地质雷达在探测地下富含水区域中的应用

胡少伟，陆 俊，王国群

(1．南京水利科学研究院，江苏 南京 210029;2．江苏省地质勘查技术院，江苏 南京 210008)

地质雷达探测是近年来迅速发展的高精度无损探测技术，具有探测速度快、采集数据量大、定位准确、操作灵活、可实现连续透视扫描以及二维彩色图像实时显示等独特的优点，目前我国地矿、水利、电力、煤炭、铁道、交通、建筑、核工业、航天等部门都在开展这一技术的试验和应用研究工作，如地质勘察、城市地下管道工程和隧道工程施工、公路工程质量检测、桥梁施工、地基和道路地下空洞及裂缝调查、管线探测、埋设物探测、地下障碍物探查、保护性建筑结构无损检测、地质灾害调查等．地质雷达向地下发送脉冲形式的高频宽带电磁波，电磁波在地下介质传播过程中，当遇到存在电性差异的地下目标体，如空洞、分界面时，电磁波便发生反射，返回到地面时由接收天线所接收;对接收到的电磁波进行信号处理和分析，根据信号波形、强度、双程走时等参数来推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测［1－2］．

脉冲波的近似行程时间为

探地雷达探测目的层深度的计算式为

地质雷达探测作为一种新兴的地球物理方法，与其他地球物理方法(如浅层地震勘探、电阻率法、激发极化法)相比，具有以下特点:(1)分辨率高．地质雷达中心频率为10～1 500 MHz，其分辨率可达厘米级．(2)无损性．地质雷达为无损探测技术．(3)效率高．地质雷达仪器轻便，可连续测量，从数据采集到处理成像一体化，操作简单，采样迅速，所需人员少．(4)结果直观．地质雷达采用图像实时显示，可在野外定性解释．(5)地下传播规律复杂．由于地下介质比空气具有较强的电磁波衰减特性，加之地下介质的多样性和非均匀性，电磁波在地下的传播比空气中复杂得多，因而，地质雷达系统涉及的理论面广，技术难度大［3］．

1 国内外研究现状

近年来地下水电磁法勘探从模型到技术，再到反演，均呈现明显的“联合”、“移植”和“借鉴”的趋势．地下水研究的电磁模型所存在的问题可以概括为:定性化多定量化少、一维近似多高维模型少、传统手段沿用多现代技术应用少、单一方法研究多综合影响考虑少．地质雷达用于地下水探测以及地下环境监测，是近年水利行业和物探行业研究的热点之一．

2007年，杨迪琨等［4］指出电磁法探测地下水受地面条件影响较小，可以连续测量，成本低廉．王春辉［5］指出探地雷达方法用于测量近地表含水量主要包括反射波法、地面波法、钻孔雷达法和地表反射系数法等4种．2008年，雷少刚等［6］分析了探地雷达测定潜水埋深的技术原理，利用探地雷达能测定地下潜水埋深，探测精度与水位埋深和采用的天线主频等因素有关，在确定潜水位埋深时，还需考虑土壤毛细水带高度的影响．2010年，李镐等［7］有效地对掌子面前方的地下水发育情况进行了探测．裴尼松得出探地雷达对水的预报．国外在该方面也有不少的研究，2007年，Seung-Yeup Hyun等［8］在实验室条件下进行了按比例缩小的模拟泄漏，为不同泄漏情况中探地雷达的应用提供了研究基础．Sunjay等通过使用超高频对蓄水层进行探测，并对蓄水层中的污染物等做了测定;Matthaios Bimpas等研究出一种UWB雷达来对水管进行高分辨率拍摄;Xiaozhou Liu等详细描述了GPR的工作原理，并总结了探地雷达技术的快速、高分辨率、简单识别等优点;Khan Zaib Jadoon等根据频率、盐分、温度变化对水进行了探地雷达特征研究，得出介电损耗将有效提高探地雷达测试效率;Jens S．Buchner等在人造沙地环境中使用探地雷达技术对含水量和反射深度进行了研究，并得出使GPR结果更精确的方法;Sevket Demirci等通过实验室模拟了沙地中管道的泄漏，利用探地雷达后投射方法对地下管道中的泄漏进行探测，证明探地雷达用来检测泄漏的准确性［9－12］．

2 工程案例

南京某小区地下有一废弃污水管在桩基础施工中被管桩击穿，地面出现塌陷、塌陷最深处近2 m，塌坑被填埋后地面仍有下沉．本次探测目的是为了摸清被管桩打穿的大口径排水管道漏水情况及基础是否存在被冲刷的空洞［15］．

