探地雷达在某公路岩溶勘探中的应用

赵洋洋

【摘要】本文介绍了探地雷达的基本原理，并对影响探地雷达应用效果的因素进行分析；通过探地雷达探测在实际公路溶洞勘察中的应用；表明探地雷达是一种高效、无损的探测方法，能较为准确的探测溶洞的大小和位置，为基础施工提供可靠的工程依据。

【关键词】探地雷达；溶洞探测

1 概述

在计算机技术高速发展的今天，探地雷达技术已经被广泛应用到多个领域。探地雷达高度集中了近代电子技术的成果，使其不仅在设备上得到了完善，在成像、成图分析中也更加直观。探地雷达是一种非破坏性的检测技术，现已广泛应用于公路路基溶洞探查、工程质量检测、地下埋藏物探测、坝体隐患探测、考古勘探、污染区规划等方面。而溶洞则是在我国有着广泛分布的天然地质情况，在溶洞区建设公路、桥梁等工程建设工作也在日益增多；如何有效的避免或减少这种天然地质情况在工程建设中的危害成为工程建设必不可少的一个环节。

2 方法原理及特征参数

2.1 基本原理

探地雷达探测地下目标主要是通过在地面通过向地下发射高频电磁波，经地层或目的体反射后形成反射回波返回地面。探地雷达的脉冲波双程旅行时为：

式中x值即收发距，在剖面测量中是固定的；v为电磁波在介质中之传播速度，可用宽角法直接测量，也可以根据公式：

近似计算。C为光速，εr为地下介质的相对介电常数。

2.2 影响因素

探地雷达是根据雷达波的特征识别地下介质的形状和性质的，因此，能否获得可分辨的反射波是影响探地雷达应用效果的关键因素，它取决于雷达波的强度、探地雷达仪器的分辨能力、波在地质界面上的反射特性以及波在地下介质中行进时的衰减情况。而雷达波的强度以及探地雷达仪器的分辨能力由探地雷达仪器本身决定，我们主要分析后两个因素。

2.2.1 反射系数的影响因素

地質雷达波是高频电磁波，其传播可近似为平面波，在地质界面的反射系数r 为：

式中，z1为界面上层介质的波阻抗，z2为界面下层介质的波阻抗。波阻抗的计算式为：

其中j=-1，ω=2πf为角频率，μ为介质的磁导率，ε为介质的介电系数，σ为介质的电导率（以下同） 。由于地质雷达频率高，一般有σ<<ωε，故反射系数可简化为：

εr为介质的相对介电常数，角标r表示波所在的介质。反射系数反映了反射能量占入射能量的比率，取决于界面上下介质的介电系数差异。而探测目标体与周围介质的介电系数差异是探地雷达应用的物性前提，其差异的大小影响其探测的效果。一般的商用探地雷达，可容许反射波的损耗达60dB，因此当目标体与围岩介质的介电系数差异达到1时，可测到反射波。

2.2.2 吸收系数的影响因素

电磁波在有耗介质中的衰减，主要是由于传导电流的热损耗和介质极化过程中的附加损耗。除了这些本质原因，还有波的空间发散损耗和散射损耗。若仅考虑前一原因，以吸收系数β表征的波衰减特性与介质性质的理论关系：

