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探地雷达在地层划分中应用的研究

文章编号:1007Ο2993(2004)04Ο0168Ο04

探地雷达在地层划分中应用的研究

孙 坚 白明洲 王连俊

(北京交通大学土木建筑与工程学院交通与环境工程研究所,北京 100044)

【摘 要】 简要介绍了探地雷达技术的应用概况和探测原理,并结合具体工程实例探讨了探地雷达在地层划分中的适用性。

【关键词】 探地雷达;地层划分;应用【中图分类号】 P 6311425

Application and R esearch of GPR in Strate ’s Straf ication

Sun Jian Bai Mingzhou Wang Lianjun

(Institute of Traffic and Environment Engineering ,School of Civil Engineering and Architecture ,Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044China )

【Abstract 】 The exploring principle and the application state of GPR technology are introduced ,through a engineering practice ,

the fessibility of strafication by using GPR is discussed 1

【K ey w ords 】 GPR ;strate ’s strafication ;application

0 引 言

探地雷达Ground Penetrating Rader (GPR )是一种年轻的、利用高频电磁波的反射探测目的体及地质现象的物探方法。自该方法问世以来,在平台上和地下利用高频和超高频电磁波进行了多种非直接的观测试验研究。虽然时间不长,但GPR 已被证明能解决多种多样的问题,只要探测的目标物是掩埋在诸如冰、盐、岩石、水或土壤等松散堆积物中并与周围介质间存在电磁物性差异,这种方法就有用武之地。今天GPR 在浅层地球物理、岩土工程以及环境方面一系列成功的实例正加速它的广泛应用和技术的完善[1]。本文在简要介绍探地雷达应用原理基础上,结合工程实例探讨了其在地层划分中的应用,并得出探地雷达在这一领域适用的有关结论。1 探地雷达探测原理及资料处理

探地雷达方法是向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲(几十MHz 至上千MHz ),电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射,探地雷达接收并记录这些信号,再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况。从物探角度来讲,探地雷达信号的处理和解释在方法上与众所

周知的反射地震法大体相同,只是它所涉及的波型和物性不同。探地雷达采用的是时间域脉冲信号,将宽频带的脉冲发射到地下介质中,通过接收反射信号达到探测地下目标的目的,雷达系统向被探测物发射电磁脉冲,电磁脉冲穿过介质表面,碰到目标物或不同介质之间的界面而被反射回来,根据电磁波的双程走时的长短差别,确定探测目标的形态及属性,结合理论分析达到对埋藏目标的探测与判断。在这个探测的过程中,介质中电磁波的传播速度和界面的反射系数是重要的影响因素,相对于探地雷达所用的高频电磁脉冲而言,通常工程勘探和检测中所遇到的介质都是以位移电流为主的低损耗介质。在这类介质中,反射系数和波速主要取决于介电常数[2]。探地雷达原理示意图见图1。

雷达资料的整理主要包括两部分,一是数据处理,二是图像解释。数据处理主要是对所记录的波形进行处理,包括单点饱和校正、时间滤波、空间滤波等简单处理,以及瞬时幅值、瞬时频率、包络等复杂处理,旨在优化数据资料,突出目的体,最大限度地减少外界干扰,为进一步解译提供清晰可辨的图像。探地雷达资料的地质解释,是在数据处理后所

作者简介:孙 坚,1979年生,男,汉族,吉林省吉林市人,北京交通大学(原北方交通大学)硕士研究生,主要从事环境岩土方

面的研究。E -mail :sj910@http://www.wendangku.net/doc/bfa8152c2af90242a895e5ad.html

 第18卷2004年 第4期8月 岩 土 工 程 技 术G eotechnical Engineering Technique

Vol 118No 14

Aug ,2004

 

得的探地雷达图像剖面上进行,根据反射波组的地

质含义,构筑地质—地球物理解释模型,依据剖面解

释获得整个测区的最终成果图,为工程建设提供依

探地雷达在地层划分中应用的研究

图1 探测原理示意图

2 工程实例211 工程及设备简介

威海船厂搬迁扩建工程30万t 级船坞工程为

山东省一级项目,投资超过亿元,现拟选址在马兰湾海弯的丘陵谷地,为评价场地的基本工程地质条件,在工程勘察中应用了探地雷达系统进行场区地层结构单元的探测,在本次工作中使用美国劳雷工业公司物探部生产的SIR2000探地雷达系统,属SIR 系列的最新级别,设备为便携式,包括主机、天线(适用于不同探测深度和精度的整套天线,15MHz ~115GHz )、电缆、蓄电池等,同时还配有数据

