崔光巖 張家明

(昆明理工大學(xué) 昆明 650500)

0 引言

隨著工程建設(shè)的推進(jìn)，經(jīng)常會(huì)遇到各種各樣不良地質(zhì)狀況，這些不良地質(zhì)狀況不僅對(duì)施工建設(shè)造成困難，還會(huì)威脅建筑物后期安全，所以對(duì)不良地質(zhì)狀況的勘察變得十分重要。探地雷達(dá)作為一種無損檢測(cè)方式，具有精度高、易于操作、結(jié)果直觀等其他地球物理測(cè)量方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)[1]，所以，逐漸成為巖土工程勘察、隧道建設(shè)、水利水電工程等行業(yè)進(jìn)行短距離地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要手段。但受測(cè)量環(huán)境干擾、地質(zhì)情況復(fù)雜以及對(duì)探地雷達(dá)(GPR)圖像解譯人員水平參差不齊等因素的影響，以致于當(dāng)前未能達(dá)到應(yīng)有的效果。

探地雷達(dá)進(jìn)行準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)，不僅要準(zhǔn)確識(shí)別地質(zhì)信號(hào)目標(biāo)，更要從所獲取的探地雷達(dá)電磁波信號(hào)中盡量獲取更多的有效信息，并且探地雷達(dá)的屬性分析是獲取電磁波信號(hào)有效信息的重要手段，因此，對(duì)探地雷達(dá)(GPR)進(jìn)行屬性分析愈來愈重要[2],當(dāng)前對(duì)探地雷達(dá)(GPR)屬性分析研究已經(jīng)取得一些成果，比如從探地雷達(dá)(GPR)屬性分析的角度對(duì)巴西某采石場(chǎng)的巖層界限以及巖石碎裂帶圖像進(jìn)行了準(zhǔn)確的解譯[3]，或者在探地雷達(dá)(GPR)的解譯過程中利用復(fù)信號(hào)分析技術(shù)對(duì)巖溶裂隙水進(jìn)行了準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)[4]，利用自編程序?qū)μ降乩走_(dá)(GPR)單道信號(hào)進(jìn)行處理用于確定巖溶的位置、大小等[5]。雖然當(dāng)前對(duì)探地雷達(dá)(GPR)屬性分析研究取得了較大進(jìn)展，但大部分研究對(duì)探地雷達(dá)(GPR)的屬性分析較單一，對(duì)探地雷達(dá)進(jìn)行多屬性綜合分析的研究較少，因此常出現(xiàn)對(duì)所采集的探地雷達(dá)(GPR)地質(zhì)數(shù)據(jù)有多種解譯甚至解釋錯(cuò)誤的現(xiàn)象。

所以，本文以3種不良地質(zhì)情況為例，提取探地雷達(dá)(GPR)的三瞬屬性(瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率)、單道信號(hào)屬性以及頻譜屬性，從多個(gè)角度對(duì)3種典型的不良地質(zhì)體進(jìn)行定量、定性分析，以期對(duì)探地雷達(dá)(GPR)在地質(zhì)預(yù)報(bào)中能夠準(zhǔn)確識(shí)別和解譯不良地質(zhì)體奠定基礎(chǔ)。

1 探地雷達(dá)及其屬性

1.1 探地雷達(dá)

所使用探地雷達(dá)(GPR)為瑞典 MALA 公司生產(chǎn)的 ProEX 主機(jī)以及50 MHz非屏蔽、屏蔽100 MHz、屏蔽250 MHz天線，工作示意圖見圖1。地質(zhì)信息采集軟件為Ground Vision，各條測(cè)線采集參數(shù)設(shè)置如表1所示。采集完成后，運(yùn)用探地雷達(dá)后處理軟件REFLEXW 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)處理，比如運(yùn)用靜校正/切除模塊中的 move starttime 對(duì)所采集雷達(dá)信號(hào)中的直達(dá)波進(jìn)行切除、運(yùn)用subtract-DC-shift模塊去除直流漂移、運(yùn)用AGC-Gain對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行放大等。

