Groundvue系列地质雷达探测系统及其应用

袁宝远,程　岩,李勇军

(河海大学地球科学与工程学院, 江苏南京210098)



Groundvue系列地质雷达探测系统及其应用

袁宝远,程岩,李勇军

(河海大学地球科学与工程学院, 江苏南京210098)

地质雷达虽然应用广泛，但测试深度有待增加、测试可靠性有待进一步提高。利用水利部948项目资金从英国引进的Groundvue系列地质雷达系统，是目前国际上具有最低频率的一款雷达，明显提高了探测深度和可靠性。通过大量的测试分析总结，建立了深部逐步层次测试分析方法。南门峡水库防渗墙的探测成果表明：地下防渗墙的位置与现有的灌浆平台有3 m左右的水平距离，这可能是历次灌浆效果不佳的一个重要原因，探测成果验证了Groundvue系列地质雷达系统的有效性。

Groundvue;地质雷达;现场探测;测试分析

地质雷达技术在考古、建筑、铁路、公路、水利、电力、采矿、航空各领域都有重要的应用，解决场地勘查、线路选择、工程质量检测、病害诊断、超前预报、地质构造研究等问题。在工程地球物理领域有多种探测方法，包括反射地震、地震CT、高密度电法、地震面波和地质雷达等，其中地质雷达的分辨率最高，而且图像直观，使用方便，优点明显。地质雷达最早用于工程场地的勘查，包括重要工程场地、铁路与公路路基，用以解决松散层分层和厚度分布，基岩风化层分布，以及节理带断裂带等问题。有时也用于研究地下水水位分布，普查地下溶洞、人工洞室等。

地质雷达虽然应用广泛[1-11]，但测试深度增加、测试精度的提高和资料解释水平的提升等一直是研究人员努力提高的方向。英国Groundvue系列地质雷达，使用的处理软件Reflexw在欧美地区已经作为一个标准软件，其中GV6探地雷达天线，频率范围为5～30 MHz，中心频率为15 ΩHz，是目前世界频率最低的一款雷达，探测深度能够达到地下200 m。青海省水利水电勘测设计研究院与河海大学合作申请了水利部引进国际先进技术计划项目“地质雷达技术引进及在南门峡水库除险加固中的应用”，利用项目资金引进了一套Groundvue系列地质雷达探测系统，通过技术引进和开发，提高水库工程的地质雷达方法的探测深度和可靠性。

1　Groundvue系列地质雷达系统

Groundvue系列地质雷达测试系统主要技术指标：四通道雷达主机的扫描速率为250扫/s；400 MHz天线频率范围:200～600 MHz；50 MHz天线频率范围:30～100 MHz；15 MHz天线频率范围：5～30 MHz；高脉冲重复率：2 MHz到 500 kHz。GV系列雷达主要型号见表1。

表1　GV系列雷达主要产品Tab.1　Main products of GV series radar

地质雷达的天线根据划分的方式不同可以划分为不同种类的天线。从工作性质上可分为发射天线和接收天线；从屏蔽与否上说可以分为屏蔽天线和非屏蔽天线，如图1和图2所示。

图1GV2屏蔽天线地质雷达

Fig.1GV2 gshielded antenna radar

图2GV6非屏蔽天线地质雷达

Fig.2GV6 unshielded antenna radar

2　测试与数据处理方法

采用不同测深、分辨率的雷达，可以在后期将相同段的测量结果进行对比分析，互为补充。 地质雷达的测量方法根据探测的目标不同、探测的目的不同，分为连续剖面扫描探测、宽角探测、共中心点探测和透射探测。因为想要获悉的是南门峡水库坝前坡地下混凝土防渗墙的位置情况，根据GV系列地质雷达的特点，所以选取的是连续剖面扫描探测的方式。

图3　地质雷达反射法探测示意图Fig.3　GPR reflection method detection diagram

连续剖面扫描探测方式原理如图3 所示。在实际探测中，反射探测方式的特点在于让发射天线(T)与接收天线(R)保持一个确定的间距沿测线同时前移，从而探测地下目标物。地质雷达仪器的发射天线和接收天线，在每次同时经过各个测点时会记录下一次回波波形。

