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探地雷達(dá)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性勘測評估探析

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探地雷達(dá)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性勘測評估探析

[摘要]西北某地地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性勘測評估,全程應(yīng)用探地雷達(dá),獲得了大量清晰典型的地層狀態(tài)雷達(dá)影像,基于介電系數(shù)關(guān)系計(jì)算和回波影像的解析,順利完成了該區(qū)域地質(zhì)狀態(tài)勘測與評估,為區(qū)域地質(zhì)應(yīng)用提供了充分詳實(shí)的地質(zhì)信息一手資料,探測技術(shù)、實(shí)施過程、地質(zhì)影像及性質(zhì)解析,對同類探測工程應(yīng)用,有技術(shù)參考價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]探地雷達(dá);地層勘測;風(fēng)險(xiǎn)性評估;分析研究

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和地質(zhì)防災(zāi)減災(zāi)管理和實(shí)踐,離不開及時(shí)有效的地質(zhì)勘測與解析評估工作。探地雷達(dá)勘測技術(shù),對于郊野大范圍的地質(zhì)勘測項(xiàng)目,尤其對于地形地貌起伏較大,對探深有一定要求的探測項(xiàng)目,該技術(shù)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。把握該雷達(dá)探地技術(shù)原理,了解介電系數(shù)計(jì)算關(guān)系,對回波影像開展技術(shù)解讀與解析,可以幫助我們熟悉探地雷達(dá)測量操作,進(jìn)一步積累圖像解析經(jīng)驗(yàn),助力實(shí)現(xiàn)更有技術(shù)適用性和解析準(zhǔn)確性的地質(zhì)勘測評估應(yīng)用。

1探地雷達(dá)探測原理簡述

探地雷達(dá)還被稱作地質(zhì)探測雷達(dá),測量過程中,探地雷達(dá)由控制主機(jī)指令發(fā)出寬帶高頻電磁波。如果在地下遇到有不同介電系數(shù)的介質(zhì),則伴隨該介質(zhì)的空間形態(tài)和介電參數(shù)的差異,電磁波會(huì)對應(yīng)發(fā)生改變,其傳導(dǎo)特性諸如波型、振幅和路徑等發(fā)生相應(yīng)改變。一些電磁信號(hào)形成透射,另一些則基于介面反射,為接收天線所接收。采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)對檢測構(gòu)造中,不連續(xù)電介質(zhì)系數(shù)的突變狀態(tài)和返回時(shí)間給予記錄和計(jì)算分析,其探測原理如圖1所示。1探地雷達(dá)的探測原理圖地下介質(zhì)因材質(zhì)不同或因裂隙、不密實(shí)區(qū)、空洞等結(jié)構(gòu)的影響,形成介電性相對差異,電磁波在傳導(dǎo)過程中,如經(jīng)過松散介質(zhì)或者遇非均質(zhì)低阻抗介質(zhì)時(shí),雷達(dá)波型相對雜亂,有的則以同相軸窄細(xì)形態(tài)發(fā)生,有時(shí)無顯著規(guī)律;當(dāng)遇到較完整巖體雷達(dá)波型無顯著反射,波型影像通常呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色。經(jīng)過處理所接收的回波,基于反射波組的相似性、同相性以及波型特征,依據(jù)波型、雙程傳播用時(shí)以及強(qiáng)度等參數(shù),推測判斷相關(guān)介質(zhì)的幾何構(gòu)造形態(tài)、電性特征以及空間位置等,對不同地質(zhì)所對應(yīng)的反射波組給予區(qū)分,并分析它們的變化趨勢及互相關(guān)系,建立各種波組的地質(zhì)構(gòu)造模式,進(jìn)而獲得檢測結(jié)果,達(dá)對地層解譯的目的。測量在計(jì)算機(jī)控制下開展,可實(shí)時(shí)顯示雷達(dá)波型、采集數(shù)據(jù)和開展儲(chǔ)存。首先對數(shù)據(jù)開展編輯,數(shù)據(jù)接拼、測線調(diào)整、編輯數(shù)據(jù)塊、顯示參數(shù)設(shè)置;其次對數(shù)據(jù)開展基本處理,添加里程樁號(hào)、距離歸一化、時(shí)間深度轉(zhuǎn)換、調(diào)整地表時(shí)間零點(diǎn)、交互式解析、水平截面拉伸與壓縮;最后開展數(shù)據(jù)希爾伯特變換、反褶積、速率分析、偏移、濾波、增益調(diào)整,盡最大可能降低環(huán)境和信號(hào)干擾,提供清晰可辨的影像,為分析解析創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)條件。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)信息,可以雷達(dá)波型圖、三維路面截面圖、路面彩色截面圖顯示。資料解析就是對所采集的地質(zhì)影像開展辨識(shí)解析,當(dāng)探測波通過風(fēng)化巖體與常規(guī)健康巖土體的分界面時(shí),反射波放大能量,振幅波型變大,特定的波阻抗差異在界面兩側(cè)發(fā)生,會(huì)形成較強(qiáng)的反射波,依據(jù)反射波特征即可獲得地下探測目標(biāo)的分布區(qū)域、層深度等特征。另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于介電系數(shù)校準(zhǔn)。經(jīng)常應(yīng)用的介電系數(shù)校準(zhǔn)方法包括:幾何刻度法、共反射點(diǎn)法、金屬板反射常數(shù)法、鉆孔取芯介電系數(shù)法等,此中的鉆孔取芯介電系數(shù)法應(yīng)用比較成熟。在被測區(qū)段選取有代表性的點(diǎn)位開展芯鉆采樣,檢測其實(shí)際厚度。用實(shí)測厚度及采樣點(diǎn)截面上雷達(dá)波的雙程傳播用時(shí)兩參數(shù),便可校準(zhǔn)該構(gòu)造層的介電系數(shù),即:εr=t2c24H2(1)式中:εr為構(gòu)造層介電系數(shù);t系為被測構(gòu)造層的雷達(dá)波雙程傳播用時(shí);c系為光速的理論值,取30cm/ns;H系為被測構(gòu)造層芯鉆采樣的實(shí)測厚度值。厚度計(jì)算:一旦各構(gòu)造層介電系數(shù)已經(jīng)知,則厚度就很容易計(jì)算。電磁波在介質(zhì)中的傳導(dǎo)速率為:v=cεr(2)式中:v系為電磁波在介質(zhì)中的傳導(dǎo)速率;速率v乘以電磁波在構(gòu)造層中往返用時(shí)乘1/2,即為目標(biāo)構(gòu)造層的結(jié)構(gòu)厚度。上面層:h1=cεr1·Δt12(3)下基層:h2=cεr2·Δt22(4)公式中:h1系為第1層構(gòu)造厚度;h2系為第2層構(gòu)造厚度;Δt1系為電磁波在第1層構(gòu)造中傳導(dǎo)的往返時(shí)間;Δt2系為電磁波在第2層構(gòu)造中傳導(dǎo)的往返時(shí)間。

