胡少偉，陸 俊，王國群

(1．南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029;2．江蘇省地質(zhì)勘查技術院，江蘇 南京 210008)

地質(zhì)雷達探測是近年來迅速發(fā)展的高精度無損探測技術，具有探測速度快、采集數(shù)據(jù)量大、定位準確、操作靈活、可實現(xiàn)連續(xù)透視掃描以及二維彩色圖像實時顯示等獨特的優(yōu)點，目前我國地礦、水利、電力、煤炭、鐵道、交通、建筑、核工業(yè)、航天等部門都在開展這一技術的試驗和應用研究工作，如地質(zhì)勘察、城市地下管道工程和隧道工程施工、公路工程質(zhì)量檢測、橋梁施工、地基和道路地下空洞及裂縫調(diào)查、管線探測、埋設物探測、地下障礙物探查、保護性建筑結構無損檢測、地質(zhì)災害調(diào)查等．地質(zhì)雷達向地下發(fā)送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，當遇到存在電性差異的地下目標體，如空洞、分界面時，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面時由接收天線所接收;對接收到的電磁波進行信號處理和分析，根據(jù)信號波形、強度、雙程走時等參數(shù)來推斷地下目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態(tài)，從而達到對地下隱蔽目標物的探測［1－2］．

脈沖波的近似行程時間為

探地雷達探測目的層深度的計算式為

地質(zhì)雷達探測作為一種新興的地球物理方法，與其他地球物理方法(如淺層地震勘探、電阻率法、激發(fā)極化法)相比，具有以下特點:(1)分辨率高．地質(zhì)雷達中心頻率為10～1 500 MHz，其分辨率可達厘米級．(2)無損性．地質(zhì)雷達為無損探測技術．(3)效率高．地質(zhì)雷達儀器輕便，可連續(xù)測量，從數(shù)據(jù)采集到處理成像一體化，操作簡單，采樣迅速，所需人員少．(4)結果直觀．地質(zhì)雷達采用圖像實時顯示，可在野外定性解釋．(5)地下傳播規(guī)律復雜．由于地下介質(zhì)比空氣具有較強的電磁波衰減特性，加之地下介質(zhì)的多樣性和非均勻性，電磁波在地下的傳播比空氣中復雜得多，因而，地質(zhì)雷達系統(tǒng)涉及的理論面廣，技術難度大［3］．

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來地下水電磁法勘探從模型到技術，再到反演，均呈現(xiàn)明顯的“聯(lián)合”、“移植”和“借鑒”的趨勢．地下水研究的電磁模型所存在的問題可以概括為:定性化多定量化少、一維近似多高維模型少、傳統(tǒng)手段沿用多現(xiàn)代技術應用少、單一方法研究多綜合影響考慮少．地質(zhì)雷達用于地下水探測以及地下環(huán)境監(jiān)測，是近年水利行業(yè)和物探行業(yè)研究的熱點之一．

2007年，楊迪琨等［4］指出電磁法探測地下水受地面條件影響較小，可以連續(xù)測量，成本低廉．王春輝［5］指出探地雷達方法用于測量近地表含水量主要包括反射波法、地面波法、鉆孔雷達法和地表反射系數(shù)法等4種．2008年，雷少剛等［6］分析了探地雷達測定潛水埋深的技術原理，利用探地雷達能測定地下潛水埋深，探測精度與水位埋深和采用的天線主頻等因素有關，在確定潛水位埋深時，還需考慮土壤毛細水帶高度的影響．2010年，李鎬等［7］有效地對掌子面前方的地下水發(fā)育情況進行了探測．裴尼松得出探地雷達對水的預報．國外在該方面也有不少的研究，2007年，Seung-Yeup Hyun等［8］在實驗室條件下進行了按比例縮小的模擬泄漏，為不同泄漏情況中探地雷達的應用提供了研究基礎．Sunjay等通過使用超高頻對蓄水層進行探測，并對蓄水層中的污染物等做了測定;Matthaios Bimpas等研究出一種UWB雷達來對水管進行高分辨率拍攝;Xiaozhou Liu等詳細描述了GPR的工作原理，并總結了探地雷達技術的快速、高分辨率、簡單識別等優(yōu)點;Khan Zaib Jadoon等根據(jù)頻率、鹽分、溫度變化對水進行了探地雷達特征研究，得出介電損耗將有效提高探地雷達測試效率;Jens S．Buchner等在人造沙地環(huán)境中使用探地雷達技術對含水量和反射深度進行了研究，并得出使GPR結果更精確的方法;Sevket Demirci等通過實驗室模擬了沙地中管道的泄漏，利用探地雷達后投射方法對地下管道中的泄漏進行探測，證明探地雷達用來檢測泄漏的準確性［9－12］．

2 工程案例

南京某小區(qū)地下有一廢棄污水管在樁基礎施工中被管樁擊穿，地面出現(xiàn)塌陷、塌陷最深處近2 m，塌坑被填埋后地面仍有下沉．本次探測目的是為了摸清被管樁打穿的大口徑排水管道漏水情況及基礎是否存在被沖刷的空洞［15］．