圖1 探地雷達(dá)工作示意

表1 不同測(cè)線采集參數(shù)信息

1.2 探地雷達(dá)屬性分析方法

(1)瞬時(shí)屬性。三瞬屬性指瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位與瞬時(shí)頻率3種屬性。瞬時(shí)振幅屬性可以反映地質(zhì)信號(hào)穿過不同地質(zhì)體時(shí)的能量變化，其與該瞬間探地雷達(dá)信號(hào)總能量的平方根成正比。當(dāng)?shù)刭|(zhì)信號(hào)穿過某些巖體特殊分層、滑裂帶、土層與地下水分界時(shí)，瞬時(shí)振幅屬性會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈變化，在分界面位置振幅明顯改變，該屬性已被應(yīng)用于對(duì)不同圍巖介質(zhì)層進(jìn)行識(shí)別分析[6]。瞬時(shí)相位可以對(duì)探地雷達(dá)二維剖面上的同相軸連續(xù)性進(jìn)行度量。當(dāng)電磁波穿過各向同性均勻介質(zhì)中時(shí)，瞬時(shí)相位表現(xiàn)為連續(xù)，若電磁波穿過異常介質(zhì)時(shí)，相應(yīng)的瞬時(shí)相位也會(huì)發(fā)生明顯變化，因此，瞬時(shí)相位有助于對(duì)存在異常介質(zhì)和分層的地質(zhì)體進(jìn)行解譯。瞬時(shí)頻率反映的是信號(hào)相位的時(shí)間變化率，瞬時(shí)頻率可以對(duì)地質(zhì)體巖性變化做出反饋。比如當(dāng)信號(hào)穿過不同介質(zhì)體時(shí)，瞬時(shí)頻率會(huì)清晰地表現(xiàn)出來。

(2)單道信號(hào)屬性。單道信號(hào)是由探地雷達(dá)后處理軟件REFLEXW對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理后所得的單道波形時(shí)間剖面圖。通過單道信號(hào)可以觀測(cè)到某點(diǎn)振幅隨時(shí)間變化規(guī)律，以及在垂直方向上電磁波在各種介質(zhì)中的傳播規(guī)律和地質(zhì)特征分布情況。單道信號(hào)的振幅、頻率、相位變化等構(gòu)成了雷達(dá)圖像解譯的基礎(chǔ)。因此，對(duì)單道波形的處理和分析對(duì)提高探地雷達(dá)的解譯準(zhǔn)確度具有重要的價(jià)值。

(3)頻譜屬性。探地雷達(dá)的頻譜屬性是指幅度譜和相位譜，其通過傅里葉變換的方式把雷達(dá)電磁波信號(hào)由時(shí)域變換成頻域而得出，相位譜和幅度譜可以描述電磁波信號(hào)的位置，其分別表示不同頻率成分含量和初相位。在許多不良地質(zhì)體的雷達(dá)解譯過程中探地雷達(dá)頻譜屬性得到了廣泛應(yīng)用，比如劉東坤等[7]分析了探地雷達(dá)在不同巖溶充填物和介質(zhì)變化的電磁波的反射、吸收(衰減)的變化了解其頻譜差異。

2 不良地質(zhì) GPR 屬性分析

使用探地雷達(dá)對(duì)某場(chǎng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且進(jìn)行常規(guī)處理后，可得3組典型不良地質(zhì)雷達(dá)能量堆積圖(即灰度圖)，如圖2～圖4所示。對(duì)圖像進(jìn)行解譯，首先觀察圖2，發(fā)現(xiàn)波形反射強(qiáng)烈、雜亂，同相軸不連續(xù)、錯(cuò)斷，具有與其他區(qū)域介質(zhì)屬性差異大等特點(diǎn)，依據(jù)探地雷達(dá)一般地質(zhì)解釋，可解釋為多種不良地質(zhì)；觀察圖3，發(fā)現(xiàn)同相軸連續(xù)、信號(hào)強(qiáng)度弱、波形均一，據(jù)此難以判斷其具體的地質(zhì)類型。同樣，若僅從整體波形反射和雜亂程度以及同相軸變化情況也無法確定圖4中孔洞類型如填充型孔洞、空腔型孔洞等，而現(xiàn)場(chǎng)資料表明圖2為無水破碎帶，圖3為富水帶，圖4為空腔型孔洞。

圖2 無水破碎帶雷達(dá)探測(cè)剖面

圖3 富水帶雷達(dá)探測(cè)剖面

圖4 孔洞區(qū)域雷達(dá)探測(cè)剖面

因此，從雷達(dá)圖像整體波形變化可以大致確定地質(zhì)異常的大致范圍，但是無法深層次解譯雷達(dá)數(shù)據(jù)中更詳細(xì)的地質(zhì)信息比如不良地質(zhì)的具體類型、范圍等，為了更加清晰、準(zhǔn)確了解地質(zhì)信息需要引入對(duì)探地雷達(dá)的屬性分析。