2探測工程和應(yīng)用裝備概況

接受委托選用探地雷達(dá)對謝家溝地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評估項(xiàng)目指定的范圍開展地質(zhì)勘查,了解基巖裂縫發(fā)育情況、基巖風(fēng)化層厚度、測區(qū)地質(zhì)簡況和地球物理特征,依據(jù)工程特征及災(zāi)害防范評估的需求。勘查測區(qū)的蓋覆層有強(qiáng)風(fēng)化的礫石土及山頂局域的含土砂碎石層,基巖主要為泥巖及砂巖,范圍蓋覆層主要為第4系沖洪積的砂碎石層及崩坡積的礫石土;基巖為侏羅系砂巖、泥巖。整個(gè)探測從北向南沿山體共配置15條探測截面,合計(jì)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測截面2240m。全程選用SIR—30E型GSSI公司(美)生產(chǎn)的地質(zhì)雷達(dá),天線頻率可選擇應(yīng)用50、100、200、500~900MHz開展工作,對于不同探深,可選擇接掛不同型號(hào)的探測天線,實(shí)現(xiàn)針對。最大探深>60cm。這次勘測目標(biāo)深度值5~10m左右,依據(jù)探測目的、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及測區(qū)現(xiàn)場地質(zhì)條件,這次選用100MHz頻率天線,數(shù)據(jù)采集選擇連續(xù)采集方式開展?;诰唧w探測深度設(shè)置時(shí)窗,現(xiàn)場所選擇的探測深度取1.5倍于目標(biāo)探測深度。

