论文部分内容阅读
摘 要：以山东枣庄某电厂改扩建项目岩溶勘察为例，简要论述了探地雷达测试技术的基本原理和方法，并结合灰岩地区的岩溶探测实例，分析在溶洞、溶蚀裂隙多发地区，如何根据雷达波图像处理和异常分析划定异常地质构造的分布及埋深，最后综合考虑现场基坑开挖情况，探讨不同岩溶构造在探地雷达探测资料中的异常表现。
关键词：探地雷达；岩溶；电厂基坑；构造异常
中图分类号：P631.4+41 文献标志码：A
Abstract： Considering a certain karst investigation in one extension project of a power plant in Shandong Zaozhuang， a brief discuss of the basic principle and method of Ground Penetrating Radar technology is introduced. Combining with the example of karst detecting in limestone area and the consideration of the cases in which caves and grikes are well developed， the relation between the abnormal analysis on the radar iamge and abnormal distribution of abnormal geological structure and the buried depth is revealed. In the end， the site excavation is presented， and the abnormality of different karst structure in ground penetrating radar data is discussed.
Keywords： Ground Penetrating Radar （GPR）； Karst； Power plant foundation； Structural abnormalities.
0 引言
目前，探地雷達的应用领域已经极大地扩展，甚至已经远远超出了“探地”的范畴。比如人工建筑探测，穿墙探测，医学成像探测等，也都属于这一技术应用范畴。探地雷达的广泛应用是推动探地雷达快速发展的主要原因。到目前为止，探地雷达已成为一种常规的探测技术，可以解决各种各样的问题，其高分辨率、高效率、无损探测和结果直观等优点使其在众多领域都得到了广泛应用，包括工程勘察、环境监测、水文地质调查、考古研究、基础地质调查、矿产勘察、军事探测、极地冰川探测、星球探测以及生物医学检测等。
1 探地雷达基本原理
探地雷达（Ground Penetrating Rader， GPR）是用高频无线电波来探测地表之下，或者确定不可视物体内部，物质分布与结构展布的一种探测方法1。探地雷达以电磁脉冲的形式进行探测，雷达探测的95%是采用偶极发射模式，发射机发射一“列”电磁脉冲，该脉冲在介质中传播，在地下介质中电特性有变化的地方发生反射（或散射），接收机拾取“被反射”信号，记录它并将其显示在计算机屏幕中。脉冲在介质中的传播遵循惠更斯原理、费马原理以及斯涅尔定律，其运动学规律与地震勘探方法相似。通常，较低频率和较窄带宽电磁波进行探测，获得的探测深度较大分辨率相对较低；反之，较高频率和宽带频率范围电磁波进行探测，其探测深度浅，但是能够获得相对较高的分辨率2。
2 探地雷达的工程应用
2.1 测区概况（灰岩地区构造特点）
测区位于山东枣庄某电厂改扩建项目已开挖基坑内，拟建场地初勘揭露地层为上覆第四系全新统人工填土（Q4s），第四系上更新统残积（Q3el）粘土层，奥陶系下统（O1）灰岩、泥质灰岩、泥灰岩、角砾状灰岩等。基坑内上覆地层已基本清理完毕，地表可见岩溶、溶蚀沟槽极度发育，溶蚀裂隙垂向延伸较深，这对于中浅部溶洞探测有很大的影响。具体现场岩溶发育情况可见下图1。
2.2 探测技术