2．1 探測技術

介電常數(shù)差是雷達工作的基礎，常見介質(zhì)電性參數(shù)見表1．

表1 常見介質(zhì)電性參數(shù)Tab．1 Common medium electrical parameters

水的電導率遠高于灰?guī)r、砂巖等巖石，因而探地雷達對水特別敏感．經(jīng)過相關理論推導可得到以下地質(zhì)雷達探水原則［7］:(1)雷達波對水或含水率高的介質(zhì)的反射強烈，反射波強度大．(2)雷達波從其它介質(zhì)到含水層界面的反射波相位與入射波相反．(3)雷達波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優(yōu)勢頻率降低．

本次探測工作在垂直塌坑走向布置12條長剖面，采用32 MHz低頻組合天線進行探測，遇放樣點打標，標記間距1 m．以地面可見塌坑中心線為軸線布置，線間距2～3 m，測線長度10 m左右，測線累計長度120 m，探測測點間距20 cm，累計測點數(shù)700個．

2．2 探測資料解釋與分析

為了較好顯示混凝土管道的異常，采取了多種處理技術，主要有調(diào)零、歸一、濾波、增益、相關、頻譜分析等，頻譜分析較好顯示了管道和地下水異常．

2．2．1 富含水異常 電磁波由混凝土管道進入水中，從高速介質(zhì)進入低速介質(zhì)，在相位上顯示為負相位起跳．電磁波在混凝土管道結構中傳播，由于水存在于松散介質(zhì)中，而形成連續(xù)負波．從測線9可以看出能量圖與頻譜圖的明顯差異．能量圖中偏下位置有一長軸為上下方向的橢圓形低能量區(qū)，說明該區(qū)域含水量較高(見圖1)．

圖1 測線9所在富含水區(qū)域雷達偽彩圖(縱坐標為雙程旅行時間，單位為10－9 s)Fig．1 Radar pseudo-color image of line 9 rich in water(Y-axis means round trip time，unit:10－9 s)

2．2．2 管道異常 測線1為平整場地，以測線1為例，進一步分析頻譜圖地下管道的異常特征．

由圖2可以看出，頻譜圖在該區(qū)域顯示為低頻低能量，而在該區(qū)域右側(cè)有一高能量高頻率弧形異常，弧形隱隱約約構成圓形，圓內(nèi)能量相對較高．推斷頻譜圖中的圓形異常為管道異常．異常區(qū)內(nèi)存在明顯的圓形封閉異常，如果排除淺層異常多次反射的因素，圓形異常區(qū)的上半部頻率低到近乎為直達波、下半部則顯示為高能量高頻率，推斷管道下半部仍存有污水．

圖2 測線1雷達頻譜圖和異常大樣圖(縱坐標為雙程旅行時間，單位為10－9 s)Fig．2 Radar spectrum diagram and abnormal detailed drawing of line 1(Y-axis means round trip time，unit:10－9 s)

2．2．3 其他各典型測線的解釋 測線6與1附近管道異常特征存在明顯差別，差別在于圓形異常區(qū)內(nèi)高能量高頻率的信號基本不存在，推斷管內(nèi)的污水排出較多;7線管道異常特征極不明顯，其他測線上的圓形異常區(qū)在該測線上基本不存在，推斷該區(qū)域的排污管被管樁打碎，推斷管內(nèi)的污水排出多、且有較多泥沙流入;8線管道異常顯示為“云狀”，推斷該處排污管雖然未被管樁擊穿、但已經(jīng)嚴重變形，泥沙流入相對較少、管內(nèi)的污水排出慢(見圖3)．

根據(jù)資料處理后的地質(zhì)雷達頻譜資料分析，整體推斷結果如圖4所示．

圖3 8線地質(zhì)雷達頻譜圖Fig．3 Radar spectrum diagram of line 8

圖4 推斷成果圖Fig．4 Inference results diagram

2．3 探測結果

本次地質(zhì)雷達探測大深度管道有效，采用頻譜分析技術效果好．根據(jù)地質(zhì)雷達資料分析，排污管被擊穿的位置處在地面可見塌坑一側(cè)．在排污管被擊穿一側(cè)的地質(zhì)雷達成果資料普遍存在低頻低能量區(qū)域．雖無明顯的空洞異常特征，但可以推斷該區(qū)域的土體嚴重松散且含水量較大．

3 結語

由于地質(zhì)雷達檢測技術(GPR)應用范圍廣、穿透深度大、非接觸連續(xù)測量、快速簡便、結果直觀等優(yōu)點，其用于地下水探測以及地下環(huán)境監(jiān)測已成為水利和物探行業(yè)研究的熱點．本文在系統(tǒng)總結地質(zhì)雷達探測地下水的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上，根據(jù)雷達的頻譜圖和能量特征，有效地對地下富含水區(qū)域進行探測．并結合南京某小區(qū)地下管道泄漏探察工程案例，對地下富含水區(qū)域和管道其他異常進行了地質(zhì)雷達探測，表明地質(zhì)雷達在探測地下富含水區(qū)域方面具有較好效果．本文工作拓展了GPR技術在查找滲漏點和探測水源區(qū)域等技術領域的應用，為后續(xù)探測水源等相關工作提供了基礎．

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