因此当雷达仪器沿测线完成了该次探测任务之后，就获得了测线位置上地下目标物的地质雷达回波曲线图，其橫坐标为仪器在地表测量时的位置，也就是测点坐标，纵坐标为地质雷达的电磁波从发射到接收的双程用时。当实际探测，录取数据时，可以采用连续录取多道数据并对其作平均处理的方法，来减小探测时产生的随机误差。这种记录方式不需要对回波进行再处理，就能够直观反映出测线位置上地下各反射界面的特征。

英国Groundvue系列地质雷达，使用的处理软件ReflexW在欧美地区已经作为一个标准软件。由于ReflexW软件数据需要从原始的地质雷达数据包中导出所需要处理的回波信号数据，通过ReflexW软件把数据接收仪中得到的原始灰度图导入其中，而初始得到的灰度图都是某一断面的，只需要进入2D模式既可以处理。对于GV2和GV3地质雷达而言，本身就带有记录位移的工具，导入的数据格式为.dat，而GV6地质雷达由于不带有自身位移记录工具，要通过GPS来确定其位移和距离情况，在导入数据之前要经过数据的分离，分离前的数据格式为.asc。

3　深部逐步层次测试分析法

地质雷达由于天线频率不同，其有效探测深度和探测精度有很大差别，总体是频率越大，探测深度越小，但探测分辨率越小，精度越高。4 GHz的天线探测深度只有0.5 m，但分辨率可达1 mm；400 MHz的天线探测深度有5 m，分辨率为5 cm；15 MHz的天线探测深度为70 m，分辨率只有1 m。

频率越小，探测深度越大，但分辨率越差，同时浅部界面的多次反射可以形成假象，需要在数据解译时判别剔除。有效的判别图像信息的真假是深部探测的一个重要工作。为了判别由浅部、中部界面或目标物的多次反射形成的假象，可以利用浅部和中部的高精度的测试较精确确定浅部目标及中部目标，为深部目标物的判别提高依据。

根据上述分析，深部目标物的测试可采用深部逐步层次测试分析法，即首先采用高频天线测试浅部区域，分析浅部的剖面模型；再用中等频率测试中部区域，分析中部的剖面模型，分析过程中利用浅部的分析结果进行中部目标物判别，建立中部的剖面模型；最后用低频率天线测试深部区域，分析深部的剖面模型，分析过程中利用中部的分析结果进行深部目标物判别，建立深部的剖面模型。

4　工程应用

南门峡水库是以灌溉为主的Ⅲ等中型工程，始建于1974年，1982年投入运行。由于该水库位于岩溶地区，地质条件复杂，坝基和两坝肩构造岩溶、裂隙发育，渗漏比较严重。南门峡水库防渗处理工程早在1975年大坝施工期间就已经开始，至今已进行了3个阶段帷幕灌浆处理，但效果均不理想。

坝基的混凝土防渗墙位于坝前坡从坝基建基面到基岩面之间，是用于防止基岩面上卵砾石覆盖层渗水。由于缺乏准确的原始设计图纸，在历次灌浆加固坝基时，一般认为其平行于大坝走向位置，在现有的注浆平台边上。

采用GV3-400 M和GV2进行的测试，了解了上部为正常坝体材料，未发现有防渗墙。采用GV6地质雷达在坝前坡上，垂直于坝走向的方向上进行测试，具体测向为由坝坡底部向坝顶测量。(0+034) m处测量灰度图像见图4。

图4　GV6 坝前坡(0+034) m垂直坝轴向地质雷达灰度图

由图4可以发现在坝前坡上26 m左右处，在地层深度为26 m和32 m的部分发现有地质雷达电磁波的反应，疑似混凝土防渗墙的位置，其平行于大坝的走向，位于灌浆平台靠近坝顶方向，与现有的灌浆平台有3 m左右的距离，这可能是历次灌浆效果不佳的一个重要原因。

为了证实以上的推测，查看平行于该条测线其他位置上的地质雷达图像，发现在其他平行于(0+034) m剖面的地质雷达图像上，绝大多数图像，几乎在相同位置处，发现了疑似是混凝土防渗墙的雷达反应。图5为(0+208) m坝前坡上24 m处，深度为24 m和32 m的部分出现地质雷达反射弧线，图6为(0+304)剖面在相同位置处发现一处雷达反射弧线，深度也为26 m左右。