根据各个环节作业的具体内容，可将探地雷达检测过程分为数据采集、数据处理和资料解释三个步骤，各个步骤的技术要求各有不同，但是任一环节工作质量的把握都会对后期探测结果的给定产生非常重要的影响。
2.2.1 现场采集
由于场地面基本已经开挖，因此雷达测线尽量布置在灰岩基岩面上，已尽量减少电磁信号衰减。部分表面尚有薄覆盖层地段，则采用人工填平的方式，以减少因地表起伏颠簸而引起后期数据校正误差。
本次现场检测使用设备为瑞典MALA地球科学公司（Sweden MALA Geoscience Inc）生产的MALA ProEx型探地雷达系统，配备中心频率为250MHz的超强屏蔽天线，天线偶极子间距为0.31m。实测过程中，采用专用测距轮进行记录，采样间距为0.05m，采样频率为3300MHz。采样时窗大小根据要求探测深度进行设定，以0.1m/ns作为介质中电磁波的平均传播速度，则200ns的双层走时所对应的探测深度约为10m，迭代次数为16次。
2.2.1 数据处理
探地雷达数据处理的目的是压制噪声，增强信号，提高资料信噪比，以便从数据中提取速度、振幅、频率、相位等特征信息。探地雷达的数据处理包括数据编辑、数字滤波、振幅处理、反褶积和偏移等。通常根据实际数据质量选择处理方法和处理参数。
根据经验，通常第一步都是进行地形校正，也叫静校正，即去除电磁波从天线箱到地面之间的双层旅行时。完成静校正后做一次一维滤波（subtract-mean），即用每一道上各个采样点的数据减去该道上各采样点数据的平均值，从而削弱各道的纵向数据差异。解释进行增益处理（energy decay）以增强中深部的雷达数据信号。但是深部数据通常夹杂着大量背景噪声信号干扰，因此需要做背景噪声处理（background removal），该处理可以有效地从整个剖面中消除一致性的噪声，使有用信号更加清楚，也可以抑制水平一致的能量。但是如果使用不当，也有可能会产生假信号。2完成上述处理后，若图像信号仍不是很满意，则还可以进行带通滤波处理（bandpass butterworth），该滤波分别作用于每一道，它是在时域中用递归滤波进行带通滤波。该滤波带通过设置两个频率值指定，对于250MHz屏蔽天线，通常设置低切频率100MHz，高切频率300MHz即可。 2.2.1 资料解释
探地雷达的图像解释应尽可能准确地反映周边地层的实际情况，避免图像解释的盲目性和随意性。按照要求，解释时应通过综合资料，充分考虑地质情况和探测结果的内在联系与可能存在的干扰因素；充分考虑地球物理方法的多解性造成的虚假异常3。在图像上通过反射波波形及能量强度等特征判断、识别和筛选异常。
在进行探地雷达剖面的解释时，我们通常会做以下三点假设：
（1）探地雷达剖面上的相关反射波和波形特征是由介质的电性差异引起的。
（2）电性质的差异表现为介质的差异。这样，可以通过雷达波形的到时和振幅等参数，确定速度和介质的变化范围，进而获得不同介质或介质成分差异的结构图像。
（3）雷达剖面的参数（如波形、振幅、相位等）与介质的变化有关，可以通过这些参数确定介质的性质和属性的变化。
2.2 实例分析
溶洞是可溶岩的一种常见的地质现象，溶洞有的是空洞，有的被水或泥土填充。溶洞的存在对可溶岩区的工程建筑有较大的危害。
线的雷达探测剖面图像。
通常可以根据灰岩上界面的反射波同相轴横向对比追踪，从而确定出灰岩上界面的起伏形态。如上图2中确定的基岩面为地下2～3m深度左右。
在有溶洞的位置，反射信号呈双曲线型，反射波振幅变大，反射波相位不稳定，多次波发育。灰岩面附近岩溶发育，在灰岩面雷达图像中可见不规则强反射波。如该测线桩号7～9m，頂部埋深6～8m处出现强反射弧，推测为溶洞发育，但该溶洞周围溶蚀裂隙发育，部分尚未完全成洞。
纵向溶蚀裂隙中通常由于被上覆地层冲蚀的土体所充填，因此其雷达图像特征表现为短周期的弱反射，反射波的形态特征与周围土层的反射波形态特征不同，纵向溶蚀裂隙充填通常由于纵向扩展深度比横向宽度要大，因此通常表现为纵向长条状弱反射，如上图2中桩号10～11m，埋深1～8m所确定的冲蚀裂隙充填区域。
扰动土层与充填溶洞、充填溶蚀裂隙构成了典型的开口特征4。这就使得上覆地层承载力明显降低，容易引起坍塌，因此在工程勘察中应引起特别重视5。
