Groundvue系列地質雷達探測系統(tǒng)及其應用

袁寶遠,程　巖,李勇軍

(河海大學地球科學與工程學院, 江蘇南京210098)

?

Groundvue系列地質雷達探測系統(tǒng)及其應用

袁寶遠,程巖,李勇軍

(河海大學地球科學與工程學院, 江蘇南京210098)

地質雷達雖然應用廣泛，但測試深度有待增加、測試可靠性有待進一步提高。利用水利部948項目資金從英國引進的Groundvue系列地質雷達系統(tǒng)，是目前國際上具有最低頻率的一款雷達，明顯提高了探測深度和可靠性。通過大量的測試分析總結，建立了深部逐步層次測試分析方法。南門峽水庫防滲墻的探測成果表明：地下防滲墻的位置與現(xiàn)有的灌漿平臺有3 m左右的水平距離，這可能是歷次灌漿效果不佳的一個重要原因，探測成果驗證了Groundvue系列地質雷達系統(tǒng)的有效性。

Groundvue;地質雷達;現(xiàn)場探測;測試分析

地質雷達技術在考古、建筑、鐵路、公路、水利、電力、采礦、航空各領域都有重要的應用，解決場地勘查、線路選擇、工程質量檢測、病害診斷、超前預報、地質構造研究等問題。在工程地球物理領域有多種探測方法，包括反射地震、地震CT、高密度電法、地震面波和地質雷達等，其中地質雷達的分辨率最高，而且圖像直觀，使用方便，優(yōu)點明顯。地質雷達最早用于工程場地的勘查，包括重要工程場地、鐵路與公路路基，用以解決松散層分層和厚度分布，基巖風化層分布，以及節(jié)理帶斷裂帶等問題。有時也用于研究地下水水位分布，普查地下溶洞、人工洞室等。

地質雷達雖然應用廣泛[1-11]，但測試深度增加、測試精度的提高和資料解釋水平的提升等一直是研究人員努力提高的方向。英國Groundvue系列地質雷達，使用的處理軟件Reflexw在歐美地區(qū)已經(jīng)作為一個標準軟件，其中GV6探地雷達天線，頻率范圍為5～30 MHz，中心頻率為15 ΩHz，是目前世界頻率最低的一款雷達，探測深度能夠達到地下200 m。青海省水利水電勘測設計研究院與河海大學合作申請了水利部引進國際先進技術計劃項目“地質雷達技術引進及在南門峽水庫除險加固中的應用”，利用項目資金引進了一套Groundvue系列地質雷達探測系統(tǒng)，通過技術引進和開發(fā)，提高水庫工程的地質雷達方法的探測深度和可靠性。

1　Groundvue系列地質雷達系統(tǒng)

Groundvue系列地質雷達測試系統(tǒng)主要技術指標：四通道雷達主機的掃描速率為250掃/s；400 MHz天線頻率范圍:200～600 MHz；50 MHz天線頻率范圍:30～100 MHz；15 MHz天線頻率范圍：5～30 MHz；高脈沖重復率：2 MHz到 500 kHz。GV系列雷達主要型號見表1。

表1　GV系列雷達主要產(chǎn)品Tab.1　Main products of GV series radar

地質雷達的天線根據(jù)劃分的方式不同可以劃分為不同種類的天線。從工作性質上可分為發(fā)射天線和接收天線；從屏蔽與否上說可以分為屏蔽天線和非屏蔽天線，如圖1和圖2所示。

圖1GV2屏蔽天線地質雷達

Fig.1GV2 gshielded antenna radar

圖2GV6非屏蔽天線地質雷達

Fig.2GV6 unshielded antenna radar

2　測試與數(shù)據(jù)處理方法

采用不同測深、分辨率的雷達，可以在后期將相同段的測量結果進行對比分析，互為補充。 地質雷達的測量方法根據(jù)探測的目標不同、探測的目的不同，分為連續(xù)剖面掃描探測、寬角探測、共中心點探測和透射探測。因為想要獲悉的是南門峽水庫壩前坡地下混凝土防滲墻的位置情況，根據(jù)GV系列地質雷達的特點，所以選取的是連續(xù)剖面掃描探測的方式。

