以及格柵顯示圖。

11.6.7　資料解釋原則

探地雷達資料的地質解釋是探地雷達測量的目的，這項工作通常是在數(shù)據(jù)處理后所得到的探地雷達圖像剖面中，根據(jù)反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質含義，構筑地質—地球物理解釋剖面并依據(jù)剖面解釋獲得整個測區(qū)最終成果圖，為地質災害的治理方案提供依據(jù)。

探地雷達資料反映的是地下介質的電性分布，要把地下介質的電性分布轉化為地質情況，必須要把地質、鉆探、探地雷達這三方面的資料結合起來，建立測區(qū)的地質—地球物理模型，并以此得到地下地質模式。

11.6.7.1　雷達剖面與地質剖面的關系

雷達剖面不是地質剖面的簡單反映，兩者既有內在聯(lián)系，又有區(qū)別。

（1）雷達反射界面與地層界面的關系

雷達反射界面是電性界面，而地質剖面反映的是巖層界面。地層劃分的依據(jù)是巖性、生物化石種類及沉積時間等。地質剖面中由于沉積間斷或巖性差異而形成的面，如斷層面、侵蝕不整合面、流體分界面及不同巖性的分界面，均可成為反射面，這時反射面與地質分界面是一致的，即大多數(shù)雷達反射面大體上反映地層界面的形態(tài)。然而在許多情況下，反射面與鉆井或測井所得到的地質剖面的地層分界面并不一致。主要體現(xiàn)在以下幾種情況：

首先是有些埋藏深的古老地層，在長期的構造運動和壓力的作用下，相鄰地層可能有相近的波阻抗，因而地質上的層面不足以構成反射面。

其次，同一巖性的地層，其中既無層面又無巖性分界面，但由于巖層中所含流體成分不同，而構成物性界面，如飽水帶與飽氣帶界面，因而雷達反射界面有時也并非是地質界面。

再次，雷達反射面是以同相軸表達的，當多個薄層組成多個地質界面時，在雷達剖面中由于雷達子波有一定的延續(xù)度使多個薄層界面的反射波疊加成復合波形，從而產生反射波界面與地層界面的不一致。

（2）雷達反射界面的幾何形態(tài)與地質構造關系

雷達反射波剖面圖像一般可以定性反映地質構造形態(tài)，尤其當構造形態(tài)比較簡單時，反射波同相軸的幾何形態(tài)所反映的地質構造是直觀的、明顯的。但由于分辨率限制及其噪聲，雷達剖面反映構造細節(jié)有限，使兩者之間存在不少差別。

首先，雷達剖面通常是時間剖面而地質剖面是深度剖面。雷達時間剖面要經過時深轉換后才能成為深度剖面。時深轉換后的雷達深度剖面與地質剖面的符合程度，主要取決于速度資料的可靠程度。速度不準，會導致雷達深度剖面上的反射層與地質剖面上的真實地層不符，甚至會引起構造畸變。

其次，由于雷達波的垂向分辨率的限制，致使在薄層情形下，雷達反射層與地質層位往往不是一一對應的，有可能一個地質界面對應多個雷達相位，多個薄的地層界面對應多個雷達相位。

再次，只要觀測點處在界面的法線上，就會接收到旁側界面的反射波，使雷達剖面上所反映的地質構造在空間上發(fā)生了偏移。尤其當?shù)刭|構造比較復雜時，雷達剖面上反射波同相軸的幾何圖形并不能直接反映復雜構造的真實形態(tài)，甚至面目全非，給雷達資料帶來很多假象，使得雷達剖面解釋存在多解性。

