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1前言

地質雷達作為近十余年來發展起來的地球物理高新技術方法，以其分辨率高、定位準確、快速經濟、靈活方便、剖面直觀、實時圖象顯示等優點，備受廣大工程技術人員的青睞?，F已成功地應用于巖土工程勘察、工程質量無損檢測、水文地質調查、礦產資源研究、生態環境檢測、城市地下管網普查、文物及考古探測等眾多領域，取得了顯著的探測效果和社會經濟效益，并在工程實踐中不斷完善和提高，必將在工程探測領域發揮著愈來愈重要的作用。而地質雷達技術用于堤防隱患的探測尚屬初步階段，通過廣大物探技術人員的共同努力，達到了解和掌握不同隱患類型在雷達圖像上的反映特征，在不斷總結探測經驗的基礎上，提高異常的判斷能力和精度，較確切地推定堤防工程隱患的性質和位置，以便指導有關管理單位加強堤防工程重點部位的維護和防范，提高和鞏固堤防工程的運行周期和防洪能力。本文以永定河堤防工程護砌質量檢測為實例，說明地質雷達技術在堤防工程探測中的應用情況，以此與同行進行切磋，推動堤防工程探測技術的發展，不妥之處，敬請批評指正。

2基本原理

地質雷達與探空雷達相似，利用高頻電磁波(主頻為數十數百乃至數千兆赫)以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過發射天線(T)向地下發射，當它遇到地下地質體或介質分界面時發生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天線(R)接收，并由主機記錄下來，形成雷達剖面圖。由于電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質的電磁特性及其幾何形態而發生變化。因此，根據接收到的電磁波特征，既波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度、頻率和波形等，通過雷達圖像的處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置或結構特征。

雷達波(電磁波)在界面上的反射和透射遵循Snell定律。實際觀測時，由于發射天線與接收天線的距離很近，所以其電磁場方向通常垂直于入射平面，并近似看作法向入射，反射脈沖信號的強度，與界面的反射系數和穿透介質的衰減系數有關，主要取決于周圍介質與反射目的體的電導率和介電常數，對于以位移電流為主的介質，既大多數巖石介質屬非磁性、非導電介質，常常滿足σ/ωε<<1，于是衰減系數(β)的近似值為：

既衰減系數與電導率(σ)及磁導率(μ)的平方根成正比，與介電常數(ε)的平方根成反比。

而界面的反射系數為：

式中Z為波阻抗，其表達式為：

顯然，電磁波在地層中的波阻抗值取決于地層特性參數和電磁波的頻率。由此可見，電磁波的頻率(ω=2πf)越高，波阻抗越大。

對于雷達波常用頻率范圍(25～1000MHz)，一般認為σ<<ωε,因而反射系數r可簡寫成:

上式表明反射系數r主要取決于上下層介電常數差異。

應用雷達記錄的雙程反射時間可以求得目的層的深度H：

式中:t為目的層雷達波的反射時間；c為雷達波在真空中的傳播速度(0.3m/ns)；εr為目的層以上介質相對介電常數均值。

3工程概況

北京市界內永定河左、右堤防于清朝乾隆年間修筑，后經數次維修和加固形成現有規模，主體為梯形，頂寬約10m，可見堤高約5～6m，堤內坡坡度為1:1.5～1:2.0，外坡相對較緩為1:2.0～1:2.5。

堤身為人工堆積，主要由粉細砂(中下游段)、卵礫石(上游段)組成。介質構成復雜多變，分布不均，且處于包氣帶中，極為干燥。

堤基為第四系全新統地層，巖性以粉細砂為主，下游段出現黑色淤泥質粘土夾層，層厚約0.7～2.0m。

地下水位埋深(自地表計)：盧溝橋附近約20.0m，至下游逐漸變淺，達省/市界附近(石佛寺)一帶約2.0m。

永定河盧溝橋下游至省/市界左、右堤防共劃定險工段12處23段，分布在左堤約60Km和右堤約30Km范圍內，其險工段內坡為漿砌石(厚約40cm——原設計標準)結合鉛絲石籠構成的護砌，并于1964～1989年間營建，漿砌石護坡除可見堤身部分露出外，其余部分與鉛絲石籠水平護底均埋于河灘灘地以下，一般為3.0～5.0m，外鋪8.0m的鉛絲石籠護底。這些險工段在歷史上均有決口或搶險加固的記載。為滿足北京市對永定河防洪設計的需要，保證該堤防渡汛萬無一失，故進行地球物理勘探工作，以檢測堤防工程的護砌質量，便于99年6月份之前進行加固處理。

4測試技術及資料處理

為判斷險工段堤內坡護險漿砌石質量的優劣，沿內坡坡腳布置一條雷達探測剖面，并按其走向連續測試。

外業施測使用瑞典MALA地質儀器有限公司生產的RAMAC/GPR地質雷達系統，天線的中心頻率為250MHz，收發天線的間距為0.6m。實測采用剖面法，且收發天線方向與測線方向平行。記錄點距為0.2m，采樣頻率為3893MHz，單一記錄跡線的采樣點數為512，迭加次數為16，記錄時窗為180ns，若取堤身土體的雷達波速為0.08～0.10m/ns，表層漿砌石的雷達波速為0.10～0.12m/ns，綜合考慮該地層剖面特征，選取雷達波速中值為0.10m/ns，則此時該雷達系統的最小縱向分辨率為8～10cm。

