探地雷達地質(zhì)災害風險性勘測評估探析

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［摘要］西北某地地質(zhì)災害風險性勘測評估，全程應用探地雷達，獲得了大量清晰典型的地層狀態(tài)雷達影像，基于介電系數(shù)關系計算和回波影像的解析，順利完成了該區(qū)域地質(zhì)狀態(tài)勘測與評估，為區(qū)域地質(zhì)應用提供了充分詳實的地質(zhì)信息一手資料，探測技術、實施過程、地質(zhì)影像及性質(zhì)解析，對同類探測工程應用，有技術參考價值。

［關鍵詞］探地雷達；地層勘測；風險性評估；分析研究

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和地質(zhì)防災減災管理和實踐，離不開及時有效的地質(zhì)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(zhì)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(yōu)勢。把握該雷達探地技術原理，了解介電系數(shù)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(jīng)驗，助力實現(xiàn)更有技術適用性和解析準確性的地質(zhì)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(zhì)探測雷達，測量過程中，探地雷達由控制主機指令發(fā)出寬帶高頻電磁波。如果在地下遇到有不同介電系數(shù)的介質(zhì)，則伴隨該介質(zhì)的空間形態(tài)和介電參數(shù)的差異，電磁波會對應發(fā)生改變，其傳導特性諸如波型、振幅和路徑等發(fā)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(shù)據(jù)系統(tǒng)對檢測構(gòu)造中，不連續(xù)電介質(zhì)系數(shù)的突變狀態(tài)和返回時間給予記錄和計算分析，其探測原理如圖1所示。1探地雷達的探測原理圖地下介質(zhì)因材質(zhì)不同或因裂隙、不密實區(qū)、空洞等結(jié)構(gòu)的影響，形成介電性相對差異，電磁波在傳導過程中，如經(jīng)過松散介質(zhì)或者遇非均質(zhì)低阻抗介質(zhì)時，雷達波型相對雜亂，有的則以同相軸窄細形態(tài)發(fā)生，有時無顯著規(guī)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(xiàn)均勻性黑灰顏色。經(jīng)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(jù)波型、雙程傳播用時以及強度等參數(shù)，推測判斷相關介質(zhì)的幾何構(gòu)造形態(tài)、電性特征以及空間位置等，對不同地質(zhì)所對應的反射波組給予區(qū)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(zhì)構(gòu)造模式，進而獲得檢測結(jié)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(shù)據(jù)和開展儲存。首先對數(shù)據(jù)開展編輯，數(shù)據(jù)接拼、測線調(diào)整、編輯數(shù)據(jù)塊、顯示參數(shù)設置；其次對數(shù)據(jù)開展基本處理，添加里程樁號、距離歸一化、時間深度轉(zhuǎn)換、調(diào)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(shù)據(jù)希爾伯特變換、反褶積、速率分析、偏移、濾波、增益調(diào)整，盡最大可能降低環(huán)境和信號干擾，提供清晰可辨的影像，為分析解析創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)條件。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)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(zhì)影像開展辨識解析，當探測波通過風化巖體與常規(guī)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(cè)發(fā)生，會形成較強的反射波，依據(jù)反射波特征即可獲得地下探測目標的分布區(qū)域、層深度等特征。另一個關鍵技術點在于介電系數(shù)校準。經(jīng)常應用的介電系數(shù)校準方法包括：幾何刻度法、共反射點法、金屬板反射常數(shù)法、鉆孔取芯介電系數(shù)法等，此中的鉆孔取芯介電系數(shù)法應用比較成熟。在被測區(qū)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(shù)，便可校準該構(gòu)造層的介電系數(shù)，即：εr＝t2c24H2（1）式中：εr為構(gòu)造層介電系數(shù)；t系為被測構(gòu)造層的雷達波雙程傳播用時；c系為光速的理論值，取30cm／ns；H系為被測構(gòu)造層芯鉆采樣的實測厚度值。厚度計算：一旦各構(gòu)造層介電系數(shù)已經(jīng)知，則厚度就很容易計算。電磁波在介質(zhì)中的傳導速率為：v＝cεr（2）式中：v系為電磁波在介質(zhì)中的傳導速率；速率v乘以電磁波在構(gòu)造層中往返用時乘1／2，即為目標構(gòu)造層的結(jié)構(gòu)厚度。上面層：h1＝cεr1·Δt12（3）下基層：h2＝cεr2·Δt22（4）公式中：h1系為第1層構(gòu)造厚度；h2系為第2層構(gòu)造厚度；Δt1系為電磁波在第1層構(gòu)造中傳導的往返時間；Δt2系為電磁波在第2層構(gòu)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(zhì)災害風險性評估項目指定的范圍開展地質(zhì)勘查，了解基巖裂縫發(fā)育情況、基巖風化層厚度、測區(qū)地質(zhì)簡況和地球物理特征，依據(jù)工程特征及災害防范評估的需求?？辈闇y區(qū)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(xiàn)雷達探測截面2240m。全程選用SIR—30E型GSSI公司（美）生產(chǎn)的地質(zhì)雷達，天線頻率可選擇應用50、100、200、500～900MHz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(xiàn)針對。最大探深＞60cm。這次勘測目標深度值5～10m左右，依據(jù)探測目的、現(xiàn)場實驗及測區(qū)現(xiàn)場地質(zhì)條件，這次選用100MHz頻率天線，數(shù)據(jù)采集選擇連續(xù)采集方式開展。基于具體探測深度設置時窗，現(xiàn)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(zhì)狀況評估

