周慶杰，劉樂軍，李西雙，楊慶樂

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

地質(zhì)雷達在海島調(diào)查中的應(yīng)用*1

周慶杰，劉樂軍，李西雙，楊慶樂

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

地質(zhì)雷達探測技術(shù)正朝著探測精度更高、探測范圍更廣、解釋更準確的方向發(fā)展，表現(xiàn)出前所未有的廣闊發(fā)展前景，被廣泛應(yīng)用于工程、環(huán)境、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域，越來越受到人們的關(guān)注。隨著海島的開發(fā)與海島基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，海島工程勘查與工程質(zhì)量評估和地質(zhì)災(zāi)害的影響與危害評估等工作越來越多。本文章結(jié)合地質(zhì)雷達探測的優(yōu)勢，分析了海島開發(fā)和地質(zhì)調(diào)查中的研究內(nèi)容，結(jié)合海島上的滑坡監(jiān)測、淺層斷裂等地質(zhì)災(zāi)害勘探實例，論述了地質(zhì)雷達在海島工程與地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用。

海島地質(zhì)雷達； 滑坡； 斷層；海島工程開發(fā)

地質(zhì)雷達作為一種先進的高頻電磁波勘探技術(shù)，具有現(xiàn)場探測簡便、探測速度快、費用低以及對原結(jié)構(gòu)物無損壞等優(yōu)點[1-2]，在陸地的工程地質(zhì)勘察、工程質(zhì)量評估和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中得到了廣泛應(yīng)用。海島上的工程設(shè)施建設(shè)與內(nèi)陸基本相同，地質(zhì)雷達可以應(yīng)用到相應(yīng)的工程勘察及設(shè)施質(zhì)量檢測中，如海島公路路基檢測、海島隧道襯砌質(zhì)量檢測、海島機場跑道檢測、海島陸基風電場的地基評估等。另外，在海島地震、斷層、火山等構(gòu)造類地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查中，也可以采用地質(zhì)雷達調(diào)查，輔以地質(zhì)鉆孔、原位測試等工程地質(zhì)手段，了解地層和斷裂的分布位置、平面組合形態(tài)、展布方向、剖面組合形態(tài)特征和主要地裂縫的分布位置、產(chǎn)狀、長度、寬度及深度等特征[3]。本文章還根據(jù)地質(zhì)雷達的優(yōu)勢，分析地質(zhì)雷達在海島應(yīng)用的適用性問題，并結(jié)合其在海島地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用實例，探討地質(zhì)雷達在海島勘察與調(diào)查應(yīng)用中的相關(guān)問題。

1 地質(zhì)雷達應(yīng)用的優(yōu)勢

地質(zhì)雷達體積小巧、攜帶方便，易于上島工作，可適用于海島復(fù)雜的地形地貌;抗電磁干擾能力強，可在各種噪聲環(huán)境下工作;作為一種非破壞性的原位探測技術(shù)，可適應(yīng)海島復(fù)雜的環(huán)境條件，在工程上或地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中都有較滿意的探測深度和分辨率，現(xiàn)場直接提供實時剖面記錄，圖像清晰直觀，可高效率的完成探測任務(wù)[4]。20世紀90年代，地質(zhì)雷達在我國淺層與超淺層地質(zhì)調(diào)查及工程中得到了廣泛應(yīng)用。何開勝等[5]通過太浦河泵站滑坡工程實例，嘗試應(yīng)用地質(zhì)雷達進行滑動面的探測，結(jié)果表明，利用地質(zhì)雷達對堤壩滑動面進行探測是有效的。薛桂玉等[6]利用地質(zhì)雷達探測出了某水電站滑坡體覆蓋層與破碎帶的分界面和某抽水蓄能電站庫區(qū)溶洞，解決了水電工程中的實際問題。在工程地質(zhì)其它領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，如探測覆蓋層厚度、松軟層厚度及分布、基巖風化層界面及分布、基巖節(jié)理和斷裂帶、地下水分布等，探查地下溶洞、空洞、塌陷區(qū)、地下排污巷道、管道及地下管線等。地質(zhì)雷達在回填等松軟層上探查深度可達20 m以上，在致密或基巖上探查深度可達30 m以上。另外，該技術(shù)在工程質(zhì)量檢測中也有廣泛應(yīng)用，如檢測襯砌厚度、破損、裂隙、空洞、滲漏帶、回填欠密實區(qū)、圍巖擾動等，檢測精度可達cm級；檢測公路及城市道路路面、跑道、擋墻等各層厚度和破損情況，擋墻、橋梁、混凝土構(gòu)件等的空洞、裂隙及鋼筋分布等，檢測精度可達mm級[7]。覃建波等[8]運用探地雷達技術(shù)在檢測公路隧道、引水涵洞襯砌質(zhì)量及混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋鋪設(shè)質(zhì)量時，取得了顯著的效果。

