应用探地雷达开展地质灾害风险性勘测评估的案例分析研究

司 治

(新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆 昌吉 831100)

工农业生产和地质防灾减灾管理和实践，离不开及时有效的地质勘测与解析评估工作。探地雷达勘测技术，对于郊野大范围的地质勘测项目，尤其对于地形地貌起伏较大，对探深有一定要求的探测项目，该技术具有明显的应用优势。把握该雷达探地技术原理，了解介电系数计算关系，对回波影像开展技术解读与解析，可以帮助我们熟悉探地雷达测量操作，进一步积累图像解析经验，助力实现更有技术适用性和解析准确性的地质勘测评估应用。

1 探地雷达探测原理简述

探地雷达还被称作地质探测雷达，测量过程中，探地雷达由控制主机指令发出宽带高频电磁波。如果在地下遇到有不同介电系数的介质，则伴随该介质的空间形态和介电参数的差异，电磁波会对应发生改变，其传导特性诸如波型、振幅和路径等发生相应改变。一些电磁信号形成透射，另一些则基于介面反射，为接收天线所接收。采集数据系统对检测构造中，不连续电介质系数的突变状态和返回时间给予记录和计算分析，其探测原理如图1所示。

图1 探地雷达的探测原理图

地下介质因材质不同或因裂隙、不密实区、空洞等结构的影响，形成介电性相对差异，电磁波在传导过程中，如经过松散介质或者遇非均质低阻抗介质时，雷达波型相对杂乱，有的则以同相轴窄细形态发生，有时无显著规律；当遇到较完整岩体雷达波型无显著反射，波型影像通常呈现均匀性黑灰颜色。经过处理所接收的回波，基于反射波组的相似性、同相性以及波型特征，依据波型、双程传播用时以及强度等参数，推测判断相关介质的几何构造形态、电性特征以及空间位置等，对不同地质所对应的反射波组给予区分，并分析它们的变化趋势及互相关系，建立各种波组的地质构造模式，进而获得检测结果，达对地层解译的目的。

测量在计算机控制下开展，可实时显示雷达波型、采集数据和开展储存。首先对数据开展编辑，数据接拼、测线调整、编辑数据块、显示参数设置；其次对数据开展基本处理，添加里程桩号、距离归一化、时间深度转换、调整地表时间零点、交互式解析、水平截面拉伸与压缩；最后开展数据希尔伯特变换、反褶积、速率分析、偏移、滤波、增益调整，尽最大可能降低环境和信号干扰，提供清晰可辨的影像，为分析解析创造优质条件。经过处理的数据信息，可以雷达波型图、三维路面截面图、路面彩色截面图显示。资料解析就是对所采集的地质影像开展辨识解析，当探测波通过风化岩体与常规健康岩土体的分界面时，反射波放大能量，振幅波型变大，特定的波阻抗差异在界面两侧发生，会形成较强的反射波，依据反射波特征即可获得地下探测目标的分布区域、层深度等特征。

另一个关键技术点在于介电系数校准。经常应用的介电系数校准方法包括：几何刻度法、共反射点法、金属板反射常数法、钻孔取芯介电系数法等，此中的钻孔取芯介电系数法应用比较成熟。在被测区段选取有代表性的点位开展芯钻采样，检测其实际厚度。用实测厚度及采样点截面上雷达波的双程传播用时两参数，便可校准该构造层的介电系数，即：

(1)

式中：εr为构造层介电系数；t系为被测构造层的雷达波双程传播用时；c系为光速的理论值，取30 cm/ns；H系为被测构造层芯钻采样的实测厚度值。厚度计算：一旦各构造层介电系数已经知，则厚度就很容易计算。电磁波在介质中的传导速率为：

(2)

式中：v系为电磁波在介质中的传导速率；速率v乘以电磁波在构造层中往返用时乘1/2，即为目标构造层的结构厚度。

上面层：

(3)

下基层：

(4)

公式中：h1系为第1层构造厚度；h2系为第2层构造厚度；Δt1系为电磁波在第1层构造中传导的往返时间；Δt2系为电磁波在第2层构造中传导的往返时间。

2 探测工程和应用装备概况

接受委托选用探地雷达对谢家沟地质灾害风险性评估项目指定的范围开展地质勘查，了解基岩裂缝发育情况、基岩风化层厚度、测区地质简况和地球物理特征，依据工程特征及灾害防范评估的需求。勘查测区的盖覆层有强风化的砾石土及山顶局域的含土砂碎石层，基岩主要为泥岩及砂岩，范围盖覆层主要为第4系冲洪积的砂碎石层及崩坡积的砾石土；基岩为侏罗系砂岩、泥岩。整个探测从北向南沿山体共配置15条探测截面，合计实现雷达探测截面2 240 m。