3 GPR 屬性分析

3.1 瞬時(shí)屬性分析

圖5～圖7為A～C區(qū)域探地雷達(dá)瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)相位剖面。首先觀察瞬時(shí)振幅，可以明顯看出A區(qū)域能量團(tuán)分布不均勻，與周圍介質(zhì)差異明顯，說明當(dāng)電磁波穿過A區(qū)域時(shí)，信號(hào)反射波幅值較強(qiáng)，依據(jù)瞬時(shí)剖面可以清楚地確定此處地質(zhì)異常，并且范圍明顯。觀察A區(qū)域的瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率可知，當(dāng)電磁波經(jīng)過A區(qū)域時(shí)，同相軸斷續(xù)，并且反射波能量強(qiáng),電磁波頻率變化明顯，與周圍差異大，表明該處介質(zhì)具有疏松、破碎的特點(diǎn)。觀察圖6發(fā)現(xiàn)B區(qū)域的反射波幅值較弱，瞬時(shí)相位剖面上有均勻的同相軸，并且瞬時(shí)頻率為均勻的低頻，呈“帶狀”分布與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)剖面上富水帶分布幾乎一致。而這些重要的電磁波變化信息在灰度圖上很難清晰顯示出來。

圖5 A區(qū)域瞬時(shí)相位、瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率

圖6 B區(qū)域瞬時(shí)相位、瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率

圖7 C區(qū)域瞬時(shí)相位、瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率

觀察圖7發(fā)現(xiàn)，在C區(qū)域瞬時(shí)振幅的能量團(tuán)分布較集中，高幅值區(qū)甚至呈“塊狀”，與周圍介質(zhì)界限明顯，表明該區(qū)域信號(hào)反射波幅值強(qiáng)，能量衰減少，也進(jìn)一步說明此處所含介質(zhì)對(duì)電磁波信號(hào)削弱得少(可推斷此處為空氣)。在瞬時(shí)相位剖面圖中發(fā)現(xiàn)明顯的雙曲線同相軸(標(biāo)黑線處)結(jié)合單道波形以及瞬時(shí)頻率可以確定該區(qū)域?yàn)槲刺畛涞目锥床⑶铱梢郧宄卮_定上、下反射界面及其范圍。

綜上所述，說明瞬時(shí)屬性能從多角度分析電磁波在3種不良地質(zhì)中傳播特征，瞬時(shí)剖面可以清晰地反映出灰度圖中所不能很好顯示的波形特征、不良地質(zhì)范圍等，可以大幅減少由單一灰度圖解譯產(chǎn)生的偏差。

3.2 單道信號(hào)屬性分析

圖8為穿過A區(qū)域的第40道波形的單道信號(hào)圖，即圖2中 B1所在直線的全剖面延伸段。從圖中可以看出，波形較為雜亂，均一性差，頻率以不均勻的中頻為主，振幅的幅值較強(qiáng)，呈典型的無水破碎松散帶波形特征，與上述A區(qū)域的三瞬屬性分析結(jié)果一致。

圖8 無水破碎帶B1剖面單道波形

圖9為穿過富水破碎松散帶的第260道波形的單道信號(hào)圖，即圖3中B2所在直線的全剖面延伸段。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)卮挪ù┻^地表，進(jìn)入B區(qū)域后，頻率以均勻的低頻為主，并且從上至下按規(guī)律快速變低，較為連續(xù)，較為均一，單道信號(hào)的中部和下部振幅幅值較強(qiáng)，波形信號(hào)強(qiáng)，呈典型的富水破碎松散帶波形特征，與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)信息一致。

圖9 富水帶B2剖面單道波形

圖10為穿過非填充孔洞(B區(qū)域)第500道波形的單道信號(hào)圖，即圖4中B3所在直線的全剖面延伸段。由圖可知，該單道信號(hào)圖上部波形明顯，幅值較強(qiáng)，頻率以中低頻為主，其中部信號(hào)幅值較低，波形頻率以中高頻為主且變化小，當(dāng)電磁波抵達(dá)孔洞區(qū)域(虛線框處)相位發(fā)生了突變(電磁波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，相位會(huì)發(fā)生突變)，并且頻率以中低頻為主，變化劇烈、不規(guī)則，框中波形比較均一，幅值較強(qiáng)，故可判定此為孔洞反射界面，與上述關(guān)于該區(qū)域三瞬屬性的判斷一致。對(duì)比無水破碎松散帶和富水帶單道波形發(fā)現(xiàn)，兩者三振相差異明顯，富水帶表現(xiàn)為低頻信號(hào)為主，電磁信號(hào)的頻帶寬，振幅均勻，由于存在大量水分，電磁波信號(hào)能量被吸收明顯，而無水破碎帶波形明顯，以中頻信號(hào)為主，信號(hào)頻率變化較快，規(guī)律性差，幅值很強(qiáng)，信號(hào)能量衰減不明顯；對(duì)比空腔型孔洞與其他兩組單道信號(hào)發(fā)現(xiàn)，穿過空腔型孔洞區(qū)域的單道波形的電磁波信號(hào)為不均勻的中低頻以低頻為主，頻率變化速度快，孔洞(虛線框處)區(qū)域的振幅與周圍介質(zhì)差異明顯，出現(xiàn)這種變化可解釋為孔洞中未含有其他介質(zhì)，對(duì)電磁波信號(hào)能量衰減少。綜上，說明與整體灰度圖相比，單道信號(hào)屬性可以清晰地反映某些異常點(diǎn)、特殊點(diǎn)的具體波形變化，并且不同不良地質(zhì)的單道波形屬性差異明顯，波形參數(shù)變化與地質(zhì)類型具有相關(guān)性。