11.6.7.2　雷達時間剖面對比

時間剖面的對比就是在雷達反射波時間剖面上，根據(jù)反射波的運動學和動力學的特征來識別和追蹤同一反射界面反射波的過程。它實際上包括兩方面的工作，一個工作是在某條剖面上根據(jù)相鄰接收點反射波的某些特點來對比同一界面反射波，一般叫波的對比；另一個工作是在相鄰多條雷達剖面上追蹤同一界面的反射波，稱為時間剖面的對比。在時間剖面上對比反射波，嚴格地說應該對比反射波的初至。但是，由于反射波是在各種干擾背景下記錄下來的，當子波為最小相位時，其初至很難辨認。為了便于對比，總是利用剖面上比較明顯的波形相位對比。一個反射界面在雷達剖面上往往包含有幾個強度不等的同相軸，選其中振幅最強、連續(xù)性更好的某個同軸相進行追蹤，這叫做強相位對比，有時反射層無明顯的強相位，可對比反射波的全部或多個相位，這稱為多相位對比。另外還可以利用波組和波系進行對比。波組是指由三四個數(shù)目不等的同相軸組合在一起形成的，或指比較靠近的若干界面所產生的反射波組合。由兩個或兩個以上波組所組成的反射波系列，稱為波系。利用這些組合關系進行波的對比，可以更全面考察反射層之間的關系。因為從地質觀點來說，相鄰地層界面的厚度間隔、幾何形態(tài)是有一定聯(lián)系的，沿橫向變化是漸變的，反映在時間剖面上反射波在時間間隔、波形特征等方面也是有一定規(guī)律的。有時在剖面的某段長度內，因某種原因（如巖性橫向變化）有的同相軸質量較差（振幅弱、連續(xù)性差），我們可以根據(jù)反射波相互之間總的趨勢的極值點（波峰或波谷）依次對比同相位。所以波的對比又稱為波的相位對比或稱同相軸對比。

11.6.8　儀器設備

探地雷達儀器設備見表11-6。

表11-6　探地雷達一覽表

參考文獻

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探地雷達的探地雷達技術參數(shù)

1）雷達系統(tǒng)控制器計算機（工業(yè)一體式專用電腦，強抗震性能設計）：

處理器：Intel Celeron 400MHz或更好配置

雷達界面卡：專用

內存：≥512MB

硬盤（編程和存儲）：≥4G

顯示器： 10.4英寸超高亮度透反射日光下可讀彩色液晶顯示器

電源：10.5～18 VDC@ 45W（室內可交流電直接供電，室外可由充電電池提供電源）

基于Windows XP操作系統(tǒng)的全屏幕菜單系統(tǒng)，內置雷達數(shù)據(jù)采集和處理控制軟件

觸摸屏界面，可外接使用鍵盤和鼠標

提供以下輸入/輸出端口：雷達界面接口，兩個USB接口，電源接口

2）天線控制單元：

總體動態(tài)范圍：130dB

接收器動態(tài)范圍：90dB

最小時間范圍：6.3ns

更大時間范圍：820ns

脈沖重復時間：1μs

有效帶寬：3GHz

3）可與100MHz、250 MHz、500 MHz、1000 MHz和2000 MHz屏蔽天線配合使用，以滿足不同的探測深度要求。

地質雷達探測工作布置原則

1、操作測試天線的工人必須佩戴安全帽、腰系安全帶、手帶手套、操作平臺的防護圍欄必須高過工人的腰部。

2、在測試隧道拱腰時，操作天線的工人手舉天線的手必須高過平臺防護圍欄的高度，手扶圍欄時絕對禁止手扶靠近襯砌且與襯砌平行的圍欄，以免夾上工人的手臂或手掌。

3、在測試拱頂和拱腰時，操作測試天線工人旁的觀測工人應該隨時注意圍欄與拱頂、拱腰的距離，指揮檢測臺車司機操作平臺的空間位置，防止撞上襯砌導致平臺垮塌，釀成大事故。

