地质雷达在海岛调查中的应用*1

周庆杰，刘乐军，李西双，杨庆乐

(国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

地质雷达在海岛调查中的应用*1

周庆杰，刘乐军，李西双，杨庆乐

(国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

地质雷达探测技术正朝着探测精度更高、探测范围更广、解释更准确的方向发展，表现出前所未有的广阔发展前景，被广泛应用于工程、环境、灾害地质调查等领域，越来越受到人们的关注。随着海岛的开发与海岛基础设施的建设，海岛工程勘查与工程质量评估和地质灾害的影响与危害评估等工作越来越多。本文章结合地质雷达探测的优势，分析了海岛开发和地质调查中的研究内容，结合海岛上的滑坡监测、浅层断裂等地质灾害勘探实例，论述了地质雷达在海岛工程与地质调查中的应用。

海岛地质雷达； 滑坡； 断层；海岛工程开发

地质雷达作为一种先进的高频电磁波勘探技术，具有现场探测简便、探测速度快、费用低以及对原结构物无损坏等优点[1-2]，在陆地的工程地质勘察、工程质量评估和地质灾害调查中得到了广泛应用。海岛上的工程设施建设与内陆基本相同，地质雷达可以应用到相应的工程勘察及设施质量检测中，如海岛公路路基检测、海岛隧道衬砌质量检测、海岛机场跑道检测、海岛陆基风电场的地基评估等。另外，在海岛地震、断层、火山等构造类地质灾害的调查中，也可以采用地质雷达调查，辅以地质钻孔、原位测试等工程地质手段，了解地层和断裂的分布位置、平面组合形态、展布方向、剖面组合形态特征和主要地裂缝的分布位置、产状、长度、宽度及深度等特征[3]。本文章还根据地质雷达的优势，分析地质雷达在海岛应用的适用性问题，并结合其在海岛地质调查中的应用实例，探讨地质雷达在海岛勘察与调查应用中的相关问题。

1 地质雷达应用的优势

地质雷达体积小巧、携带方便，易于上岛工作，可适用于海岛复杂的地形地貌;抗电磁干扰能力强，可在各种噪声环境下工作;作为一种非破坏性的原位探测技术，可适应海岛复杂的环境条件，在工程上或地质灾害调查中都有较满意的探测深度和分辨率，现场直接提供实时剖面记录，图像清晰直观，可高效率的完成探测任务[4]。20世纪90年代，地质雷达在我国浅层与超浅层地质调查及工程中得到了广泛应用。何开胜等[5]通过太浦河泵站滑坡工程实例，尝试应用地质雷达进行滑动面的探测，结果表明，利用地质雷达对堤坝滑动面进行探测是有效的。薛桂玉等[6]利用地质雷达探测出了某水电站滑坡体覆盖层与破碎带的分界面和某抽水蓄能电站库区溶洞，解决了水电工程中的实际问题。在工程地质其它领域也有广泛应用，如探测覆盖层厚度、松软层厚度及分布、基岩风化层界面及分布、基岩节理和断裂带、地下水分布等，探查地下溶洞、空洞、塌陷区、地下排污巷道、管道及地下管线等。地质雷达在回填等松软层上探查深度可达20 m以上，在致密或基岩上探查深度可达30 m以上。另外，该技术在工程质量检测中也有广泛应用，如检测衬砌厚度、破损、裂隙、空洞、渗漏带、回填欠密实区、围岩扰动等，检测精度可达cm级；检测公路及城市道路路面、跑道、挡墙等各层厚度和破损情况，挡墙、桥梁、混凝土构件等的空洞、裂隙及钢筋分布等，检测精度可达mm级[7]。覃建波等[8]运用探地雷达技术在检测公路隧道、引水涵洞衬砌质量及混凝土结构中钢筋铺设质量时，取得了显著的效果。