圖10 空腔型孔洞B3剖面單道波形

3.3 頻譜屬性分析

圖11為A場(chǎng)地(無水破碎帶)的兩種典型的歸一化傅里葉幅度譜，其所對(duì)應(yīng)的測(cè)線位置為7 m和9 m。觀察可知，無水破碎帶的雷達(dá)反射波有多個(gè)峰值，其主要分布在50～110 MHz之間，并且雷達(dá)反射波歸一化幅度譜頻帶明顯較寬，說明雷達(dá)信號(hào)在無水破碎帶中傳播時(shí)中心頻率未出現(xiàn)明顯衰減。圖12為B場(chǎng)地(富水帶)兩種典型的歸一化傅里葉幅度譜，其所對(duì)應(yīng)的測(cè)線位置為27 m和29 m。觀察可知，富水帶雷達(dá)反射波只有1個(gè)峰值出現(xiàn)在 45 MHz 附近，并且出現(xiàn)峰值后迅速衰減，然后在較低頻段波動(dòng)，由此可知雷達(dá)波在富水破碎帶中傳播時(shí)中心頻率會(huì)明顯衰減，可見富水帶對(duì)雷達(dá)波的吸收和衰減起到重要作用。圖13為C場(chǎng)地(空腔型孔洞)兩種典型的歸一化的頻譜分析曲線，其所對(duì)應(yīng)的測(cè)線位置為25 m和28 m。由圖可知，空腔型孔洞的信號(hào)反射波主頻較明顯，其中心頻率分布范圍在200～250 MHz之間，歸一化幅度譜頻帶明顯較寬。其中心頻率隨時(shí)間未發(fā)生明顯變化，高頻成分衰減較少。綜上所述，不同不良地質(zhì)的頻譜差異變化表明：不同類型的不良地質(zhì)具有不同的電性參數(shù)，其電磁波信號(hào)不同的反射、衰減特征會(huì)通過頻譜曲線反映出來，因此，對(duì)頻譜屬性進(jìn)行分析，對(duì)于不良地質(zhì)的識(shí)別具有重要意義。

圖11 無水破碎帶頻譜分析曲線

圖12 富水帶頻譜分析曲線

圖13 孔洞頻譜分析曲線

4 結(jié)論

(1)對(duì)3種不良地質(zhì)進(jìn)行屬性分析，結(jié)果表明：3種不良地質(zhì)的類型和探地雷達(dá)的三瞬屬性、單道信號(hào)屬性、頻譜屬性的變化存在較好的相關(guān)性。并且，無水破碎帶、富水帶、空腔型孔洞的三瞬屬性與其他區(qū)域瞬時(shí)屬性差異明顯，借此可以確定不良地質(zhì)的分布范圍。從3種不良地質(zhì)的單道屬性分析中可對(duì)特殊點(diǎn)和異常點(diǎn)進(jìn)行更具體的深度分析。從3種不良地質(zhì)的頻譜屬性分析中，發(fā)現(xiàn)無水破碎帶的雷達(dá)反射波有多個(gè)峰值，其主要分布在50～110 MHz之間；富水帶雷達(dá)反射波只有1個(gè)峰值出現(xiàn)在 45 MHz 附近，并且出現(xiàn)峰值后迅速衰減，然后在較低頻段波動(dòng)；空腔型孔洞的信號(hào)反射波主頻較明顯，其中心頻率分布范圍在200～400 MHz之間，其中心頻率隨時(shí)間未發(fā)生明顯變化，高頻成分衰減較少，不同的地質(zhì)情況其頻譜屬性變化差異明顯，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

(2)通過對(duì)探地雷達(dá)整體圖像的解譯難以獲取深層次的地質(zhì)信息，但若對(duì)其進(jìn)行區(qū)域瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)振幅和單道信號(hào)以及頻譜屬性做進(jìn)一步分析，可以確定不良地質(zhì)的基本類型、分布范圍，并且可以相互驗(yàn)證。因此，對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行不良地質(zhì)解譯時(shí)，若把傳統(tǒng)的整體波形變化、同相軸等分析與瞬時(shí)屬性、單道波形屬性、頻譜屬性等屬性特征相結(jié)合進(jìn)行綜合解譯，可以大幅提高解譯精度。