图5　 GV6坝前坡(0+208)垂直坝轴向地质雷达灰度图

图6　GV6坝前坡(0+304)m垂直坝轴向地质雷达灰度图

从图5和图6中两条反射弧线的相对位置来看，深度较浅的反射弧线往往较深部的反射弧线在图像上靠左边一些，这其实不难解释，因为测量是一个由下往上的路线，所以测量路线与水平面之间存在着20°的坡脚，相对于竖直矗立的混凝土防渗墙则相当于有着70°的夹角。当测量路线在图像当中以水平方向显示时，图像中的防渗墙自然而然就会呈现出由垂直方向倾斜20°，变成“斜墙”的现象。

通过结合垂直于大坝走向，互相平行的26条地质雷达图像的观察与分析，能够发现坝基混凝土防渗墙的位置，位于坝顶沿坝前坡向下11 m处，与现有灌浆平台有3 m左右的距离，防渗墙距离地表距离从26 m到30 m不等，很可能防渗墙顶不在同一高程上。且防渗墙在(0+40) m～(0+380) m坝段间延续良好。

为了确认以上地质雷达探测的解释成果，采用现场钻探进行验证。第一个钻孔位置根据地质雷达测试分析的结果现场确定，首先在右坝肩桩号(0+383.60) m处布置了ZK14-1-1孔，揭露人工堆积的土层后又打到砂砾石，钻至40 m未找到混凝土防渗墙，经分析孔位向下游移了0.70 m布置了ZK14-l-2孔，钻至25.0 m时找到了混凝土防渗墙。然后在桩号(0+208) m处又布置了ZK14-3孔，钻至28.50 m时找到了防渗墙；在桩号(0+150) m处布置了ZKl4-4-1孔，防渗墙没找到，又向下游移0.60 m，布置了ZK14-4-2孔，钻至31.0 m时找到了混凝土防渗墙,主要钻探结果见表2。

防渗墙顶部不在一个高程上，桩号(0+034.2) m处墙顶高程2 736.45 m，底部高程2 721.05 m，墙高15.4 m。防渗墙钻探验证工作说明原防渗墙呈直线，防渗墙位置位于上游马道2012年帷幕灌浆中心线向下游左岸5.4 m，右岸6.1 m。

表2　混凝土防渗墙钻探成果表Tab.2　Table of drilling results of concrete cutoff wall

5　结　语

①Groundvue系列地质雷达在我国的工程探测中应用尚属首次，通过大量的测试应用以及室内的模拟试验，初步建立起的GV系列地质雷达在工程地质勘探中的基本探测模式，并取得了良好的探测效果。

②GV6属于频域地质雷达，其最大探测深度有200 m，由于其探测精度只有2.5m左右，同时GV6地质雷达较为轻便，所以较为适合深部较大目标体的探测，尤其对于深部大型缺陷和地层分布探测尤为有优势。

③深部逐步层次测试分析法是解决深部探测受浅部目标物干扰的有效测试方法。

④南门峡水库防渗墙的地质雷达探测为多年来困扰南门峡水库的与防渗墙有关的渗漏原因问题得到了很好的解决，也充分证明了Groundvue系列地质雷达的效用。

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(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Groundvue series of ground penetrating radar detection system and its application

YUAN Bao-yuan, CHENG Yan, LI Yong-jun

(College of Earth Science and Engineering, Hohai University,Nanjing 210098, china)

Ground Penetrating Radar is widely used, but its detected depth needs to be increased, and its reliability of detection needs to be further improved. The Groundvue series of Ground Penetrating Radar system was introduced from the United Kingdom, which was funded by the 948 Project of the Ministry of Water Resources. Its antenna has the lowest frequency, which improves its detection depth and reliability significantly. Through a lot of test and analysis, a step by step deep test and analysis Method was established. Detection results of the seepage cut-off wall of Nanmenxia reservoir dam foundation showed that there was about 3m distance from the seepage cut-off wall to the grouting platform, which may be the important cause of previous unsatisfying grouting. The results verified the effectiveness of Groundvue series of geological radar system.

groundvue; ground penetrating radar; field detection; detection analysis

2016-04-15；

2016-05-20

水利部引进国际先进技术计划项目(948项目201325)

袁宝远(1967—)，男，江苏海安人，河海大学教授，博士生导师；E-mail: ybyljh@vip.sina.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1061

TU413.9

A

1001-7445(2016)04-1061-06

引文格式：袁宝远,程岩,李勇军.Groundvue系列地质雷达探测系统及其应用[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1061-1066.