3探地雷達(dá)探地勘測成果和地質(zhì)狀況評估

3.1截面1-1'的勘測成果和地質(zhì)狀況評估

截面1-1′的各深度探地雷達(dá)探測影像如圖1~圖3具體所示。雷達(dá)圖像顯示,0~3.2m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達(dá)影像波型較亂,并且以窄細(xì)狀同方向軸發(fā)生,局域存在錯(cuò)斷,推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、強(qiáng)風(fēng)化基巖;3.2~6.4m雷達(dá)影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色,推測判斷估測為強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化基巖,此中截面樁號(hào)50~90m深度值3.3~5.4m雷達(dá)影像局域呈現(xiàn)點(diǎn)狀紅顏色反射,推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育;6.4~8.5m雷達(dá)影像呈現(xiàn)黑灰顏色點(diǎn)狀,推測判斷估測為弱風(fēng)化—較完整基巖。

3.2截面2-2′的勘測成果和地質(zhì)狀況評估

截面2-2'的各深度探地雷達(dá)探測影像如圖4~圖6具體所示。雷達(dá)圖像顯示,0~3.1m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達(dá)影像波型較亂,并且以窄細(xì)狀同方向軸發(fā)生,局域錯(cuò)斷,推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、強(qiáng)風(fēng)化基巖;3.1~6.0m雷達(dá)影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色,推測判斷估測為強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化基巖,此中截面樁號(hào)50~73m深度值3.1~5.3m雷達(dá)影像局域呈現(xiàn)點(diǎn)狀紅顏色反射,推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育;6.0~8.5m雷達(dá)影像呈現(xiàn)黑灰顏色點(diǎn)狀,推測判斷估測為弱風(fēng)化—較完整基巖。

3.3截面3-3′的勘測成果和地質(zhì)狀況評估

截面3-3′的各深度探地雷達(dá)探測影像如圖7~圖8具體所示。雷達(dá)圖像顯示,0~3.2m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達(dá)影像波型較亂,并且以窄細(xì)狀同方向軸發(fā)生,局域錯(cuò)斷,推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強(qiáng)風(fēng)化基巖;3.2~6.2m雷達(dá)影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色,推測判斷估測為強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化基巖,此中截面樁號(hào)10~25m深度值3.2~8.5m雷達(dá)影像局域呈現(xiàn)點(diǎn)狀紅顏色反射,推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育;6.0~8.5m雷達(dá)影像呈現(xiàn)黑灰顏色點(diǎn)狀,推測判斷估測為弱風(fēng)化—較完整基巖。

3.4截面4-4′的勘測成果和地質(zhì)狀況評估

截面3-3'的各深度探地雷達(dá)探測影像如圖9~圖10具體所示。截面4-4′的雷達(dá)探測長度125m,探測影像反映:這次雷達(dá)探測深度區(qū)域內(nèi)(0~8.5m),0~3.1m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達(dá)影像波型較亂,并且以窄細(xì)狀同方向軸發(fā)生,局域錯(cuò)斷,推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強(qiáng)風(fēng)化基巖;3.1~5.7m雷達(dá)影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色,推測判斷估測為強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化基巖;5.7~8.5m雷達(dá)影像呈現(xiàn)黑灰顏色點(diǎn)狀,推測判斷估測為弱風(fēng)化—較完整基巖。