2．1 探测技术

介电常数差是雷达工作的基础，常见介质电性参数见表1．

表1 常见介质电性参数Tab．1 Common medium electrical parameters

水的电导率远高于灰岩、砂岩等岩石，因而探地雷达对水特别敏感．经过相关理论推导可得到以下地质雷达探水原则［7］:(1)雷达波对水或含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大．(2)雷达波从其它介质到含水层界面的反射波相位与入射波相反．(3)雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率降低．

本次探测工作在垂直塌坑走向布置12条长剖面，采用32 MHz低频组合天线进行探测，遇放样点打标，标记间距1 m．以地面可见塌坑中心线为轴线布置，线间距2～3 m，测线长度10 m左右，测线累计长度120 m，探测测点间距20 cm，累计测点数700个．

2．2 探测资料解释与分析

为了较好显示混凝土管道的异常，采取了多种处理技术，主要有调零、归一、滤波、增益、相关、频谱分析等，频谱分析较好显示了管道和地下水异常．

2．2．1 富含水异常 电磁波由混凝土管道进入水中，从高速介质进入低速介质，在相位上显示为负相位起跳．电磁波在混凝土管道结构中传播，由于水存在于松散介质中，而形成连续负波．从测线9可以看出能量图与频谱图的明显差异．能量图中偏下位置有一长轴为上下方向的椭圆形低能量区，说明该区域含水量较高(见图1)．

图1 测线9所在富含水区域雷达伪彩图(纵坐标为双程旅行时间，单位为10－9 s)Fig．1 Radar pseudo-color image of line 9 rich in water(Y-axis means round trip time，unit:10－9 s)

2．2．2 管道异常 测线1为平整场地，以测线1为例，进一步分析频谱图地下管道的异常特征．

由图2可以看出，频谱图在该区域显示为低频低能量，而在该区域右侧有一高能量高频率弧形异常，弧形隐隐约约构成圆形，圆内能量相对较高．推断频谱图中的圆形异常为管道异常．异常区内存在明显的圆形封闭异常，如果排除浅层异常多次反射的因素，圆形异常区的上半部频率低到近乎为直达波、下半部则显示为高能量高频率，推断管道下半部仍存有污水．

图2 测线1雷达频谱图和异常大样图(纵坐标为双程旅行时间，单位为10－9 s)Fig．2 Radar spectrum diagram and abnormal detailed drawing of line 1(Y-axis means round trip time，unit:10－9 s)

2．2．3 其他各典型测线的解释 测线6与1附近管道异常特征存在明显差别，差别在于圆形异常区内高能量高频率的信号基本不存在，推断管内的污水排出较多;7线管道异常特征极不明显，其他测线上的圆形异常区在该测线上基本不存在，推断该区域的排污管被管桩打碎，推断管内的污水排出多、且有较多泥沙流入;8线管道异常显示为“云状”，推断该处排污管虽然未被管桩击穿、但已经严重变形，泥沙流入相对较少、管内的污水排出慢(见图3)．

根据资料处理后的地质雷达频谱资料分析，整体推断结果如图4所示．

图3 8线地质雷达频谱图Fig．3 Radar spectrum diagram of line 8

图4 推断成果图Fig．4 Inference results diagram

2．3 探测结果

本次地质雷达探测大深度管道有效，采用频谱分析技术效果好．根据地质雷达资料分析，排污管被击穿的位置处在地面可见塌坑一侧．在排污管被击穿一侧的地质雷达成果资料普遍存在低频低能量区域．虽无明显的空洞异常特征，但可以推断该区域的土体严重松散且含水量较大．

3 结语

由于地质雷达检测技术(GPR)应用范围广、穿透深度大、非接触连续测量、快速简便、结果直观等优点，其用于地下水探测以及地下环境监测已成为水利和物探行业研究的热点．本文在系统总结地质雷达探测地下水的国内外研究现状的基础上，根据雷达的频谱图和能量特征，有效地对地下富含水区域进行探测．并结合南京某小区地下管道泄漏探察工程案例，对地下富含水区域和管道其他异常进行了地质雷达探测，表明地质雷达在探测地下富含水区域方面具有较好效果．本文工作拓展了GPR技术在查找渗漏点和探测水源区域等技术领域的应用，为后续探测水源等相关工作提供了基础．

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