地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)地下富含水區(qū)域中的應(yīng)用

胡少偉，陸 俊，王國(guó)群

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

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是近年來迅速發(fā)展的高精度無損探測(cè)技術(shù)，具有探測(cè)速度快、采集數(shù)據(jù)量大、定位準(zhǔn)確、操作靈活、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)透視掃描以及二維彩色圖像實(shí)時(shí)顯示等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前我國(guó)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(shù)的試驗(yàn)和應(yīng)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(cè)、橋梁施工、地基和道路地下空洞及裂縫調(diào)查、管線探測(cè)、埋設(shè)物探測(cè)、地下障礙物探查、保護(hù)性建筑結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等．地質(zhì)雷達(dá)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(dāng)遇到存在電性差異的地下目標(biāo)體，如空洞、分界面時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面時(shí)由接收天線所接收;對(duì)接收到的電磁波進(jìn)行信號(hào)處理和分析，根據(jù)信號(hào)波形、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等參數(shù)來推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對(duì)地下隱蔽目標(biāo)物的探測(cè)［1－2］．

脈沖波的近似行程時(shí)間為

探地雷達(dá)探測(cè)目的層深度的計(jì)算式為

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)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(diǎn):(1)分辨率高．地質(zhì)雷達(dá)中心頻率為10～1 500 MHz，其分辨率可達(dá)厘米級(jí)．(2)無損性．地質(zhì)雷達(dá)為無損探測(cè)技術(shù)．(3)效率高．地質(zhì)雷達(dá)儀器輕便，可連續(xù)測(cè)量，從數(shù)據(jù)采集到處理成像一體化，操作簡(jiǎn)單，采樣迅速，所需人員少．(4)結(jié)果直觀．地質(zhì)雷達(dá)采用圖像實(shí)時(shí)顯示，可在野外定性解釋．(5)地下傳播規(guī)律復(fù)雜．由于地下介質(zhì)比空氣具有較強(qiáng)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(fù)雜得多，因而，地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)涉及的理論面廣，技術(shù)難度大［3］．

1 國(guó)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(shù)，再到反演，均呈現(xiàn)明顯的“聯(lián)合”、“移植”和“借鑒”的趨勢(shì)．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(shù)應(yīng)用少、單一方法研究多綜合影響考慮少．地質(zhì)雷達(dá)用于地下水探測(cè)以及地下環(huán)境監(jiān)測(cè)，是近年水利行業(yè)和物探行業(yè)研究的熱點(diǎn)之一．

2007年，楊迪琨等［4］指出電磁法探測(cè)地下水受地面條件影響較小，可以連續(xù)測(cè)量，成本低廉．王春輝［5］指出探地雷達(dá)方法用于測(cè)量近地表含水量主要包括反射波法、地面波法、鉆孔雷達(dá)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(dá)測(cè)定潛水埋深的技術(shù)原理，利用探地雷達(dá)能測(cè)定地下潛水埋深，探測(cè)精度與水位埋深和采用的天線主頻等因素有關(guān)，在確定潛水位埋深時(shí)，還需考慮土壤毛細(xì)水帶高度的影響．2010年，李鎬等［7］有效地對(duì)掌子面前方的地下水發(fā)育情況進(jìn)行了探測(cè)．裴尼松得出探地雷達(dá)對(duì)水的預(yù)報(bào)．國(guó)外在該方面也有不少的研究，2007年，Seung-Yeup Hyun等［8］在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了按比例縮小的模擬泄漏，為不同泄漏情況中探地雷達(dá)的應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)．Sunjay等通過使用超高頻對(duì)蓄水層進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)蓄水層中的污染物等做了測(cè)定;Matthaios Bimpas等研究出一種UWB雷達(dá)來對(duì)水管進(jìn)行高分辨率拍攝;Xiaozhou Liu等詳細(xì)描述了GPR的工作原理，并總結(jié)了探地雷達(dá)技術(shù)的快速、高分辨率、簡(jiǎn)單識(shí)別等優(yōu)點(diǎn);Khan Zaib Jadoon等根據(jù)頻率、鹽分、溫度變化對(duì)水進(jìn)行了探地雷達(dá)特征研究，得出介電損耗將有效提高探地雷達(dá)測(cè)試效率;Jens S．Buchner等在人造沙地環(huán)境中使用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)含水量和反射深度進(jìn)行了研究，并得出使GPR結(jié)果更精確的方法;Sevket Demirci等通過實(shí)驗(yàn)室模擬了沙地中管道的泄漏，利用探地雷達(dá)后投射方法對(duì)地下管道中的泄漏進(jìn)行探測(cè)，證明探地雷達(dá)用來檢測(cè)泄漏的準(zhǔn)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(chǔ)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(cè)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(chǔ)是否存在被沖刷的空洞［15］．