2 地質(zhì)雷達在海島上的應(yīng)用

2.1 在海島工程檢測中的應(yīng)用

隨著海島的開發(fā)和利用，海島工程設(shè)施建設(shè)日益增多。海島環(huán)島公路和公路隧道、人工島機場、海島間跨海大橋/海底隧道和海島房地產(chǎn)開發(fā)等建設(shè)項目不斷上馬，這些工程的超前地質(zhì)預(yù)報及工程質(zhì)量檢測顯得尤為重要。地質(zhì)雷達技術(shù)在陸地工程檢測[9]中的應(yīng)用比較廣泛，且已經(jīng)相當成熟，某些海島工程及地質(zhì)條件與陸地相同，將其應(yīng)用于海島工程質(zhì)量檢測中是可行的。地質(zhì)雷達以其體積小巧、易于上島作業(yè)、測量結(jié)果直觀準確和高效率等特點，在海島工程檢測中，如地下管網(wǎng)調(diào)查、隧道襯砌和公路路面厚度探測以及各種脫空、空洞、回填不實等工程質(zhì)量隱患問題方面的檢測，可以獲得良好的探測效果。另外，在海島機場跑道檢測及海島風電場地基檢測中，地質(zhì)雷達也可以發(fā)揮其優(yōu)勢，可克服海島復(fù)雜地形地貌的干擾而獲得有效數(shù)據(jù)。下面以地質(zhì)雷達在公路和隧道建設(shè)中的工程質(zhì)量檢測以及地下管線探測為例，介紹地質(zhì)雷達在海島工程中的應(yīng)用。

2.1.1 在海島環(huán)島公路中的應(yīng)用

海島環(huán)島公路建設(shè)發(fā)展迅速，新公路質(zhì)量檢測顯得尤為重要。探地雷達在公路質(zhì)量檢測中的應(yīng)用涉及到公路路面厚度和密實度的檢測、路基與路基缺陷的調(diào)查、公路維修質(zhì)量及公路裂縫的調(diào)查等。此外，其在公路結(jié)構(gòu)檢測中也得到了成功運用。在實際檢測作業(yè)中，由于不同的探測深度和探測精度的要求，探測瀝青混凝土面層應(yīng)使用頻率大于1 200 MHz的天線，而對于水泥混凝土面層高頻(如2 500 MHz)天線一般難以穿透，只能使用900～1 000 MHz的天線，探測基層可使用頻率為800～1 000 MHz的天線，探測路基可使用頻率為300～900 MHz的天線[10]。

在公路路面檢測中，厚度檢測是公路無損檢測的主要內(nèi)容之一。一般簡易路面厚度10～20 cm，高等級公路路面厚度20～30 cm，機場跑道路面厚度40 cm，因此，公路路面厚度檢測要求有較高的垂向分辨率。路面厚度檢測的誤差要求小于1 cm，因此，應(yīng)用于公路路面厚度檢測的探地雷達必須具有高分辨率與高計厚精度，其天線中心頻率需在200 MHz以上。在路面的路基檢測中可以利用探地雷達進行公路基層及路基的損害檢測、公路路面的脫空檢測、公路路面的下沉檢測、公路路面網(wǎng)檢測、公路路面密實度檢測等。

2.1.2 在海島隧道檢測中的應(yīng)用

海島公路隧道是海島工程建設(shè)中的重大項目之一，隧道超前地質(zhì)預(yù)報及襯砌質(zhì)量檢測等是隧道建設(shè)過程中的重要環(huán)節(jié)。在施工過程中，可能會出現(xiàn)脫空、不密實區(qū)、蜂窩麻面等不良病害，給工程的正常運行帶來極大隱患，為迅速、準確地確定其平面位置及分布范圍，評價施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，消除隱患[11]。探地雷達是目前國際上最為先進的無損探測方法，在精度和準確度上完全可滿足檢測要求。隧道襯砌質(zhì)量檢測已在我國陸地隧道施工中得到廣泛應(yīng)用并取得良好的效果，同時，地質(zhì)雷達小巧輕便易于上島作業(yè)，可應(yīng)用于海島隧道檢測。