圖3　地質雷達反射法探測示意圖Fig.3　GPR reflection method detection diagram

連續(xù)剖面掃描探測方式原理如圖3 所示。在實際探測中，反射探測方式的特點在于讓發(fā)射天線(T)與接收天線(R)保持一個確定的間距沿測線同時前移，從而探測地下目標物。地質雷達儀器的發(fā)射天線和接收天線，在每次同時經(jīng)過各個測點時會記錄下一次回波波形。

因此當雷達儀器沿測線完成了該次探測任務之后，就獲得了測線位置上地下目標物的地質雷達回波曲線圖，其橫坐標為儀器在地表測量時的位置，也就是測點坐標，縱坐標為地質雷達的電磁波從發(fā)射到接收的雙程用時。當實際探測，錄取數(shù)據(jù)時，可以采用連續(xù)錄取多道數(shù)據(jù)并對其作平均處理的方法，來減小探測時產(chǎn)生的隨機誤差。這種記錄方式不需要對回波進行再處理，就能夠直觀反映出測線位置上地下各反射界面的特征。

英國Groundvue系列地質雷達，使用的處理軟件ReflexW在歐美地區(qū)已經(jīng)作為一個標準軟件。由于ReflexW軟件數(shù)據(jù)需要從原始的地質雷達數(shù)據(jù)包中導出所需要處理的回波信號數(shù)據(jù)，通過ReflexW軟件把數(shù)據(jù)接收儀中得到的原始灰度圖導入其中，而初始得到的灰度圖都是某一斷面的，只需要進入2D模式既可以處理。對于GV2和GV3地質雷達而言，本身就帶有記錄位移的工具，導入的數(shù)據(jù)格式為.dat，而GV6地質雷達由于不帶有自身位移記錄工具，要通過GPS來確定其位移和距離情況，在導入數(shù)據(jù)之前要經(jīng)過數(shù)據(jù)的分離，分離前的數(shù)據(jù)格式為.asc。

3　深部逐步層次測試分析法

地質雷達由于天線頻率不同，其有效探測深度和探測精度有很大差別，總體是頻率越大，探測深度越小，但探測分辨率越小，精度越高。4 GHz的天線探測深度只有0.5 m，但分辨率可達1 mm；400 MHz的天線探測深度有5 m，分辨率為5 cm；15 MHz的天線探測深度為70 m，分辨率只有1 m。

頻率越小，探測深度越大，但分辨率越差，同時淺部界面的多次反射可以形成假象，需要在數(shù)據(jù)解譯時判別剔除。有效的判別圖像信息的真假是深部探測的一個重要工作。為了判別由淺部、中部界面或目標物的多次反射形成的假象，可以利用淺部和中部的高精度的測試較精確確定淺部目標及中部目標，為深部目標物的判別提高依據(jù)。

根據(jù)上述分析，深部目標物的測試可采用深部逐步層次測試分析法，即首先采用高頻天線測試淺部區(qū)域，分析淺部的剖面模型；再用中等頻率測試中部區(qū)域，分析中部的剖面模型，分析過程中利用淺部的分析結果進行中部目標物判別，建立中部的剖面模型；最后用低頻率天線測試深部區(qū)域，分析深部的剖面模型，分析過程中利用中部的分析結果進行深部目標物判別，建立深部的剖面模型。

4　工程應用

南門峽水庫是以灌溉為主的Ⅲ等中型工程，始建于1974年，1982年投入運行。由于該水庫位于巖溶地區(qū)，地質條件復雜，壩基和兩壩肩構造巖溶、裂隙發(fā)育，滲漏比較嚴重。南門峽水庫防滲處理工程早在1975年大壩施工期間就已經(jīng)開始，至今已進行了3個階段帷幕灌漿處理，但效果均不理想。

壩基的混凝土防滲墻位于壩前坡從壩基建基面到基巖面之間，是用于防止基巖面上卵礫石覆蓋層滲水。由于缺乏準確的原始設計圖紙，在歷次灌漿加固壩基時，一般認為其平行于大壩走向位置，在現(xiàn)有的注漿平臺邊上。