2．1 探測(cè)技術(shù)

介電常數(shù)差是雷達(dá)工作的基礎(chǔ)，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(dǎo)率遠(yuǎn)高于灰?guī)r、砂巖等巖石，因而探地雷達(dá)對(duì)水特別敏感．經(jīng)過相關(guān)理論推導(dǎo)可得到以下地質(zhì)雷達(dá)探水原則［7］:(1)雷達(dá)波對(duì)水或含水率高的介質(zhì)的反射強(qiáng)烈，反射波強(qiáng)度大．(2)雷達(dá)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(dá)波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優(yōu)勢(shì)頻率降低．

本次探測(cè)工作在垂直塌坑走向布置12條長(zhǎng)剖面，采用32 MHz低頻組合天線進(jìn)行探測(cè)，遇放樣點(diǎn)打標(biāo)，標(biāo)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(cè)線長(zhǎng)度10 m左右，測(cè)線累計(jì)長(zhǎng)度120 m，探測(cè)測(cè)點(diǎn)間距20 cm，累計(jì)測(cè)點(diǎn)數(shù)700個(gè)．

2．2 探測(cè)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(shù)，主要有調(diào)零、歸一、濾波、增益、相關(guān)、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(jìn)入水中，從高速介質(zhì)進(jìn)入低速介質(zhì)，在相位上顯示為負(fù)相位起跳．電磁波在混凝土管道結(jié)構(gòu)中傳播，由于水存在于松散介質(zhì)中，而形成連續(xù)負(fù)波．從測(cè)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(zhǎng)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(cè)線9所在富含水區(qū)域雷達(dá)偽彩圖(縱坐標(biāo)為雙程旅行時(shí)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(cè)線1為平整場(chǎng)地，以測(cè)線1為例，進(jìn)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(gòu)成圓形，圓內(nèi)能量相對(duì)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(dá)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(cè)線1雷達(dá)頻譜圖和異常大樣圖(縱坐標(biāo)為雙程旅行時(shí)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(cè)線的解釋 測(cè)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(hào)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(cè)線上的圓形異常區(qū)在該測(cè)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(yán)重變形，泥沙流入相對(duì)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(dá)頻譜資料分析，整體推斷結(jié)果如圖4所示．

圖3 8線地質(zhì)雷達(dá)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(cè)結(jié)果

本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)大深度管道有效，采用頻譜分析技術(shù)效果好．根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)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(dá)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(yán)重松散且含水量較大．

3 結(jié)語(yǔ)

由于地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)(GPR)應(yīng)用范圍廣、穿透深度大、非接觸連續(xù)測(cè)量、快速簡(jiǎn)便、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，其用于地下水探測(cè)以及地下環(huán)境監(jiān)測(cè)已成為水利和物探行業(yè)研究的熱點(diǎn)．本文在系統(tǒng)總結(jié)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下水的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達(dá)的頻譜圖和能量特征，有效地對(duì)地下富含水區(qū)域進(jìn)行探測(cè)．并結(jié)合南京某小區(qū)地下管道泄漏探察工程案例，對(duì)地下富含水區(qū)域和管道其他異常進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，表明地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)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(shù)在查找滲漏點(diǎn)和探測(cè)水源區(qū)域等技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，為后續(xù)探測(cè)水源等相關(guān)工作提供了基礎(chǔ)．