在隧道質(zhì)量檢測過程中，應(yīng)用地質(zhì)雷達檢測獲得的資料數(shù)據(jù)經(jīng)一系列的后期處理后，結(jié)合已知的地質(zhì)、鉆探資料，就可以根據(jù)探測目標可能引起的異常的大小和形態(tài)進行分析和解譯，并最終得出各測線的成果圖，以此對隧道施工質(zhì)量進行分析評價。在地質(zhì)雷達圖像中振幅較強、同相軸比較連續(xù)的層位就是噴射混凝土與圍巖的分界面，在該界面以上即是噴射混凝土的厚度。此外，當襯砌混凝土背后回填不密實或混凝土與圍巖之間存在空洞時，在地質(zhì)雷達圖像上，都能清晰地顯示出差異進而識別這些區(qū)域。

2.1.3 在海島地下管線檢測中的應(yīng)用

在海島的城市建設(shè)中，地下管線是其重要的基礎(chǔ)設(shè)施，地下管線鋪設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)資料是對海島進行規(guī)劃、設(shè)計、施工、建設(shè)和管理的重要依據(jù)，是建立海島地下管線數(shù)字信息管理系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來源。應(yīng)用地質(zhì)雷達進行地下管線探測，在探測區(qū)域內(nèi)，地下管線一般埋深不超過3 m，管線周圍介質(zhì)多為雜填土和沙質(zhì)土，管線與周圍介質(zhì)之間存在足夠的電性差異[12]。測線垂直管線長軸方向時，如果管線為圓形管道時，雷達剖面上反射波同相軸為向下開口的拋物線；當為溝道式或管塊時，同相軸為有限平板，兩端各為半支下開口的拋物線(圖1)。在雷達剖面上，雙曲線開口大小隨管道埋深的加大而變大，介質(zhì)電磁波速度越小，雙曲線形態(tài)越明顯，峰尖也越清晰。此外，對于金屬管線的探測，加大功率和降低頻率，增強感應(yīng)能量，均可以達到較好的探測效果；對于非金屬管線的探測，輻射能量起到主導的作用[13]。

圖1 溝道式或管塊式管線雷達剖面[13]Fig.1 A radar profile of channel-like or tube-like pipeline[13]

2.2 在海島地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

海島上的滑坡、溶洞、塌陷區(qū)及基巖風化等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，但由于海島運輸及海島地形地貌復(fù)雜，使用常規(guī)地震勘探或地質(zhì)鉆探手段施工困難、工程投資大、費用高、控制范圍有限，很難查明滑坡滑動面、基巖風化面及不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的整體發(fā)育情況。地質(zhì)雷達作為一種高分辨率無損探測工具，采用其超強地面耦合天線并結(jié)合鉆探，可對巖溶塌陷區(qū)及滑坡區(qū)域進行有效地檢測，并為滑坡治理與防護提供有效的參考數(shù)據(jù)。

2.2.1 在巖溶塌陷調(diào)查中的應(yīng)用

在基巖海島且隱伏基巖存在灰?guī)r及白云巖等可溶性巖石的地區(qū)，巖溶塌陷是一種較為常見的地質(zhì)災(zāi)害，由于地下海水的入侵，其較強的溶蝕作用，會使基巖中出現(xiàn)溶洞，溶洞的擴大可導致其上部覆蓋層中形成土洞而造成塌陷。由于這一切均發(fā)生在地下，隱蔽性較強，不易引起人們重視，隱患也就更大。在這方面的調(diào)查中，地質(zhì)雷達具有較大的優(yōu)勢。

巖溶發(fā)育地區(qū)的巖土層之間、灰?guī)r和溶洞、溶蝕帶之間均存在導電性及介電性差異[14]。在地質(zhì)雷達實測剖面上，覆蓋土層的反射波組呈現(xiàn)出同相軸連續(xù)的低頻、強振幅的特征，基巖內(nèi)的溶蝕帶呈現(xiàn)出同相軸不太連續(xù)的較強振幅、較低頻率的波組特征，而較完整的基巖呈現(xiàn)出高頻、弱振幅、無強反射波組的特征。粘土層中土洞的電導率低，吸收系數(shù)小，電磁波穿過土洞時反射能量大，在雷達剖面上表現(xiàn)為強振幅和同相軸不連續(xù)，而圍巖土層電磁波振幅較弱。一般來說，純空洞的反射波振幅較強，充水土洞的反射波振幅較弱，充填松軟土體的空洞反射波振幅相對更弱。