3.5其它各截面的勘測成果和地質(zhì)狀況評估

截面5-5′至截面10-10′亦得到了各深度探地雷達(dá)探測影像,因篇幅所限,這里只給出依據(jù)雷達(dá)影像分析所得到的地質(zhì)狀況評估成果。截面5-5′雷達(dá)探測長度130m,探測影像反映:這次雷達(dá)探測深度區(qū)域內(nèi)(0~8.5m),0~2.8m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達(dá)影像波型較亂,并且以窄細(xì)狀同方向軸發(fā)生,局域錯(cuò)斷,推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強(qiáng)風(fēng)化基巖;2.8~5.7m雷達(dá)影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色,推測判斷估測為強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化基巖;5.7~8.5m雷達(dá)影像呈現(xiàn)黑灰顏色點(diǎn)狀,推測判斷估測為弱風(fēng)化—較完整基巖,此中截面樁號(hào)25~65m深度值7.0~8.5m雷達(dá)影像局域呈現(xiàn)點(diǎn)狀紅顏色反射,推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育。截面6-6′雷達(dá)探測長度105m,探測影像反映:這次雷達(dá)探測深度區(qū)域內(nèi)(0~8.5m),0~3.0m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達(dá)影像波型較亂,并且以窄細(xì)狀同方向軸發(fā)生,局域錯(cuò)斷,推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強(qiáng)風(fēng)化基巖;3.0~6.3m雷達(dá)影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色,推測判斷估測為強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化基巖,此中截面樁號(hào)66~73m深度值3.2~5.3m雷達(dá)影像局域呈現(xiàn)點(diǎn)狀紅顏色反射,推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育;5.7~8.5m雷達(dá)影像呈現(xiàn)黑灰顏色點(diǎn)狀,推測判斷估測為弱風(fēng)化—較完整基巖。截面7-7′雷達(dá)探測長度140m,探測影像反映:這次雷達(dá)探測深度區(qū)域內(nèi)(0~8.5m),0~2.7m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達(dá)影像波型較亂,并且以窄細(xì)狀同方向軸發(fā)生,局域錯(cuò)斷,推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強(qiáng)風(fēng)化基巖;2.7~5.6m雷達(dá)影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色,推測判斷估測為強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化基巖;5.6~8.5m雷達(dá)影像呈現(xiàn)黑灰顏色點(diǎn)狀,推測判斷估測為弱風(fēng)化—較完整基巖。截面8-8′雷達(dá)探測長度150m,探測影像反映:這次雷達(dá)探測深度區(qū)域內(nèi)(0~8.5m),0~2.6m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達(dá)影像波型較亂,并且以窄細(xì)狀同方向軸發(fā)生,局域錯(cuò)斷,推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強(qiáng)風(fēng)化基巖;2.6~6.0m雷達(dá)影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色,推測判斷估測為強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化基巖,此中截面樁號(hào)30~45m深度值3.2~7.5m雷達(dá)影像局域呈現(xiàn)點(diǎn)狀紅顏色反射,推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育;6.0~8.5m雷達(dá)影像呈現(xiàn)黑灰顏色點(diǎn)狀,推測判斷估測為弱風(fēng)化—較完整基巖。截面9-9′雷達(dá)探測長度170m,探測影像反映:這次雷達(dá)探測深度區(qū)域內(nèi)(0~8.5m),0~2.7m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達(dá)影像波型較亂,并且以窄細(xì)狀同方向軸發(fā)生,局域錯(cuò)斷,推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強(qiáng)風(fēng)化基巖;2.7~6.3m雷達(dá)影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色,推測判斷估測為強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化基巖;6.3~8.5m雷達(dá)影像呈現(xiàn)黑灰顏色點(diǎn)狀,推測判斷估測為弱風(fēng)化—較完整基巖。截面10-10′雷達(dá)探測長度165m,探測影像反映:這次雷達(dá)探測深度區(qū)域內(nèi)(0~8.5m),0~2.8m區(qū)域內(nèi)同相軸雷達(dá)影像波型較亂,并且以窄細(xì)狀同方向軸發(fā)生,局域錯(cuò)斷,推測判斷估測為含粉土礫石、塌崩體坡積物、含土砂碎石層、強(qiáng)風(fēng)化基巖;2.8~6.3m雷達(dá)影像呈現(xiàn)均勻性黑灰顏色,推測判斷估測為強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化基巖;6.3~8.5m雷達(dá)影像呈現(xiàn)黑灰顏色點(diǎn)狀,推測判斷估測為弱風(fēng)化—較完整基巖,此中截面樁號(hào)20~105m深度值6.4~7.5m雷達(dá)影像局域呈現(xiàn)點(diǎn)狀紅顏色反射,推測判斷估測巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育。

4結(jié)語

測區(qū)的蓋覆層有強(qiáng)風(fēng)化的礫石土及山頂局域的含土砂碎石層,基巖主要為砂巖及泥巖,當(dāng)電磁波穿透蓋覆層時(shí),因?yàn)樯w覆層含土對電磁波的吸收較強(qiáng),使得下部的電磁波較弱,但當(dāng)遇到介質(zhì)分界面時(shí),反射波能量提高,波型振幅變大,導(dǎo)致風(fēng)化帶兩側(cè)存在一定的波阻抗差異,但是在均勻介質(zhì)中卻沒有顯著電磁波反射,波型振幅值較小。測區(qū)各地層在雷達(dá)探測影像上雷達(dá)波(電磁波)有顯著差異。探測成果顯示,在勘察區(qū)8.5m以內(nèi)地層深度區(qū)域內(nèi)分為三大波型影像層:上部推測判斷估測為以第4系松散層為主,主要地層為強(qiáng)風(fēng)化巖體、塌崩體坡積物和含粉土礫石,厚度通常在3.0m左右;中部3.0~6.0m區(qū)域內(nèi)為強(qiáng)風(fēng)化弱風(fēng)化基巖;底部為弱風(fēng)化較完整基巖。

作者:司治 單位:新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院勘測總隊(duì)