［1］胡少偉，陸俊，牛志國(guó)．高速地質(zhì)雷達(dá)在引水隧洞混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］．水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2010(2):1-6．(HU Shao-wei，LU Jun，NIU Zhi-guo．Application of high-speed ground penetrating radar in detecting the quality of tunnel concrete lining［J］．Hydro-Science and Engineering，2010(2):1-6．(in Chinese))

［2］陸俊，游日，牛志國(guó)．高速地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］．筑路工程與施工機(jī)械化，2010，27(5):24-27．(LU Jun，YOU Ri，NIU Zhi-guo．Application of high-speed ground penetrating radar in detecting quality of concrete lining in highway tunnel［J］．Road Machinery＆Construction Mechanization，2010，27(5):24-27．(in Chinese))

［3］楊峰，彭蘇萍．地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理與方法研究［M］．北京:科學(xué)出版社，2010．(YANGFeng，PENG Su-ping．Research on geological radar detection principle and method［M］．Beijing:Science Press，2010．(in Chinese))

［4］王承強(qiáng)，胡少偉．地質(zhì)雷達(dá)在環(huán)境工程中的應(yīng)用和發(fā)展［J］．地球與環(huán)境，2005(1):79-83．(WANG Cheng-qiang，HU Shao-wei．Application and development of geological radar in environmental engineering［J］．Earth and Environmental，2005(1):79-83．(in Chinese))

［5］王春輝．探地雷達(dá)方法測(cè)量近地表含水量及污染物探測(cè)研究［D］．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2007．(WANG Chun-hui．Near surface water content measurement and contamination detection using ground-penetrating radar-A simulation study［D］．Changchun:Jilin University，2007．(in Chinese))

［6］雷少剛，卞正富，張日晨，等．探地雷達(dá)探測(cè)干旱區(qū)潛水埋深研究［J］．中國(guó)雷達(dá)，2008(1):17-56．(LEI Shao-gang，BIAN Zheng-fu，ZHANG Ri-chen，et al．Research on ground penetrating radar detection arid diving buried deep［J］．China Radar，2008(1):17-56．(in Chinese))

［7］李鎬，仲曉杰，韓煜．地質(zhì)雷達(dá)在隧道富水區(qū)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］．土工基礎(chǔ)，2010，24(4):88-90．(LI Hao，ZHONG Xiao-jie，HAN Yu．Application of ground penetrating radar on advanced prediction in a water-rich tunnel［J］．Soil Engineering and Foundation，2010，24(4):88-90．(in Chinese))

［8］SEUNG-YEUP HYUN，YU-SUN JO．The laboratory scaled-down model of a ground-penetrating radar for leak detection of water pipes［J］．Measurement Science and Technology，2007(18):2791-2799．

［9］MATTHAIOS BIMPAS，ANGELOS AMDITIS，NIKOLAOS K UZUNOGLU．Design and implementation of an integrated high resolution imaging ground penetrating radar for water pipeline rehabilitation［J］．Water Resource Manage，2011(25):1239-1250．

［10］王國(guó)群．探地雷達(dá)技術(shù)在堤壩工程中的應(yīng)用［J］．江蘇地質(zhì)，2000，24(2):101-104．(WANG Guo-qun．Application of radar detector technique in dykes and dams［J］．Jiangsu Geology，2000，24(2):101-104．(in Chinese))

［11］何開勝，王國(guó)群．水庫(kù)堤壩滲漏的探地雷達(dá)探測(cè)研究［J］．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2005，25(1):20-24．(HE Kai-sheng，WANG Guo-qun．Study of seepage through reservoir dam using ground penetrating radar detection［J］．Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2005，25(1):20-24．(in Chinese))

［12］SEVKET DEMIRCI．Ground penetrating radar imaging of water leaks from buried pipes based on back-projection method［J］．NDT and E International，2012(47):35-42．