2.2.2 在海島滑坡調(diào)查中的應(yīng)用

在海島上斜坡地貌發(fā)育的地區(qū)，滑坡是一種較為常見的地質(zhì)災(zāi)害，地表流水的侵蝕、地下水的潛蝕和溶蝕以及工程荷載和地震作用等都可能引發(fā)滑坡[15-16]。滑坡體下滑時與母體之間的分界面稱滑坡面。在工程方面，為了對滑坡災(zāi)害采取有效的防治措施，首先必須找出滑坡面。在陸地滑坡調(diào)查中，一般采用的是電測法及地震勘測法，但這兩種方法的花費較高，且海島地質(zhì)條件復(fù)雜，受地質(zhì)因素的干擾較大，遠不及地質(zhì)雷達方便、高效和經(jīng)濟。

海島基巖以上的殘積土中以及巖層內(nèi)部都有可能或已經(jīng)發(fā)生的滑坡對工程設(shè)施建設(shè)和人民生命財產(chǎn)危害巨大。產(chǎn)生滑坡區(qū)域的土體風化程度不同，各層的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)都存在差異，上部顆粒較細，礫石含量少；下部顆粒較粗，礫石含量多[17]。

以某海島滑坡區(qū)的地質(zhì)雷達探測為例，探測儀器選用瑞典MALA公司的RAMAC/GPR地質(zhì)雷達，雷達信號采用數(shù)字式光纖傳輸，采用專業(yè)的Groundvision雷達數(shù)據(jù)采集軟件進行數(shù)據(jù)采集，信號分析、數(shù)據(jù)處理采用專用Reflexw軟件系統(tǒng)，天線為RTA超強地面耦合天線，中心頻率為100 MHz，采樣步長為1.0 m，疊加128次，采集方式為手動點觸發(fā)采集。

在地質(zhì)雷達圖像中，滑坡體多具有不對稱丘狀外形、滑坡后壁處沉積地層突然中止，滑動面反射波同相軸產(chǎn)生錯斷，反射波不連續(xù)，內(nèi)部弱振幅、雜亂或無反射結(jié)構(gòu)，在滑動面(帶)處形成清晰而強烈的反射波[18](圖2)。

2.2.3 在海島斷裂帶調(diào)查中的應(yīng)用

海島上的斷裂帶較為發(fā)育，活動斷裂作為一種巨大的災(zāi)害隱患已引起人們的注意和重視，它可以誘發(fā)地震、地裂縫以及地面沉降等多種地質(zhì)災(zāi)害，危害極大，如果能準確地確定出活動斷裂的位置，從而在以后的工程建設(shè)中避開或采取有效的防護措施，可以最大限度地減少損失。在海島活動斷裂的調(diào)查方面，由于運輸或地形條件的限制，鉆探及變形監(jiān)測等傳統(tǒng)方法在某些地區(qū)不易實現(xiàn)，簡便易攜帶的地質(zhì)雷達則可以發(fā)揮很大的優(yōu)勢。

對于海島上存在的淺層斷裂帶，會破壞淺層沉積，引起地層相對位移，造成不穩(wěn)定的工程地質(zhì)條件，直接關(guān)系到工程的施工與維護等方案的確定。因此，在開發(fā)建設(shè)以前進行必要的斷層勘察，可以為工程施工、資源開發(fā)等的評價與設(shè)計提供可靠的資料。在勘探過程中，主要獲取斷層的位置、走向、傾向、傾角、落差及充填物情況等特征參數(shù)[19]。

圖2 滑坡體地質(zhì)雷達圖像(天線頻率：100 MHz)Fig.2 A geological radar image of landslide (Frequency:100 MHz)

圖3 斷層的地質(zhì)雷達圖像(天線頻率：25 MHz)Fig.3 A geological radar image of fault (Frequency:25 MHz)