2 地质雷达在海岛上的应用

2.1 在海岛工程检测中的应用

随着海岛的开发和利用，海岛工程设施建设日益增多。海岛环岛公路和公路隧道、人工岛机场、海岛间跨海大桥/海底隧道和海岛房地产开发等建设项目不断上马，这些工程的超前地质预报及工程质量检测显得尤为重要。地质雷达技术在陆地工程检测[9]中的应用比较广泛，且已经相当成熟，某些海岛工程及地质条件与陆地相同，将其应用于海岛工程质量检测中是可行的。地质雷达以其体积小巧、易于上岛作业、测量结果直观准确和高效率等特点，在海岛工程检测中，如地下管网调查、隧道衬砌和公路路面厚度探测以及各种脱空、空洞、回填不实等工程质量隐患问题方面的检测，可以获得良好的探测效果。另外，在海岛机场跑道检测及海岛风电场地基检测中，地质雷达也可以发挥其优势，可克服海岛复杂地形地貌的干扰而获得有效数据。下面以地质雷达在公路和隧道建设中的工程质量检测以及地下管线探测为例，介绍地质雷达在海岛工程中的应用。

2.1.1 在海岛环岛公路中的应用

海岛环岛公路建设发展迅速，新公路质量检测显得尤为重要。探地雷达在公路质量检测中的应用涉及到公路路面厚度和密实度的检测、路基与路基缺陷的调查、公路维修质量及公路裂缝的调查等。此外，其在公路结构检测中也得到了成功运用。在实际检测作业中，由于不同的探测深度和探测精度的要求，探测沥青混凝土面层应使用频率大于1 200 MHz的天线，而对于水泥混凝土面层高频(如2 500 MHz)天线一般难以穿透，只能使用900～1 000 MHz的天线，探测基层可使用频率为800～1 000 MHz的天线，探测路基可使用频率为300～900 MHz的天线[10]。

在公路路面检测中，厚度检测是公路无损检测的主要内容之一。一般简易路面厚度10～20 cm，高等级公路路面厚度20～30 cm，机场跑道路面厚度40 cm，因此，公路路面厚度检测要求有较高的垂向分辨率。路面厚度检测的误差要求小于1 cm，因此，应用于公路路面厚度检测的探地雷达必须具有高分辨率与高计厚精度，其天线中心频率需在200 MHz以上。在路面的路基检测中可以利用探地雷达进行公路基层及路基的损害检测、公路路面的脱空检测、公路路面的下沉检测、公路路面网检测、公路路面密实度检测等。

2.1.2 在海岛隧道检测中的应用

海岛公路隧道是海岛工程建设中的重大项目之一，隧道超前地质预报及衬砌质量检测等是隧道建设过程中的重要环节。在施工过程中，可能会出现脱空、不密实区、蜂窝麻面等不良病害，给工程的正常运行带来极大隐患，为迅速、准确地确定其平面位置及分布范围，评价施工质量是否满足设计要求，以便及时发现问题，消除隐患[11]。探地雷达是目前国际上最为先进的无损探测方法，在精度和准确度上完全可满足检测要求。隧道衬砌质量检测已在我国陆地隧道施工中得到广泛应用并取得良好的效果，同时，地质雷达小巧轻便易于上岛作业，可应用于海岛隧道检测。

在隧道质量检测过程中，应用地质雷达检测获得的资料数据经一系列的后期处理后，结合已知的地质、钻探资料，就可以根据探测目标可能引起的异常的大小和形态进行分析和解译，并最终得出各测线的成果图，以此对隧道施工质量进行分析评价。在地质雷达图像中振幅较强、同相轴比较连续的层位就是喷射混凝土与围岩的分界面，在该界面以上即是喷射混凝土的厚度。此外，当衬砌混凝土背后回填不密实或混凝土与围岩之间存在空洞时，在地质雷达图像上，都能清晰地显示出差异进而识别这些区域。