4、在測試前，請隧道隊將測試段落上的車輛、雜物等清理干凈，方便測試檢測臺車或測試人員通過。

5、嚴禁使用挖掘機作為測試平臺。

地質雷達

3.3.7.1 *** 簡介

3.3.7.1.1 基本原理

地質雷達也稱探地雷達，是利用高頻電磁波束在界面上的反射來探測目標物，由發(fā)射天線和接收天線組成。發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻短脈沖電磁波，接收天線則接收來自地下介質交界面的反射電磁波。由于電磁波向地下傳播速度主要受地下介質電性控制，在介質電性發(fā)生變化的界面，電磁波會發(fā)生反射。通過研究電磁波在介質中的傳播速度、介質對電磁波的吸收及介質交界面的反射，并用時間剖面圖像表示出地下各分界面的形態(tài)，從而推測地下地質體及地層結構的分布規(guī)律。

3.3.7.1.2 應用范圍及適用條件

地質雷達是一種高分辨率探測技術，可以對淺層地質問題進行詳細的地質填圖，淺層埋藏物進行無損探測。由于電磁波能量在碳酸鹽巖區(qū)衰減快，勘探深度較淺主要適用于碳酸鹽巖 *** 或覆蓋層淺的地區(qū)，目前廣泛用于地基探查、地下空洞、巖溶、破碎帶、斷層等地質構造探測。

要求發(fā)射的電磁波能量必須足夠大，探測距離能夠達到目標體，并能返回地面被系統(tǒng)接收；目標體阻抗差別足夠大，有足夠的反射或散射能量為系統(tǒng)所識別；目標體的幾何形態(tài)必須盡可能地災資質探地雷達要求了解清楚，正確選用天線中心頻率；測區(qū)干擾不足以影響目標物的反射信息。

3.3.7.1.3 工作布置原則與觀測 ***

主測線應垂直地下目標體走向，輔助測線平行目標體走向，可更好地反映目標體形態(tài)，測線應盡量通過已有的井位，以利于地層的對比。

目前常用的觀測 *** 有剖面法和寬角法兩種。

剖面法地災資質探地雷達要求：發(fā)射天線和接收天線以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。

寬角法：發(fā)射天線固定在地面某一點上不動，而接收天線沿測線逐點移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時的測量方式。

3.3.7.1.4 資料整理及成果解釋

檢查驗收合格的原始數(shù)據(jù)，經濾波及二維偏移歸位等處理，經過反射層的拾取，編繪探地雷達圖像剖面，最終形成推斷成果圖等。

由于雷達反射界面是電性界面，與地層分界面并不一致，如相鄰地層有相近的波阻抗、同一巖層中的含水帶界面、多個薄層的地質界面組合等。同時雷達時間剖面轉換為深度剖面的精度，分辨率的限制，旁側界面反射波的影響等因素，給雷達資料帶來很多假象，使雷達剖面解釋存在多解性。因此成果解釋必須結合地質、鉆探資料，根據(jù)反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質意義，建立測區(qū)地質—地球物理模型，構筑地質—地球物理綜合解釋剖面。

3.3.7.2 試驗情況

本次實驗主要選擇了表層帶富水塊段納堡村地區(qū)、天然出露的巖溶水源地皮家寨工區(qū)，目的是為了查明地表至30m深度的蓋層結構、完整穩(wěn)定性、水文地質結構、巖溶發(fā)育特征及富水性。對 *** 型隱伏的巖溶水源地大衣村和萬畝果園及覆蓋型隱伏的巖溶水源地三家村和大興堡實驗區(qū)擬實施鉆孔位置也布置了少量地質雷達剖面。共布置剖面94條，總長3.4km，其中納堡村實測66條剖面，長1635m。

本次試驗使用SIR-20型地質雷達，天線類型SIR-100MHZ，掃描時窗250～600ns，工作 *** 為連續(xù)剖面測量。

3.3.7.3 主要成果

納堡村探測結果，表層結構大致分為兩層：之一層為第四系覆蓋層，巖性為粘土，厚度在2～6m，時窗為0～100ns，表現(xiàn)為能量強、頻率較高，連續(xù)性較好的波組特征；第二層為個舊組風化灰?guī)r，厚度8～16m，時窗為50～300ns，表現(xiàn)為能量較弱且變化大、頻率較低，連續(xù)性差的波組特征；向下則表現(xiàn)為無明顯反射或雜亂零星反射的“平靜帶”波組特征，表明已進入基巖(完整灰?guī)r)層。