采用GV3-400 M和GV2進行的測試，了解了上部為正常壩體材料，未發(fā)現(xiàn)有防滲墻。采用GV6地質雷達在壩前坡上，垂直于壩走向的方向上進行測試，具體測向為由壩坡底部向壩頂測量。(0+034) m處測量灰度圖像見圖4。

圖4　GV6 壩前坡(0+034) m垂直壩軸向地質雷達灰度圖

由圖4可以發(fā)現(xiàn)在壩前坡上26 m左右處，在地層深度為26 m和32 m的部分發(fā)現(xiàn)有地質雷達電磁波的反應，疑似混凝土防滲墻的位置，其平行于大壩的走向，位于灌漿平臺靠近壩頂方向，與現(xiàn)有的灌漿平臺有3 m左右的距離，這可能是歷次灌漿效果不佳的一個重要原因。

為了證實以上的推測，查看平行于該條測線其他位置上的地質雷達圖像，發(fā)現(xiàn)在其他平行于(0+034) m剖面的地質雷達圖像上，絕大多數(shù)圖像，幾乎在相同位置處，發(fā)現(xiàn)了疑似是混凝土防滲墻的雷達反應。圖5為(0+208) m壩前坡上24 m處，深度為24 m和32 m的部分出現(xiàn)地質雷達反射弧線，圖6為(0+304)剖面在相同位置處發(fā)現(xiàn)一處雷達反射弧線，深度也為26 m左右。

圖5　 GV6壩前坡(0+208)垂直壩軸向地質雷達灰度圖

圖6　GV6壩前坡(0+304)m垂直壩軸向地質雷達灰度圖

從圖5和圖6中兩條反射弧線的相對位置來看，深度較淺的反射弧線往往較深部的反射弧線在圖像上靠左邊一些，這其實不難解釋，因為測量是一個由下往上的路線，所以測量路線與水平面之間存在著20°的坡腳，相對于豎直矗立的混凝土防滲墻則相當于有著70°的夾角。當測量路線在圖像當中以水平方向顯示時，圖像中的防滲墻自然而然就會呈現(xiàn)出由垂直方向傾斜20°，變成“斜墻”的現(xiàn)象。

通過結合垂直于大壩走向，互相平行的26條地質雷達圖像的觀察與分析，能夠發(fā)現(xiàn)壩基混凝土防滲墻的位置，位于壩頂沿壩前坡向下11 m處，與現(xiàn)有灌漿平臺有3 m左右的距離，防滲墻距離地表距離從26 m到30 m不等，很可能防滲墻頂不在同一高程上。且防滲墻在(0+40) m～(0+380) m壩段間延續(xù)良好。

為了確認以上地質雷達探測的解釋成果，采用現(xiàn)場鉆探進行驗證。第一個鉆孔位置根據(jù)地質雷達測試分析的結果現(xiàn)場確定，首先在右壩肩樁號(0+383.60) m處布置了ZK14-1-1孔，揭露人工堆積的土層后又打到砂礫石，鉆至40 m未找到混凝土防滲墻，經(jīng)分析孔位向下游移了0.70 m布置了ZK14-l-2孔，鉆至25.0 m時找到了混凝土防滲墻。然后在樁號(0+208) m處又布置了ZK14-3孔，鉆至28.50 m時找到了防滲墻；在樁號(0+150) m處布置了ZKl4-4-1孔，防滲墻沒找到，又向下游移0.60 m，布置了ZK14-4-2孔，鉆至31.0 m時找到了混凝土防滲墻,主要鉆探結果見表2。

防滲墻頂部不在一個高程上，樁號(0+034.2) m處墻頂高程2 736.45 m，底部高程2 721.05 m，墻高15.4 m。防滲墻鉆探驗證工作說明原防滲墻呈直線，防滲墻位置位于上游馬道2012年帷幕灌漿中心線向下游左岸5.4 m，右岸6.1 m。

表2　混凝土防滲墻鉆探成果表Tab.2　Table of drilling results of concrete cutoff wall

5　結　語

①Groundvue系列地質雷達在我國的工程探測中應用尚屬首次，通過大量的測試應用以及室內的模擬試驗，初步建立起的GV系列地質雷達在工程地質勘探中的基本探測模式，并取得了良好的探測效果。