2.1.3 在海岛地下管线检测中的应用

在海岛的城市建设中，地下管线是其重要的基础设施，地下管线铺设现状的基础资料是对海岛进行规划、设计、施工、建设和管理的重要依据，是建立海岛地下管线数字信息管理系统的重要数据来源。应用地质雷达进行地下管线探测，在探测区域内，地下管线一般埋深不超过3 m，管线周围介质多为杂填土和沙质土，管线与周围介质之间存在足够的电性差异[12]。测线垂直管线长轴方向时，如果管线为圆形管道时，雷达剖面上反射波同相轴为向下开口的抛物线；当为沟道式或管块时，同相轴为有限平板，两端各为半支下开口的抛物线(图1)。在雷达剖面上，双曲线开口大小随管道埋深的加大而变大，介质电磁波速度越小，双曲线形态越明显，峰尖也越清晰。此外，对于金属管线的探测，加大功率和降低频率，增强感应能量，均可以达到较好的探测效果；对于非金属管线的探测，辐射能量起到主导的作用[13]。

图1 沟道式或管块式管线雷达剖面[13]Fig.1 A radar profile of channel-like or tube-like pipeline[13]

2.2 在海岛地质灾害调查中的应用

海岛上的滑坡、溶洞、塌陷区及基岩风化等地质灾害频发，但由于海岛运输及海岛地形地貌复杂，使用常规地震勘探或地质钻探手段施工困难、工程投资大、费用高、控制范围有限，很难查明滑坡滑动面、基岩风化面及不良地质结构面的整体发育情况。地质雷达作为一种高分辨率无损探测工具，采用其超强地面耦合天线并结合钻探，可对岩溶塌陷区及滑坡区域进行有效地检测，并为滑坡治理与防护提供有效的参考数据。

2.2.1 在岩溶塌陷调查中的应用

在基岩海岛且隐伏基岩存在灰岩及白云岩等可溶性岩石的地区，岩溶塌陷是一种较为常见的地质灾害，由于地下海水的入侵，其较强的溶蚀作用，会使基岩中出现溶洞，溶洞的扩大可导致其上部覆盖层中形成土洞而造成塌陷。由于这一切均发生在地下，隐蔽性较强，不易引起人们重视，隐患也就更大。在这方面的调查中，地质雷达具有较大的优势。

岩溶发育地区的岩土层之间、灰岩和溶洞、溶蚀带之间均存在导电性及介电性差异[14]。在地质雷达实测剖面上，覆盖土层的反射波组呈现出同相轴连续的低频、强振幅的特征，基岩内的溶蚀带呈现出同相轴不太连续的较强振幅、较低频率的波组特征，而较完整的基岩呈现出高频、弱振幅、无强反射波组的特征。粘土层中土洞的电导率低，吸收系数小，电磁波穿过土洞时反射能量大，在雷达剖面上表现为强振幅和同相轴不连续，而围岩土层电磁波振幅较弱。一般来说，纯空洞的反射波振幅较强，充水土洞的反射波振幅较弱，充填松软土体的空洞反射波振幅相对更弱。

2.2.2 在海岛滑坡调查中的应用

在海岛上斜坡地貌发育的地区，滑坡是一种较为常见的地质灾害，地表流水的侵蚀、地下水的潜蚀和溶蚀以及工程荷载和地震作用等都可能引发滑坡[15-16]。滑坡体下滑时与母体之间的分界面称滑坡面。在工程方面，为了对滑坡灾害采取有效的防治措施，首先必须找出滑坡面。在陆地滑坡调查中，一般采用的是电测法及地震勘测法，但这两种方法的花费较高，且海岛地质条件复杂，受地质因素的干扰较大，远不及地质雷达方便、高效和经济。

海岛基岩以上的残积土中以及岩层内部都有可能或已经发生的滑坡对工程设施建设和人民生命财产危害巨大。产生滑坡区域的土体风化程度不同，各层的物质组成、结构都存在差异，上部颗粒较细，砾石含量少；下部颗粒较粗，砾石含量多[17]。

以某海岛滑坡区的地质雷达探测为例，探测仪器选用瑞典MALA公司的RAMAC/GPR地质雷达，雷达信号采用数字式光纤传输，采用专业的Groundvision雷达数据采集软件进行数据采集，信号分析、数据处理采用专用Reflexw软件系统，天线为RTA超强地面耦合天线，中心频率为100 MHz，采样步长为1.0 m，叠加128次，采集方式为手动点触发采集。