雷達資料的數據處理與地震反射法勘探數據處理基本相同，主要有：①濾波及時頻變換處理；②自動時變增益或控制增益處理；③多次重復測量平均處理；④速度分析及雷達合成處理等，旨在優化數據資料，突出目的體、最大限度地減少外界干擾，為進一步解釋提供清晰可辨的圖像。處理后的雷達剖面圖和地震反射的時間剖面圖相似，可依據該圖進行地質解釋。

5成果分析

地質雷達資料的地質解釋是地質雷達探測的目的。由數據處理后的雷達圖像，全面客觀地分析各種雷達波組的特征(如波形、頻率、強度等)，尤其是反射波的波形及強度特征，通過同相軸的追蹤，確定波組的地質意義，構制地質——地球物理解釋模型，依據剖面解釋獲得整個測區的最終成果圖。

地質雷達資料反映的是地下地層的電磁特性(介電常數及電導率)的分布情況，要把地下介質的電磁特性分布轉化為地質分布，必須把地質、鉆探、地質雷達這三個方面的資料有機結合起來，建立測區的地質——地球物理模型，才能獲得正確的地下地質結構模式。

雷達資料的地質解釋步驟一般為：

⑴反射層拾取

根據勘探孔與雷達圖像的對比分析，建立各種地層的反射波組特征，而識別反射波組的標志為同相性、相似性與波形特征等。

⑵時間剖面的解釋

在充分掌握區域地質資料，了解測區所處的地質結構背景的基礎上，研究重要波組的特征及其相互關系，掌握重要波組的地質結構特征，其中要重點研究特征波的同相軸的變化趨勢。特征波是指強振幅、能長距離連續追蹤、波形穩定的反射波。同時還應分析時間剖面上的常見特殊波(如繞射波和斷面波等)，解釋同相軸不連續帶的原因等。

圖1左堤9+638～9+721護險段坡腳雷達圖像(a)和地質解釋圖(b)

根據上述解釋原則，對雷達圖像進行地質解釋如下：

圖1(a)為左堤9+638～9+721護險段坡腳雷達測試圖像。此圖由淺至深解釋為：①第一同相軸(<4ns)為雷達波初始信號；②第二同相軸和第三同相軸(<12ns，層厚約0.40m)呈現出寬粗、強振幅，且連續可追蹤的水平層狀，該同相軸推測為漿砌石在雷達圖像上的反映。尤其是第三同相軸有時出現不連續段或缺失或雜亂無章時，即可推定此處漿砌石質量差或與堤身土體分離形成架空等現象；③新人工填土：反射層位不連續，起伏變化較大，有時雜亂無章，反映該層填土不均勻，層位不穩定，時有透鏡體的形式展現，該層厚度大約為2～4m；④老人工填土：反射層位連續且穩定，層內介質變化不大，反映出該層填土較均勻，已形成相對密實的地層，該層厚度大約為1～3m；⑤自然地層：即堤基持力層，反射明顯，層位穩定，未見層內介質突變或不均勻的現象，反映出自然地層沉積環境較好，密實度相對較大等，此層頂面埋深大約為4～5m。

圖1(b)為上述地質解釋的剖面圖。

圖2為左堤32+960處護險坡腳雷達圖像，圖中淺部解釋與圖1類似，主要說明的是剖面6.0～12.0m段，自0.4m以下反射層位雜亂，極不規則，連續追蹤性差，出現很多的短小反射層，且漿砌石下部反射也很雜亂無章，說明此段護險下部的土體較松散，與漿砌石形成似離似親，接觸較差。而剖面12.0～15.7m段上下部位反映較均一，水平層狀良好，說明此段堤身土體較密實，與漿砌石接觸良好。

圖3為已知漿砌石下部架空時的圖像，該剖面第三反射同相軸自剖面點9.4m處斷開，形成“背斜”狀的強反射層，此現象延續到剖面點12.8m處，此段漿砌石與下部土體分離導致架空，其范圍與已知情況吻合。

通過雷達測試成果的地質解釋共圈定出73處漿砌石存在不同程度的隱患或質量較差，這些隱患的類型一般為：①漿砌石厚度較??；②漿砌石與下部土體分離形成架空；③漿砌石膠結不良或松散；④漿砌石出現裂縫等不良現象。

護砌整體質量較差的堤段多為年久失修嚴重，漿砌石與下部堤身土體接觸差，多形成架(懸)空狀態，造成護砌斷裂、塌陷等不良現象較普遍，且多具一定規模。而造成上述現象存在的原因，筆者分析后認為漿砌石面存在許多縫隙，且砂漿質量差、少漿，下部又無防滲護層，堤身土體多由粉細砂組成，經降水入滲，粉細砂局部被沖刷淘失，在砌石與堤身土體之間形成空洞，并有繼續擴大發展之趨勢。

該物探成果經開挖驗證(見圖4——開挖照片)，完全符合客觀實際，受到了甲方的贊譽。

6結語

地質雷達以其高效快速、高精度在護險工程探測中能夠發揮重要作用，取得了良好的應用效果，且對淺層或超淺層的工程探測中有著十分廣闊的應用前景，然而地質雷達的探測深度和精度與所采用的天線頻率有很大關系，天線的頻率越低探測深度越大，則精度越低；而天線的頻率越高，探測深度越淺，則精度越高。本次采用中心頻率250MHz的天線進

行探測，其深度和精度均能滿足此次勘察的技術要求。

圖4開挖驗證結果(左堤——照片)

參考文獻

1.劉康和.探地雷達及其應用.水利水電工程設計.P38～39.1998.(4)

2.王興泰主編.工程與環境物探新技術新方法.北京.地質出版社.P178～204.1996.12