圖3-18為納堡小學L20線的測量結果，雷達反射波大致分為三層，之一層時窗0～80ns，為能量強、頻率較高的波組特征，深度約5m，反映了第四系覆蓋層；第二層時窗80～300ns，為能量弱、變化大、頻率較低的波組特征，深度約5～16m，反映了風化灰?guī)r層；第三層時窗300ns以上，為無明顯反射或雜亂零星的波組特征，推斷已進入完整的灰?guī)r層。在剖面10～15m處，時窗范圍160～200ns，深度約9～12m范圍內，地質雷達記錄出現(xiàn)明顯的強反射波異常，推斷解釋為巖溶裂隙含水層。經施工的淺鉆驗證，覆蓋層厚5.15m，5.15～15m巖溶發(fā)育，以溶隙、溶洞、溶孔為主，為主要含水層段，涌水量36m3/d，15m以下巖溶不發(fā)育，富水性弱，與推斷結果吻合。

圖3-18 瀘西小江流域納堡村納堡小學L20線地質雷達曲線

納堡村賓珍紅商店地質雷達測量未發(fā)現(xiàn)異常，反射波為明顯的兩層，頂部覆蓋層為高能量波特征，時窗0～100ns，厚度約6m，下部為基巖的平靜弱反射波特征，經ZK2淺鉆驗證，基巖埋深6.7m，孔深30.3m未見水，探測結果與驗證結果一致。

納堡村實驗點共圈出8處地質雷達異常，經鉆孔驗證4處，除1處水量小外，3處表層巖溶水較豐富。

圖3-19為皮家寨大泉旁實測地質雷達剖面，大致可分為兩層，之一層時窗0～60ns，波組連續(xù)穩(wěn)定，反映出第四系覆蓋層厚度為1～3m；時窗60～300ns，地質雷達曲線顯示為雜亂反射、振幅變強、頻率變低的異?，F(xiàn)象，推斷該區(qū)地下3～16m之間的個舊組灰?guī)r中巖溶裂隙較為發(fā)育，局部存在較大充填或未充填的溶洞，如L73線7m、28m、55m處推斷為巖溶含水區(qū)，與高密度電法38線100～110點的低阻異常對應。經鉆孔驗證，溶洞，溶孔發(fā)育，與推斷結果吻合。

圖3-19 瀘西小江流域皮家寨L73線地質雷達曲線

3.3.7.4 結論

地質雷達反射波組特征：巖溶裂隙含水層為明顯的強反射波異常；第四系覆蓋層為能量強、頻率較高，連續(xù)性較好的反射波；風化灰?guī)r層為能量較弱且變化大、頻率較低，連續(xù)性差的反射波；完整灰?guī)r層為無明顯反射或雜亂零星反射的“平靜帶”特征。

地質雷達在探測深度0～30m范圍內，分辨率較高，對表層巖溶裂隙發(fā)育帶探測效果較好，劃分的覆蓋層厚度較接近，誤差均小于1m。推斷的巖溶發(fā)育異常帶，準確度很高，是表層巖溶找水的有效 *** 之一。

2022年地質災害防治單位資質申報條件

地質災害防治單位資質分為 甲、乙 兩個等級。地質災害防治單位資質地災資質探地雷達要求的類別包括 地質災害評估、勘查、設計資質、地質災害治理工程施工資質、地質災害治理工程監(jiān)理資質。

自然資源部負責地質災害防治單位甲級資質地災資質探地雷達要求的審批和監(jiān)督管理。省級人民 *** 自然資源主管部門負責地質災害防治單位乙級資質的審批和監(jiān)督管理。