此外，溶蚀破碎带在可溶性岩石地区也是一种常见的地质现象，对工程结构的稳定性有很大的危害。一般情况下，致密灰岩上的雷达波没有明显的反射，而当灰岩在地表或地下水的作用下发生溶蚀后，首先以细微的裂隙形式存在，随着溶蚀程度的提高，裂隙的发育，规模不断扩大，最后数条裂隙间相互连通形成岩溶破碎带或溶洞。岩溶破碎带中通常被水、粘土以及岩溶蚀变物所填充，这些物质与完整灰岩在介电常数上有明显差异，对电磁波会形成明显的反射或者饶舌，形成反映岩溶破碎带的探地雷达图像异常。如上图2中桩号11～13.5m，深度3.5～5m所圈定的区域。
以上地质异常经地质钻探成果验证，除溶洞洞径大小误差存在一定误差外，其他如埋深和位置基本与客观实际吻合，从而客观地证明了探地雷达在岩溶地区工程勘察中较好的应用前景。
3 结论
（1）探地雷达在地下岩溶探测中，具有简便、高效、经济等优点，在岩溶发育地区岩土勘察工作中，使用250MHz高频天线，能有效揭露20m埋深范围内异常目标体。
（2）探地雷达技术能在一定区域内，通过对地下目标体实施大范围的连续扫描，提供直观连续的剖面图，这有效弥补常规地质调查和钻探的不足，从而为岩溶区的灾害治理和地基评估提供更加丰富详实的地质资料。
（3）本文集中对比了多种灰岩岩溶区多发地质构造在探地雷达测试中的剖面图像反映。通过数据图像分析，为今后岩溶地区地质勘察提供了一种值得借鉴的思路。
（4）由于地球物理资料解释的多解性，以及本次勘察测试的深度和精度有限，单纯使用探地雷达进行地质资料评判存在一定的片面性，应利用多种勘察方法进行综合解释，这样才能保证勘察结果的可靠性。
参考文献
[1] 李大心.探地雷达方法与应用，北京：地质出版社，1994.
[2] 崔阿李，刘康和.探地雷达技术在岩溶探测中的应用[J].地球科学与环境学报，2008，30（2）：197-199.
[3] 何金武，徐干成，郑建中.地质雷达在地下洞穴探测中的应用[J].工程物探，2008：548-550.
[4] 邢文宝.探地雷达在岩溶地质勘探中的应用[J].铁道建筑技术[J]，2006，4：63-65.
[5] 王平，韦益华.地质雷达技术在地下采空区探测中的应用.内蒙古石油化工，2009，13：68-71.
作者简介：
周洲（1987-），男，北京人，助理工程师，工学硕士，从事岩土工程勘察测试工作。
关键词：探地雷达；岩溶；电厂基坑；构造异常
中图分类号：P631.4+41 文献标志码：A
Abstract： Considering a certain karst investigation in one extension project of a power plant in Shandong Zaozhuang， a brief discuss of the basic principle and method of Ground Penetrating Radar technology is introduced. Combining with the example of karst detecting in limestone area and the consideration of the cases in which caves and grikes are well developed， the relation between the abnormal analysis on the radar iamge and abnormal distribution of abnormal geological structure and the buried depth is revealed. In the end， the site excavation is presented， and the abnormality of different karst structure in ground penetrating radar data is discussed.
Keywords： Ground Penetrating Radar （GPR）； Karst； Power plant foundation； Structural abnormalities.