3．1截面1－1＇的勘測成果和地質(zhì)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。雷達圖像顯示，0～3．2m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發(fā)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；3．2～6．4m雷達影像呈現(xiàn)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50～90m深度值3．3～5．4m雷達影像局域呈現(xiàn)點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育；6．4～8．5m雷達影像呈現(xiàn)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(zhì)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。雷達圖像顯示，0～3．1m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發(fā)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；3．1～6．0m雷達影像呈現(xiàn)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50～73m深度值3．1～5．3m雷達影像局域呈現(xiàn)點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育；6．0～8．5m雷達影像呈現(xiàn)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(zhì)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。雷達圖像顯示，0～3．2m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發(fā)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；3．2～6．2m雷達影像呈現(xiàn)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10～25m深度值3．2～8．5m雷達影像局域呈現(xiàn)點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育；6．0～8．5m雷達影像呈現(xiàn)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(zhì)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。截面4－4′的雷達探測長度125m，探測影像反映：這次雷達探測深度區(qū)域內(nèi)（0～8．5m），0～3．1m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發(fā)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；3．1～5．7m雷達影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖；5．7～8．5m雷達影像呈現(xiàn)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(zhì)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(jù)雷達影像分析所得到的地質(zhì)狀況評估成果。截面5－5′雷達探測長度130m，探測影像反映：這次雷達探測深度區(qū)域內(nèi)（0～8．5m），0～2．8m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發(fā)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；2．8～5．7m雷達影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖；5．7～8．5m雷達影像呈現(xiàn)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25～65m深度值7．0～8．5m雷達影像局域呈現(xiàn)點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育。截面6－6′雷達探測長度105m，探測影像反映：這次雷達探測深度區(qū)域內(nèi)（0～8．5m），0～3．0m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發(fā)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；3．0～6．3m雷達影像呈現(xiàn)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66～73m深度值3．2～5．3m雷達影像局域呈現(xiàn)點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育；5．7～8．5m雷達影像呈現(xiàn)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140m，探測影像反映：這次雷達探測深度區(qū)域內(nèi)（0～8．5m），0～2．7m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發(fā)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；2．7～5．6m雷達影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖；5．6～8．5m雷達影像呈現(xiàn)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150m，探測影像反映：這次雷達探測深度區(qū)域內(nèi)（0～8．5m），0～2．6m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發(fā)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；2．6～6．0m雷達影像呈現(xiàn)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30～45m深度值3．2～7．5m雷達影像局域呈現(xiàn)點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育；6．0～8．5m雷達影像呈現(xiàn)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170m，探測影像反映：這次雷達探測深度區(qū)域內(nèi)（0～8．5m），0～2．7m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發(fā)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；2．7～6．3m雷達影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖；6．3～8．5m雷達影像呈現(xiàn)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165m，探測影像反映：這次雷達探測深度區(qū)域內(nèi)（0～8．5m），0～2．8m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達影像波型較亂，并且以窄細狀同方向軸發(fā)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；2．8～6．3m雷達影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色，推測判斷估測為強風化—弱風化基巖；6．3～8．5m雷達影像呈現(xiàn)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20～105m深度值6．4～7．5m雷達影像局域呈現(xiàn)點狀紅顏色反射，推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育。

4結(jié)語

測區(qū)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(zhì)分界面時，反射波能量提高，波型振幅變大，導致風化帶兩側(cè)存在一定的波阻抗差異，但是在均勻介質(zhì)中卻沒有顯著電磁波反射，波型振幅值較小。測區(qū)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(qū)8．5m以內(nèi)地層深度區(qū)域內(nèi)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3．0m左右；中部3．0～6．0m區(qū)域內(nèi)為強風化弱風化基巖；底部為弱風化較完整基巖。

作者:司治 單位:新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