同一地質災害治理工程的監(jiān)理單位與施工單位不得有隸屬關系或者其他利害關系。

【資質條件】 申請地質災害防治單位資質應當符合下列條件地災資質探地雷達要求：

（一）具有法人資格地災資質探地雷達要求，其中申請地質災害治理工程施工資質的單位應當具有企業(yè)法人資格；

（二）具有資源與環(huán)境類、土木水利類相關專業(yè)技術人員，其中單位技術負責人應當具有高級技術職稱；專業(yè)

技術人員中退休人員數(shù)量不超過本辦法規(guī)定的專業(yè)技術人員更低數(shù)量要求的10%；

（三）申請地質災害評估勘查設計資質，應當具備全站儀、水準儀、探地雷達等設備；申請地質災害治理工程

施工資質，應當具備全站儀、水準儀、錨桿錨索鉆機、鑿巖機等設備。

（四）具有健全的安全管理體系和質量管理體系。

【人員和業(yè)績條件】 申請地質災害防治單位資質，除本辦法第七條規(guī)定的條件外，還應當具備以下人員

和業(yè)績條件：

（一）甲級資質

1.人員條件： 申請地質災害評估勘查設計資質、地質災害治理工程施工資質的單位，專業(yè)技術人員總數(shù)不少于 50人，其中高級、中級技術職稱人員總數(shù)不少于 25 人，高級技術職稱人員不少于10 人；申請地質災害治理工程監(jiān)理資質的單位，專業(yè)技術人員總數(shù)不少于 30 人，其中高級、中級技術職稱人員總數(shù)不少于 20 人，高級技術職稱人員不少于 10 人。

2.業(yè)績條件： 申請地質災害評估勘查設計資質的單位，申請之日前 5 年內應當獨立承擔并完成地質災害危險性評估、地質災害治理工程勘查項目、地質災害治理工程設計項目總數(shù)不少于5 項，完成項目總經費不少于60 萬元；申請地質災害治理工程施工資質的單位，申請之日前 5年內應當獨立承擔并完成地質災害治理工程施工項目不少于 5 項，完成項目總經費不少于1000 萬元；申請地質災害治理工程監(jiān)理資質的單位，申請之日前 5年內應當獨立承擔并完成地質災害治理工程監(jiān)理項目不少于 5 項，完成項目總經費不少于30 萬元。

（二）乙級資質

人員條件： 申請地質災害評估勘查設計資質、地質災害治理工程監(jiān)理資質的單位，專業(yè)技術人員總數(shù)不少于 10人，其中高級技術職稱人員不少于3 人；申請地質災害治理工程施工資質的單位，專業(yè)技術人員總數(shù)不少于20 人，其中高級技術職稱人員不少于 5 人。

【申請材料】 申請地質災害防治單位資質的單位，應當向審批機關提出申請，并提交以下材料：

（一）地質災害防治單位資質申請書；

（二）營業(yè)執(zhí)照或者事業(yè)單位法人證書；

（三）專業(yè)技術人員名單、身份證、職稱證書、學歷證書、申報前連續(xù)3個月由本單位繳納社會保險記錄文件，技術負責人的任命或者聘任文件；

（四）本單位設備的所有權材料或者租賃合同；

（五）職業(yè)健康安全管理體系認證證書或者安全管理制度文件；

（六）質量管理體系認證證書或者質量管理制度文件；

（七）申請地質災害評估勘查設計甲級資質的單位，還應當提供申報業(yè)績的項目合同、驗收報告或者專家評審意見；申請地質災害治理工程施工甲級資質、地質災害治理工程監(jiān)理甲級資質的單位，還應當提供申報業(yè)績的項目合同、驗收報告。申報業(yè)績的信息應當與全國地質勘查行業(yè)監(jiān)管服務平臺公示的有關業(yè)績信息相一致。