在地质雷达图像中，滑坡体多具有不对称丘状外形、滑坡后壁处沉积地层突然中止，滑动面反射波同相轴产生错断，反射波不连续，内部弱振幅、杂乱或无反射结构，在滑动面(带)处形成清晰而强烈的反射波[18](图2)。

2.2.3 在海岛断裂带调查中的应用

海岛上的断裂带较为发育，活动断裂作为一种巨大的灾害隐患已引起人们的注意和重视，它可以诱发地震、地裂缝以及地面沉降等多种地质灾害，危害极大，如果能准确地确定出活动断裂的位置，从而在以后的工程建设中避开或采取有效的防护措施，可以最大限度地减少损失。在海岛活动断裂的调查方面，由于运输或地形条件的限制，钻探及变形监测等传统方法在某些地区不易实现，简便易携带的地质雷达则可以发挥很大的优势。

对于海岛上存在的浅层断裂带，会破坏浅层沉积，引起地层相对位移，造成不稳定的工程地质条件，直接关系到工程的施工与维护等方案的确定。因此，在开发建设以前进行必要的断层勘察，可以为工程施工、资源开发等的评价与设计提供可靠的资料。在勘探过程中，主要获取断层的位置、走向、倾向、倾角、落差及充填物情况等特征参数[19]。

图2 滑坡体地质雷达图像(天线频率：100 MHz)Fig.2 A geological radar image of landslide (Frequency:100 MHz)

图3 断层的地质雷达图像(天线频率：25 MHz)Fig.3 A geological radar image of fault (Frequency:25 MHz)

应用地质雷达沿水平方向或岩层层位进行多次探测，可以直接判明断层面位置及其形态，而连续确定的断层面位置连线即确定了断层的走向。若沿垂向或垂直岩层层位方向探测，则通过地质雷达剖面记录图可直接判明断层的倾向和倾角。所以，地质雷达在确定一定深度范围内的断层位置、走向、倾向和倾角等特征参数是可行的[20-21]。断层的落差可以通过标定上、下盘标志层的位置后经比较分析得出。标志层上、下界面的两侧介质电性差异较大，易于地质雷达分辨。

以某勘探区断层检测为例，使用瑞典MALA公司的RAMAC/GPR CUII型地质雷达，采用专业的Groundvision雷达数据采集软件进行数据采集，信号分析、数据处理采用专用Reflexw软件系统。选用25 MHz RTA超强地面耦合天线，采样频率400 MHz，采样点数1 000点，时窗长度2 000 ns，点测距为0.5 m，叠加次数为128次，触发方式为手动点触发。

在地质雷达图像上，断层表现为一个或多个连续性好的反射波组发生系统的错移(图3)。有的表现为同相轴发生弯曲、两侧厚度不一致，有的则为反射层突然终止或减薄，还有的两侧反射特征不一致。对于一些正断层，由于断点的存在，有时在地质雷达时间剖面上可见双曲线型绕射波。从图3可以清楚的看到A区是一个破碎区域，且基岩发生了错断；B区的基岩也发生了岩层的错断，且左边的岩层隆起；C区的基岩发生了断裂。

3 结 语

通过对地质雷达在海岛常见工程及地质灾害问题的研究分析，并结合我们在海岛调查中的具体应用，可看出地质雷达在海岛公路、隧道、地基检测及市政管网建设中都具有良好的应用效果，能够为海岛基础设施建设和房地产开发等项目提供准确的参考资料。地质构造等灾害性地质异常在地质雷达剖面上都有明显的显示：在滑坡体的滑动面上，因同相轴错乱而异常明显；在断层的断面处，由于地质体的岩性差异，在雷达图像上也有明显的错移特征；应用地质雷达在浅地层的连续追踪中效果良好，可以清晰的反映目标层的演变规律。由于地质雷达图像解译的多解性，在使用地质雷达进行勘探时，需要根据测试现场的具体条件，综合分析作出判断。在有条件的情况下，最好结合钻探等其它物探方法，进行综合探测，以便得出更为可靠的测试结果。

[1]谢昭晖，李金铭.我国探地雷达的应用现状及展望[J].工程勘察,2007，(11):71-75.