0 引言
目前，探地雷達的应用领域已经极大地扩展，甚至已经远远超出了“探地”的范畴。比如人工建筑探测，穿墙探测，医学成像探测等，也都属于这一技术应用范畴。探地雷达的广泛应用是推动探地雷达快速发展的主要原因。到目前为止，探地雷达已成为一种常规的探测技术，可以解决各种各样的问题，其高分辨率、高效率、无损探测和结果直观等优点使其在众多领域都得到了广泛应用，包括工程勘察、环境监测、水文地质调查、考古研究、基础地质调查、矿产勘察、军事探测、极地冰川探测、星球探测以及生物医学检测等。
1 探地雷达基本原理
探地雷达（Ground Penetrating Rader， GPR）是用高频无线电波来探测地表之下，或者确定不可视物体内部，物质分布与结构展布的一种探测方法1。探地雷达以电磁脉冲的形式进行探测，雷达探测的95%是采用偶极发射模式，发射机发射一“列”电磁脉冲，该脉冲在介质中传播，在地下介质中电特性有变化的地方发生反射（或散射），接收机拾取“被反射”信号，记录它并将其显示在计算机屏幕中。脉冲在介质中的传播遵循惠更斯原理、费马原理以及斯涅尔定律，其运动学规律与地震勘探方法相似。通常，较低频率和较窄带宽电磁波进行探测，获得的探测深度较大分辨率相对较低；反之，较高频率和宽带频率范围电磁波进行探测，其探测深度浅，但是能够获得相对较高的分辨率2。
2 探地雷达的工程应用
2.1 测区概况（灰岩地区构造特点）
测区位于山东枣庄某电厂改扩建项目已开挖基坑内，拟建场地初勘揭露地层为上覆第四系全新统人工填土（Q4s），第四系上更新统残积（Q3el）粘土层，奥陶系下统（O1）灰岩、泥质灰岩、泥灰岩、角砾状灰岩等。基坑内上覆地层已基本清理完毕，地表可见岩溶、溶蚀沟槽极度发育，溶蚀裂隙垂向延伸较深，这对于中浅部溶洞探测有很大的影响。具体现场岩溶发育情况可见下图1。
2.2 探测技术
根据各个环节作业的具体内容，可将探地雷达检测过程分为数据采集、数据处理和资料解释三个步骤，各个步骤的技术要求各有不同，但是任一环节工作质量的把握都会对后期探测结果的给定产生非常重要的影响。
2.2.1 现场采集
由于场地面基本已经开挖，因此雷达测线尽量布置在灰岩基岩面上，已尽量减少电磁信号衰减。部分表面尚有薄覆盖层地段，则采用人工填平的方式，以减少因地表起伏颠簸而引起后期数据校正误差。
本次现场检测使用设备为瑞典MALA地球科学公司（Sweden MALA Geoscience Inc）生产的MALA ProEx型探地雷达系统，配备中心频率为250MHz的超强屏蔽天线，天线偶极子间距为0.31m。实测过程中，采用专用测距轮进行记录，采样间距为0.05m，采样频率为3300MHz。采样时窗大小根据要求探测深度进行设定，以0.1m/ns作为介质中电磁波的平均传播速度，则200ns的双层走时所对应的探测深度约为10m，迭代次数为16次。
2.2.1 数据处理
探地雷达数据处理的目的是压制噪声，增强信号，提高资料信噪比，以便从数据中提取速度、振幅、频率、相位等特征信息。探地雷达的数据处理包括数据编辑、数字滤波、振幅处理、反褶积和偏移等。通常根据实际数据质量选择处理方法和处理参数。
根据经验，通常第一步都是进行地形校正，也叫静校正，即去除电磁波从天线箱到地面之间的双层旅行时。完成静校正后做一次一维滤波（subtract-mean），即用每一道上各个采样点的数据减去该道上各采样点数据的平均值，从而削弱各道的纵向数据差异。解释进行增益处理（energy decay）以增强中深部的雷达数据信号。但是深部数据通常夹杂着大量背景噪声信号干扰，因此需要做背景噪声处理（background removal），该处理可以有效地从整个剖面中消除一致性的噪声，使有用信号更加清楚，也可以抑制水平一致的能量。但是如果使用不当，也有可能会产生假信号。2完成上述处理后，若图像信号仍不是很满意，则还可以进行带通滤波处理（bandpass butterworth），该滤波分别作用于每一道，它是在时域中用递归滤波进行带通滤波。该滤波带通过设置两个频率值指定，对于250MHz屏蔽天线，通常设置低切频率100MHz，高切频率300MHz即可。 2.2.1 资料解释