为了说明β与σ、ε、ω的关系，我们讨论两个极限情况：

a.时，，吸收系数与频率f 无关，而与σ成正比，与ε成反比。

b. 时，，吸收系数与频率f 、σ有关， 而与ε无关。可见在高导电率介质中或使用高频时，β将增大。

介质的电导率主要受介质中的含水率及粘土含量的影响，常见介质按电导率的分类如下：

A 类：低电导率（小于10-7S/m），如空气、干的花岗岩、灰岩、混凝土、沥青等应用效果好的介质。

B 类：中电导率（10-7～10-2S/m），如纯净水、纯净水结成的冰、雪、砂、干粘土、干的玄武岩、海冰等应用效果一般的介质。

C 类：高电导率（大于10–2S/m），如湿粘土、湿页岩、海水等应用效果较差的介质。当σ>0101Sm时，不宜使用探地雷达。

2.2.3 分辨率的影响因素

探地雷达的应用前提是获得可分辨的反射波，而其探测效果主要由其分辨率决定（包括垂直分辨率和水平分辨率）。

探地雷达的垂直分辨率主要由探地雷达的波长决定，从波的传播规律可知，可识别目标体的尺度一般需大于1/2波长，若垂直最小可分辨的层的厚度为Dm，则它与f的关系为：

其中， C为电磁波在真空中的传播速度。可见频率越高，则Dm越小，即垂直可分辨层的厚度越薄，垂直分辨率越高。

探地雷达的水平分辨率是指探地雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸。根据波的干涉原理，法线反射波与第一Fresenel带外缘的反射波的旅行差为λ/2。当反射波之间发生相长性干涉时，振幅增强；而第二Fresenel带内的反射波发生相消性干涉时，振幅减弱，因此雷达波向下传播的区域是一个圆锥体，其反射能量主要来自第一Fresenel带。设目标体埋深为H，雷达波的波长为λ时，则第一Fresenel带的半径RF为：

由于每一雷达记录是第一Fresenel带内反射波的综合反映，因此RF是水平分辨率的最小尺度。从RF的计算公式可以看出，当目标体埋深越大，雷达波频率越低，波长越长，则RF越大，水平分辨率越低，反之，水平分辨率越高。同时，水平分辨率与探地雷达的观测方式有关，对于剖面观测方式，采样点距越大，水平分辨率越低，一般的，采样点距设为最小目标体水平尺度的1/5。

3 在桥址溶洞探测中的应用

3.1 工程地质概况

本文所选路段基岩分布为灰岩，覆盖层为山前冲积形成的粉质粘土夹碎石， 处在覆盖型岩溶区，岩溶发育是该区主要的不良地质现象。该路段曾出现地表塌陷，最大直径8m，最大塌陷深度3m。

3.2 地下水

该路段及周围灰岩中存在丰富的地下水资源，由于地貌上的差异，其地下水流向不一，存在形式主要有溶蚀裂隙水、溶洞存水，据区域地质资料分析可能存在地下河。

由于该段地下水含量较为丰富，灰岩中裂隙发育，是溶洞、溶蚀槽、溶蚀沟等不良地质发育岩层，岩溶中充填物为软塑-流塑状粘土。从钻探成井资料可看到溶蚀裂隙水和溶洞存水，但其中从东向西有30m深处溶洞成为干洞，充填粘性土。

3.3 雷达勘探

为查明该段岩溶的地下分布规律，给桩基础的施工提供可靠的工程依据，避免工程隐患，采用地质雷达方法对该段进行了详细勘查，其目的是查明覆盖层的厚度，岩溶的分布规律及其填充情况。

使用RAMAC地质雷达、100MHz屏蔽天线、测点点距为0.3m及0.6m进行岩溶勘探。得到的图像中出现2处明显的强振幅，剖面上同向轴呈向上凸起的弧形。

结合实际地质情况，解释认为着2处分别为3×2m的溶洞，埋深约为23m；和一上下层溶洞。经过钻探验证分别为相同埋深干溶洞和埋深为3m和5.5m，约1.2×1m大小的湿溶洞。

4 结论

通过在实际地段上应用探地雷达对地下隐伏溶洞的探测与钻探验证的对比，我们得出以下结论：

1） 探地雷达在路桥选址以及溶洞探测工程中有着高效、精确的特点，减少了工作量及工程开支。

2） 探地雷达探测深度和精度（分辨率）主要与电磁波的频率有关。当电磁波频率越高，探测深度越小，则探测精度越高；相反，当电磁波频率越高，探测深度越大，则探测精度越低。因此在做探测时，应准确估算探测深度，选用合适频率的电磁波方能达到最佳效果。

3） 探地雷达在公路路基质量的探测、路桥的选址、溶洞和地下暗河的查找中有着广阔的发展前景。

参考文献：

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