处理专用软件。该仪器能够提供一种安全、快速的

勘察方法,不需要开挖,也不会造成对建筑物的破坏,已广泛应用于岩土工程勘察①。

在威海船厂搬迁扩建工程30万t 级船坞选址工程勘察中主要使用了15MHz 的天线系统,在该场地的具体情况下稳定探测深度在35m 左右,满足选址的工作需要。

根据场地条件,设计物探勘察测线21条,总长5362m ,其中探测剖面总长4512m ,试验及比较与标定测线总长850m ,物探勘察剖面线见图2

探地雷达在地层划分中应用的研究

图2 勘测线布置平面图

212 探测试验与参数标定

由于地质体变化的复杂性,针对具体场地,需要

进行探测试验与参数标定,以便保证探测结果解释

的精度。在本场地选择ZK1、ZK2、ZK4等钻孔所在

①美国劳雷工业公司SIR Ο2000型地质雷达用户使用手册12000

9

61孙 坚等:探地雷达在地层划分中应用的研究

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探地雷达在地层划分中应用的研究

地段,进行探测试验,以钻孔揭示的地层结构情况为标准,进行了地球物理参数标定和该地典型地层单元雷达信号标志的确定。根据测试结果结合钻孔揭示的地层特征,可将场地地层划分为以下基本单元:表层的填土及粉细砂层,中部淤泥质黏土,其下为密实砂层、深层花岗岩基岩,花岗岩可细分为全强风化带和中风化带。各带的基本特征为:淤泥层由于颗粒相对较细,雷达反射波不强,由于含水率高导致反射波周期相对较小,呈细密波形式出现;花岗岩全风化带岩体结构彻底被破坏,粒度均

一,雷达反射波很弱,反射波同向轴连续;强风化带的岩体结构基本破坏,岩体碎块大小不一,因此反射波强度增大,同向轴连续性差;中风化带岩体结构基本未变,但因风化裂隙导致形成稀疏弱反射波[3,4]。根据试验的雷达波组特征,综合考虑多方面因素的影响,将工程场区的物探地层结构划分为5个单位,分别为:①填土及砂;②淤泥质土;③密实砂;④全强风化花岗岩;⑤中风化花岗岩。具体雷达波形特征见图3

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图3 钻孔1处典型雷达图象

213 探测成果综合分析

马兰湾场地在地形上东西两侧为丘陵山地,北临大海,南是较平坦的谷地,其上有一条小溪由南西向北东流入大海,该地层状地形叠置,有由花岗岩组成的高级海蚀阶地,在东侧还有由松散沉积物组成的两级阶地,西侧有由花岗岩风化沙组成的大型洪积扇覆盖在其他沉积物之上,小溪在东西方向上摆动,宽度大约200~400m ,谷地由冲积和海积共同作用形成,谷地地层结构,根据钻孔资料,上部第四纪松散沉积物中有陆相沉积物和洪积物,以及海相沉积的淤泥和淤泥质土,下部为花岗岩,在剖面上可划分出全强风化带和中等风化带。物探结果同样反映出这种分带性,通过分布于场地不同部位的16条物探剖面图将整个场地的地层空间结构清晰反映出

来。现把1号测线剖面图作为代表列出(见图4)。

通过场地探地雷达勘探,对场地地层结构有了清晰的反映,对基岩顶面的分布状态,对淤泥和淤泥质土层的厚度也有清晰的反映,淤泥和淤泥质土的平均分布厚度约几米至十几米,基岩顶面的埋藏深

度在十几至二十几米变化[5](见图5、图6)。214 需要说明的问题

探地雷达探测地下目标,需要地下介质物性参数———相对介电常数的中间作用才能计算出具体目标埋藏深度,不同地质层位具有不同的相对介电常数。现今的探测解释系统尚无法准确分层考虑这一参数,所以只能考虑重点目标的探测参数。在这个场地上,基岩埋藏深度便是重要参数,所以在参数的标定选取中重点考虑了基岩埋藏深度的准确性,其

71 岩 土 工 程 技 术 2004年第4期

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他层位则需要对显示参数进行标定和修正才能保障测试精度

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图4 1

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号测线雷达探测解译剖面图

图5 基岩顶面的埋藏深度图(单位:m)图6 淤泥厚度等值线图(单位:m)

3 结 论

1)采用探地雷达技术进行地层划分是可行的,在

物性条件比较好的情况下可以获得良好的探测效果,

为工程建设、规划提供可靠的资料。

2)探地雷达对地表和地下无任何破坏作用,具有

分辨率高、探测速度快、操作方便灵活、可应用范围广

等优点。

3)探地雷达野外工作参数的选取要兼顾探测目标

的性质、大小和埋深等因素,好的参数对获得高质量的

雷达图像至关重要,这可通过野外试验来选取。

4)虽然探地雷达具有较高的分辨率,反映的信息

丰富,但与其它物探手段一样,图像的正确解释是一项

重要和艰巨的任务。在地下情况复杂的条件下,若能

与钻探或其它方法互相配合,可较大地提高图像解释

的精度和准确程度。

参 考 文 献

1 周春霖,陈 晔1探地雷达进展研究1南京师大学报,

1998,21(1):111~115

2 李大心1探地雷达方法与应用1北京:地质出版社,1994

3 杨顺安等1探地雷达在岩土工程中的应用1地质科技情

报,1998,17(3):95~100

4 刘红军,贾永刚1探地雷达在探测地下采空区范围中的应

用1地质灾害与环境保护,1999,10(4):73~76

5 孙成立,崔红清,王玉玲等1探地雷达在探测基岩起伏面中

的应用1矿产与地质,2002,16(2):117~118

收稿日期2004Ο05Ο28

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孙 坚等:探地雷达在地层划分中应用的研究