探地雷达的图像解释应尽可能准确地反映周边地层的实际情况，避免图像解释的盲目性和随意性。按照要求，解释时应通过综合资料，充分考虑地质情况和探测结果的内在联系与可能存在的干扰因素；充分考虑地球物理方法的多解性造成的虚假异常3。在图像上通过反射波波形及能量强度等特征判断、识别和筛选异常。
在进行探地雷达剖面的解释时，我们通常会做以下三点假设：
（1）探地雷达剖面上的相关反射波和波形特征是由介质的电性差异引起的。
（2）电性质的差异表现为介质的差异。这样，可以通过雷达波形的到时和振幅等参数，确定速度和介质的变化范围，进而获得不同介质或介质成分差异的结构图像。
（3）雷达剖面的参数（如波形、振幅、相位等）与介质的变化有关，可以通过这些参数确定介质的性质和属性的变化。
2.2 实例分析
溶洞是可溶岩的一种常见的地质现象，溶洞有的是空洞，有的被水或泥土填充。溶洞的存在对可溶岩区的工程建筑有较大的危害。
线的雷达探测剖面图像。
通常可以根据灰岩上界面的反射波同相轴横向对比追踪，从而确定出灰岩上界面的起伏形态。如上图2中确定的基岩面为地下2～3m深度左右。
在有溶洞的位置，反射信号呈双曲线型，反射波振幅变大，反射波相位不稳定，多次波发育。灰岩面附近岩溶发育，在灰岩面雷达图像中可见不规则强反射波。如该测线桩号7～9m，頂部埋深6～8m处出现强反射弧，推测为溶洞发育，但该溶洞周围溶蚀裂隙发育，部分尚未完全成洞。
纵向溶蚀裂隙中通常由于被上覆地层冲蚀的土体所充填，因此其雷达图像特征表现为短周期的弱反射，反射波的形态特征与周围土层的反射波形态特征不同，纵向溶蚀裂隙充填通常由于纵向扩展深度比横向宽度要大，因此通常表现为纵向长条状弱反射，如上图2中桩号10～11m，埋深1～8m所确定的冲蚀裂隙充填区域。
扰动土层与充填溶洞、充填溶蚀裂隙构成了典型的开口特征4。这就使得上覆地层承载力明显降低，容易引起坍塌，因此在工程勘察中应引起特别重视5。
此外，溶蚀破碎带在可溶性岩石地区也是一种常见的地质现象，对工程结构的稳定性有很大的危害。一般情况下，致密灰岩上的雷达波没有明显的反射，而当灰岩在地表或地下水的作用下发生溶蚀后，首先以细微的裂隙形式存在，随着溶蚀程度的提高，裂隙的发育，规模不断扩大，最后数条裂隙间相互连通形成岩溶破碎带或溶洞。岩溶破碎带中通常被水、粘土以及岩溶蚀变物所填充，这些物质与完整灰岩在介电常数上有明显差异，对电磁波会形成明显的反射或者饶舌，形成反映岩溶破碎带的探地雷达图像异常。如上图2中桩号11～13.5m，深度3.5～5m所圈定的区域。
以上地质异常经地质钻探成果验证，除溶洞洞径大小误差存在一定误差外，其他如埋深和位置基本与客观实际吻合，从而客观地证明了探地雷达在岩溶地区工程勘察中较好的应用前景。
3 结论
（1）探地雷达在地下岩溶探测中，具有简便、高效、经济等优点，在岩溶发育地区岩土勘察工作中，使用250MHz高频天线，能有效揭露20m埋深范围内异常目标体。
（2）探地雷达技术能在一定区域内，通过对地下目标体实施大范围的连续扫描，提供直观连续的剖面图，这有效弥补常规地质调查和钻探的不足，从而为岩溶区的灾害治理和地基评估提供更加丰富详实的地质资料。
（3）本文集中对比了多种灰岩岩溶区多发地质构造在探地雷达测试中的剖面图像反映。通过数据图像分析，为今后岩溶地区地质勘察提供了一种值得借鉴的思路。
（4）由于地球物理资料解释的多解性，以及本次勘察测试的深度和精度有限，单纯使用探地雷达进行地质资料评判存在一定的片面性，应利用多种勘察方法进行综合解释，这样才能保证勘察结果的可靠性。
参考文献
[1] 李大心.探地雷达方法与应用，北京：地质出版社，1994.
[2] 崔阿李，刘康和.探地雷达技术在岩溶探测中的应用[J].地球科学与环境学报，2008，30（2）：197-199.
[3] 何金武，徐干成，郑建中.地质雷达在地下洞穴探测中的应用[J].工程物探，2008：548-550.
[4] 邢文宝.探地雷达在岩溶地质勘探中的应用[J].铁道建筑技术[J]，2006，4：63-65.
[5] 王平，韦益华.地质雷达技术在地下采空区探测中的应用.内蒙古石油化工，2009，13：68-71.
作者简介：
周洲（1987-），男，北京人，助理工程师，工学硕士，从事岩土工程勘察测试工作。