全程选用SIR—30E型GSSI公司(美)生产的地质雷达，天线频率可选择应用50、100、200、500～900 MHz开展工作，对于不同探深，可选择接挂不同型号的探测天线，实现针对。最大探深>60 cm。这次勘测目标深度值5～10 m左右，依据探测目的、现场实验及测区现场地质条件，这次选用100 MHz频率天线，数据采集选择连续采集方式开展。基于具体探测深度设置时窗，现场所选择的探测深度取1.5倍于目标探测深度。

3 探地雷达探地勘测成果和地质状况评估

3.1 截面1-1＇的勘测成果和地质状况评估

截面1-1′的各深度探地雷达探测影像如图1～图3具体所示。

图1 截面1-1′的0～45 m雷达探测成果图

图2 截面1-1′的45～90 m雷达探测图

图3 截面1-1′的90～140 m雷达探测图

雷达图像显示，0～3.2 m区域内同相轴雷达影像波型较乱，并且以窄细状同方向轴发生，局域存在错断，推测判断估测为含粉土砾石、塌崩体坡积物、强风化基岩；3.2～6.4 m雷达影像呈现均匀性黑灰颜色，推测判断估测为强风化—弱风化基岩，此中截面桩号50～90 m深度值3.3～5.4 m雷达影像局域呈现点状红颜色反射，推测判断估测岩体内部裂缝发育；6.4～8.5 m雷达影像呈现黑灰颜色点状，推测判断估测为弱风化—较完整基岩。

3.2 截面2-2′的勘测成果和地质状况评估

截面2-2＇的各深度探地雷达探测影像如图4～图6具体所示。

图4 截面2-2′的0～50 m雷达探测图

图5 截面2-2′的50～100 m雷达探测图

图6 截面2-2′的100～150 m雷达探测图

雷达图像显示，0～3.1 m区域内同相轴雷达影像波型较乱，并且以窄细状同方向轴发生，局域错断，推测判断估测为含粉土砾石、塌崩体坡积物、强风化基岩；3.1～6.0 m雷达影像呈现均匀性黑灰颜色，推测判断估测为强风化—弱风化基岩，此中截面桩号50～73 m深度值3.1～5.3 m雷达影像局域呈现点状红颜色反射，推测判断估测岩体内部裂缝发育；6.0～8.5 m雷达影像呈现黑灰颜色点状，推测判断估测为弱风化—较完整基岩。

3.3 截面3-3′的勘测成果和地质状况评估

截面3-3′的各深度探地雷达探测影像如图7～图8具体所示。

图7 截面3-3′0～50 m雷达探测图

图8 截面3-3′50～120 m雷达探测图

雷达图像显示，0～3.2 m区域内同相轴雷达影像波型较乱，并且以窄细状同方向轴发生，局域错断，推测判断估测为含粉土砾石、塌崩体坡积物、含土砂碎石层、强风化基岩；3.2～6.2 m雷达影像呈现均匀性黑灰颜色，推测判断估测为强风化—弱风化基岩，此中截面桩号10～25 m深度值3.2～8.5 m雷达影像局域呈现点状红颜色反射，推测判断估测岩体内部裂缝发育；6.0～8.5 m雷达影像呈现黑灰颜色点状，推测判断估测为弱风化—较完整基岩。

3.4 截面4-4′的勘测成果和地质状况评估

截面3-3＇的各深度探地雷达探测影像如图9～图10具体所示。

图9 截面4-4′的0～60 m雷达探测图

图10 截面4-4′的60～125 m雷达探测图

截面4-4′的雷达探测长度125 m，探测影像反映：这次雷达探测深度区域内(0～8.5 m)，0～3.1 m区域内同相轴雷达影像波型较乱，并且以窄细状同方向轴发生，局域错断，推测判断估测为含粉土砾石、塌崩体坡积物、含土砂碎石层、强风化基岩；3.1～5.7 m雷达影像呈现均匀性黑灰颜色，推测判断估测为强风化—弱风化基岩；5.7～8.5 m雷达影像呈现黑灰颜色点状，推测判断估测为弱风化—较完整基岩。

3.5 其它各截面的勘测成果和地质状况评估

截面5-5′至截面10-10′亦得到了各深度探地雷达探测影像，因篇幅所限，这里只给出依据雷达影像分析所得到的地质状况评估成果。

截面5-5′雷达探测长度130 m，探测影像反映：这次雷达探测深度区域内(0～8.5 m)，0～2.8 m区域内同相轴雷达影像波型较乱，并且以窄细状同方向轴发生，局域错断，推测判断估测为含粉土砾石、塌崩体坡积物、含土砂碎石层、强风化基岩；2.8～5.7 m雷达影像呈现均匀性黑灰颜色，推测判断估测为强风化—弱风化基岩；5.7～8.5 m雷达影像呈现黑灰颜色点状，推测判断估测为弱风化—较完整基岩，此中截面桩号25～65 m深度值7.0～8.5 m雷达影像局域呈现点状红颜色反射，推测判断估测岩体内部裂缝发育。