應(yīng)用地質(zhì)雷達沿水平方向或巖層層位進行多次探測，可以直接判明斷層面位置及其形態(tài)，而連續(xù)確定的斷層面位置連線即確定了斷層的走向。若沿垂向或垂直巖層層位方向探測，則通過地質(zhì)雷達剖面記錄圖可直接判明斷層的傾向和傾角。所以，地質(zhì)雷達在確定一定深度范圍內(nèi)的斷層位置、走向、傾向和傾角等特征參數(shù)是可行的[20-21]。斷層的落差可以通過標定上、下盤標志層的位置后經(jīng)比較分析得出。標志層上、下界面的兩側(cè)介質(zhì)電性差異較大，易于地質(zhì)雷達分辨。

以某勘探區(qū)斷層檢測為例，使用瑞典MALA公司的RAMAC/GPR CUII型地質(zhì)雷達，采用專業(yè)的Groundvision雷達數(shù)據(jù)采集軟件進行數(shù)據(jù)采集，信號分析、數(shù)據(jù)處理采用專用Reflexw軟件系統(tǒng)。選用25 MHz RTA超強地面耦合天線，采樣頻率400 MHz，采樣點數(shù)1 000點，時窗長度2 000 ns，點測距為0.5 m，疊加次數(shù)為128次，觸發(fā)方式為手動點觸發(fā)。

在地質(zhì)雷達圖像上，斷層表現(xiàn)為一個或多個連續(xù)性好的反射波組發(fā)生系統(tǒng)的錯移(圖3)。有的表現(xiàn)為同相軸發(fā)生彎曲、兩側(cè)厚度不一致，有的則為反射層突然終止或減薄，還有的兩側(cè)反射特征不一致。對于一些正斷層，由于斷點的存在，有時在地質(zhì)雷達時間剖面上可見雙曲線型繞射波。從圖3可以清楚的看到A區(qū)是一個破碎區(qū)域，且基巖發(fā)生了錯斷；B區(qū)的基巖也發(fā)生了巖層的錯斷，且左邊的巖層隆起；C區(qū)的基巖發(fā)生了斷裂。

3 結(jié) 語

通過對地質(zhì)雷達在海島常見工程及地質(zhì)災(zāi)害問題的研究分析，并結(jié)合我們在海島調(diào)查中的具體應(yīng)用，可看出地質(zhì)雷達在海島公路、隧道、地基檢測及市政管網(wǎng)建設(shè)中都具有良好的應(yīng)用效果，能夠為海島基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和房地產(chǎn)開發(fā)等項目提供準確的參考資料。地質(zhì)構(gòu)造等災(zāi)害性地質(zhì)異常在地質(zhì)雷達剖面上都有明顯的顯示：在滑坡體的滑動面上，因同相軸錯亂而異常明顯；在斷層的斷面處，由于地質(zhì)體的巖性差異，在雷達圖像上也有明顯的錯移特征；應(yīng)用地質(zhì)雷達在淺地層的連續(xù)追蹤中效果良好，可以清晰的反映目標層的演變規(guī)律。由于地質(zhì)雷達圖像解譯的多解性，在使用地質(zhì)雷達進行勘探時，需要根據(jù)測試現(xiàn)場的具體條件，綜合分析作出判斷。在有條件的情況下，最好結(jié)合鉆探等其它物探方法，進行綜合探測，以便得出更為可靠的測試結(jié)果。

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ApplicationofGeologicalRadarinIslandGeologicalSurvey

ZHOUQing-jie,LIULe-jun,LIXi-shuang,YANGQing-le

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

Geological radar detection technology is advancing toward the direction of higher detection accuracy,wider detection range and more accurate interpretation.It shows an unprecedented broad prospect for development and has been widely applied in geological surveys such as engineering,environment,geological disaster,and so on,and therefore gets more and more attention of people.With the development of islands and the construction of islands' infrastructure,the engineering exploration of islands,the quality evaluation of projects,the influence of geological hazards and the assessment of dangers is coming more and more.Based on the advantages in geological radar detection and the analyses of research aspects in the island development and geological investigations,and combined with the exploration examples such as landslide monitoring,geological disasters and shallow fault on the islands,the applications of geological radar to the island engineering and the island geological survey are discussed.

island geological radar;landslide;fault;island engineering development

2014-01-16

海洋公益性行業(yè)科研專項——我國典型海島地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警示范研究(201005010-1)

周慶杰(1989-)，男，碩士，主要從事海洋災(zāi)害地質(zhì)方面研究.E-mail:zhouqjouc@163.com

(杜素蘭 編輯)

P627

A

1002-3682(2014)03-0063-07