②GV6屬于頻域地質雷達，其最大探測深度有200 m，由于其探測精度只有2.5m左右，同時GV6地質雷達較為輕便，所以較為適合深部較大目標體的探測，尤其對于深部大型缺陷和地層分布探測尤為有優(yōu)勢。

③深部逐步層次測試分析法是解決深部探測受淺部目標物干擾的有效測試方法。

④南門峽水庫防滲墻的地質雷達探測為多年來困擾南門峽水庫的與防滲墻有關的滲漏原因問題得到了很好的解決，也充分證明了Groundvue系列地質雷達的效用。

[1]王鵬禹，李磊.地質雷達檢測技術在工程地質裂縫探測調查中的應用[J]. 水利技術監(jiān)督, 2011, 16(6):54-57.

[2]謝蒙，湯金云.探地雷達在水工建筑物地基病害檢測中的應用[J]. 人民黃河, 2012,34(9):105-107.

[3]吳豐收.地質雷達在水電站壩基工程中的應用研究[J]. 華北水利水電學院學報, 2012,33(3):94-96.

[4]白云，袁寶遠，潘瑋璠.南門峽水庫滲漏路徑地質雷達探測分析[J]. 廣西大學學報(自然科學版), 2015,40(6)：1359-1364.

[5]劉青雯.井下超前探測方法以及應用[J]. 煤田地質與勘探,2001,29(5)：60-63.

[6]水鵬朗，保錚.基于頻帶分割的超帶寬雷達脈沖壓縮方法[J]. 雷達與對抗, 2000(1)：31-35.

[7]GREAVES R J, LESMES D P, LEE J M.Velocity variations and water content estimated from multi-offset, ground-penetrating radar[J]. Geophysics, 2012, 61(3):683-695.

[8]VINCENZO P, PETER M I, ENDRES A L.Facies and ground-penetrating radar characteristics of coarse-grained beach deposits of the uppermost Pleistocene glacial Lake Algonquin, Ontario, Canada[J]. Sedimentology, 2009, 56(2):529-545.

[9]LI Y，CHEN J C.Ground penetrating radar signal processing improves mapping accuracy of underground voids andseawater table: an application in deteriorating coastal structure, Nanfangao Port, Taiwan[J]. Environmental Geology, 2007, 53(2):445-455.

[10]LEUCCI G.Ground penetrating radar: an application to estimate volumetric water content and reinforced bar diameter in concrete structures[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2012, 10(12):411-422.

[11]FISHER E, MCMECHAN G A, ANNAN P.Acquisition and processing of wide-aperture ground-penetrating radar data[J]. Geophysics, 2012, 57(3):495-504.

(責任編輯唐漢民梁碧芬)

Groundvue series of ground penetrating radar detection system and its application

YUAN Bao-yuan, CHENG Yan, LI Yong-jun

(College of Earth Science and Engineering, Hohai University,Nanjing 210098, china)

Ground Penetrating Radar is widely used, but its detected depth needs to be increased, and its reliability of detection needs to be further improved. The Groundvue series of Ground Penetrating Radar system was introduced from the United Kingdom, which was funded by the 948 Project of the Ministry of Water Resources. Its antenna has the lowest frequency, which improves its detection depth and reliability significantly. Through a lot of test and analysis, a step by step deep test and analysis Method was established. Detection results of the seepage cut-off wall of Nanmenxia reservoir dam foundation showed that there was about 3m distance from the seepage cut-off wall to the grouting platform, which may be the important cause of previous unsatisfying grouting. The results verified the effectiveness of Groundvue series of geological radar system.

groundvue; ground penetrating radar; field detection; detection analysis

2016-04-15；

2016-05-20

水利部引進國際先進技術計劃項目(948項目201325)

袁寶遠(1967—)，男，江蘇海安人，河海大學教授，博士生導師；E-mail: ybyljh@vip.sina.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1061

TU413.9

A

1001-7445(2016)04-1061-06

引文格式：袁寶遠,程巖,李勇軍.Groundvue系列地質雷達探測系統(tǒng)及其應用[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1061-1066.