[2]李嘉，郭成超，王复明，等.探地雷达应用概述[J].地球物理学进展,2007,22(2):629-637.

[3]刘传效，蒋金泉，杨永杰.断层特征参数地质雷达探测与识别的应用研究[J].岩土力学,2004,25(5):832-838.

[4]杨峰.地质雷达探测原理与方法研究[M].北京：科学出版社,2010.

[5]何开胜，章为民，王国群.堤坝滑坡灾害的探地雷达应用研究[J].水利水电科学进展,2005,25(2):36-39.

[6]薛桂玉，余志雄.地质雷达技术在堤坝安全监测中的应用[J].大坝安全，2004,(1):13-19.

[7]徐宏武，邵燕，邓春为.探地雷达技术及其探测的应用[J].岩土工程技术,2005,19(8):191-194.

[8]谭建波，邓世坤，李沫.探地雷达在隧道和涵洞工程检测中的应用研究[J].煤田物探,2004,(5):55-58.

[9]胡平，肖都.高频探地雷达技术在香港工程质量检测中的应用[J].物探与化探,2004,28(4):361-364.

[10]李大心.公路工程质量的探地雷达检测技术[J].中国地质大学学报,1996,21(6):661-664.

[11]邹正明，王晓形，颜炳杰.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].西部探矿工程,2008,(4):147-149.

[12]杨志鹏.RAMAC探地雷达在地下管线探测中的应用[J].科技资讯,2007,(10):28-29.

[13]何厚志，陈兵.探地雷达在管线探测中的应用[J].城市勘测,1997,(4):44-47.

[14]BARNHARDT W A,KAYEN R E.Radar structure of earthquake-induced,coastal landslides in Anchorage,Alaska[J].Environ.Geosciences,2000,7(1):38-45.

[15]BICHLER A,BOBROWSKY P,BEST M,et al.Three-dimensional mapping of a landslide using a multi-geophysical approach: the Quesnel Forks Landslide[J].Landslides,2004,1(1):29-40.

[16]BICHLER A,BOBROWSKY P,BEST M,et al.Three-dimensional mapping of a landslide using a multi-geophysical approach:the Quesnel Forks Landslide[J].Landslides,2004,1(1):29-40.

[17]邓世坤，祁明松.探地雷达在滑坡和岩溶地区探测中的应用[J].地球科学,1993,18(3):329-338.

[18]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社,1994.

[19]王虹，赵同彬，王炳山.基于地质雷达方法确定断层特征参数[J].黑龙江科技学院学报,2004,14(1):49-51.

[20]孙洪星，李凤明.探地雷达高频电磁波传播衰减机理与应用实例[J].岩石力学与工程学报,2002,21(3):413-417.

[21]王俊茹，吕继东.地质雷达在环境地质灾害探测中的应用[J].地质与勘探,2002,38(3):70-73.

ApplicationofGeologicalRadarinIslandGeologicalSurvey

ZHOUQing-jie,LIULe-jun,LIXi-shuang,YANGQing-le

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

Geological radar detection technology is advancing toward the direction of higher detection accuracy,wider detection range and more accurate interpretation.It shows an unprecedented broad prospect for development and has been widely applied in geological surveys such as engineering,environment,geological disaster,and so on,and therefore gets more and more attention of people.With the development of islands and the construction of islands' infrastructure,the engineering exploration of islands,the quality evaluation of projects,the influence of geological hazards and the assessment of dangers is coming more and more.Based on the advantages in geological radar detection and the analyses of research aspects in the island development and geological investigations,and combined with the exploration examples such as landslide monitoring,geological disasters and shallow fault on the islands,the applications of geological radar to the island engineering and the island geological survey are discussed.

island geological radar;landslide;fault;island engineering development

2014-01-16

海洋公益性行业科研专项——我国典型海岛地质灾害监测及预警示范研究(201005010-1)

周庆杰(1989-)，男，硕士，主要从事海洋灾害地质方面研究.E-mail:zhouqjouc@163.com

(杜素兰 编辑)

P627

A

1002-3682(2014)03-0063-07