截面6-6′雷达探测长度105 m，探测影像反映：这次雷达探测深度区域内(0～8.5 m)，0～3.0 m区域内同相轴雷达影像波型较乱，并且以窄细状同方向轴发生，局域错断，推测判断估测为含粉土砾石、塌崩体坡积物、含土砂碎石层、强风化基岩；3.0～6.3 m雷达影像呈现均匀性黑灰颜色，推测判断估测为强风化—弱风化基岩，此中截面桩号66～73 m深度值3.2～5.3 m雷达影像局域呈现点状红颜色反射，推测判断估测岩体内部裂缝发育；5.7～8.5 m雷达影像呈现黑灰颜色点状，推测判断估测为弱风化—较完整基岩。

截面7-7′雷达探测长度140 m，探测影像反映：这次雷达探测深度区域内(0～8.5 m)，0～2.7 m区域内同相轴雷达影像波型较乱，并且以窄细状同方向轴发生，局域错断，推测判断估测为含粉土砾石、塌崩体坡积物、含土砂碎石层、强风化基岩；2.7～5.6 m雷达影像呈现均匀性黑灰颜色，推测判断估测为强风化—弱风化基岩；5.6～8.5 m雷达影像呈现黑灰颜色点状，推测判断估测为弱风化—较完整基岩。

截面8-8′雷达探测长度150 m，探测影像反映：这次雷达探测深度区域内(0～8.5 m)，0～2.6 m区域内同相轴雷达影像波型较乱，并且以窄细状同方向轴发生，局域错断，推测判断估测为含粉土砾石、塌崩体坡积物、含土砂碎石层、强风化基岩；2.6～6.0 m雷达影像呈现均匀性黑灰颜色，推测判断估测为强风化—弱风化基岩，此中截面桩号30～45 m深度值3.2～7.5 m雷达影像局域呈现点状红颜色反射，推测判断估测岩体内部裂缝发育；6.0～8.5 m雷达影像呈现黑灰颜色点状，推测判断估测为弱风化—较完整基岩。

截面9-9′雷达探测长度170 m，探测影像反映：这次雷达探测深度区域内(0～8.5 m)，0～2.7 m区域内同相轴雷达影像波型较乱，并且以窄细状同方向轴发生，局域错断，推测判断估测为含粉土砾石、塌崩体坡积物、含土砂碎石层、强风化基岩；2.7～6.3 m雷达影像呈现均匀性黑灰颜色，推测判断估测为强风化—弱风化基岩；6.3～8.5 m雷达影像呈现黑灰颜色点状，推测判断估测为弱风化—较完整基岩。

截面10-10′雷达探测长度165 m，探测影像反映：这次雷达探测深度区域内(0～8.5 m)，0～2.8 m区域内同相轴雷达影像波型较乱，并且以窄细状同方向轴发生，局域错断，推测判断估测为含粉土砾石、塌崩体坡积物、含土砂碎石层、强风化基岩；2.8～6.3 m雷达影像呈现均匀性黑灰颜色，推测判断估测为强风化—弱风化基岩；6.3～8.5 m雷达影像呈现黑灰颜色点状，推测判断估测为弱风化—较完整基岩，此中截面桩号20～105 m深度值6.4～7.5 m雷达影像局域呈现点状红颜色反射，推测判断估测岩体内部裂缝发育。

4 结语

测区的盖覆层有强风化的砾石土及山顶局域的含土砂碎石层，基岩主要为砂岩及泥岩，当电磁波穿透盖覆层时，因为盖覆层含土对电磁波的吸收较强，使得下部的电磁波较弱，但当遇到介质分界面时，反射波能量提高，波型振幅变大，导致风化带两侧存在一定的波阻抗差异，但是在均匀介质中却没有显著电磁波反射，波型振幅值较小。测区各地层在雷达探测影像上雷达波(电磁波)有显著差异。探测成果显示，在勘察区8.5 m以内地层深度区域内分为三大波型影像层：上部推测判断估测为以第4系松散层为主，主要地层为强风化岩体、塌崩体坡积物和含粉土砾石，厚度通常在3.0 m左右；中部3.0～6.0 m区域内为强风化弱风化基岩；底部为弱风化较完整基岩。