地質雷達怎麼來檢測介電常數

1. 地質雷達探測法的原理

[地質雷達] Ground Penetrating Radar(GPR)是探測地下物體的地質雷達的簡稱。 地質雷達利用超高頻電內磁波探測地下介質分布，它的基本容原理是：發射機通過發射天線發射中心頻率為12.5M至1200M、脈沖寬度為0．1 ns的脈沖電磁波訊號。當這一訊號在岩層中遇到探測目標時，會產生一個反射訊號。直達訊號和反射訊號通過接收天線輸入到接收機，放大後由示波器顯示出來。根據示波器有無反射汛號，可以判斷有無被測目標；根據反射訊號到達滯後時間及目標物體平均反射波速,可以大致計算出探測目標的距離。 由於地質雷達的探測是利用超高頻電磁波，使得其探測能力優於例如管線探測儀等使用普通電磁波的探測類儀器，所以地質雷達通常廣泛用於考古、基礎深度確定、冰川、地下水污染、礦產勘探、潛水面、溶洞、地下管纜探測、分層、地下埋設物探察、公路地基和鋪層、鋼筋結構、水泥結構、無損探傷等檢測。

2. CMA裡面增加地質雷達檢測方法確認計劃和檢測方法確認報告應該怎麼寫

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3. 地質雷達探測原理與方法研究的圖書目錄

前言
第1章 導論
1.1 地質雷達特點
1.2 地質雷達發展歷史
1.3 地質雷達的應用
1.4 本書的內容安排
參考文獻
第2章 岩土介質電磁波傳播原理
2.1 岩土介質的主要電性參數(電導率、磁導率與介電常數)
2.2 岩土主要介質的電磁性質
2.3 電磁場基本理論
2.4 電磁波在岩土介質中的傳播
2.5 結構介質中電磁波的反射與折射
2.6 導體中的電磁波及表面的反射特徵
2.7 介質的電磁性質及高頻雷達波在分層有耗介質中的傳播機制
參考文獻
第3章 地質雷達採集系統
3.1 地質雷達硬體系統結構
3.2 地質雷達數據採集基本原理
3.3 地質雷達控制單元系統
3.4 接收及發射子系統
參考文獻
第4章 常用地質雷達設備及數據結構
4.1 地質雷達設備
4.2 常用地質雷達數據結構
參考文獻
第5章 地質雷達資料處理
5.1 資料處理理論基礎
5.2 一維數字濾波處理
5.3 頻譜補償處理
5.4 二維濾波處理
5.5 希爾伯特變換(瞬時變換)
5.6 反卷積運算
5.7 小波變換
5.8 水平預測濾波
5.9 子波相干加強
5.10 背景消除
5.11 道間平衡加強
5.12 自動增益
參考文獻
第6章 地質雷達資料解釋
6.1 地下介質速度計算
6.2 層位厚度識別解釋
6.3 公路路面厚度評測解釋
6.4 病害異常拾取解釋
6.5 鐵路路基病害CAD成圖解釋
6.6 三維解釋
6.7 譜分析解釋
參考文獻
第7章 地質雷達應用
7.1 煤礦應用
7.2 城市管線探測
7.3 公路鐵路隧道檢測
7.4 隧道超前預報
7.5 地質勘察
7.6 鐵路公路路基檢測
7.7 其他應用
參考文獻

4. 地質雷達圖如何識別

一般管線和鋼筋的圖像判讀簡單,是拋物線.而隧道超前預報或隧道襯砌版檢測比較復雜,開始權只能看出異常區域,如果做進一步判讀,可以結合鑽孔或開挖,這樣通過對比,時間長了自然就熟悉了.我是做地質雷達售後服務的,如果需要,我們可以交流,我的郵箱:[email protected]

5. 公路質量檢測

公路質量檢測的原始方法是採用鑽探取心法，該方法不僅效率低、代表性差，而且對公路有破壞。為了快速、准確和科學地評價公路質量，必須採用無損檢測方法。目前，常用於公路檢測的物探方法有地質雷達、瞬態面波法、高密度電阻率法和人工地震等方法。在這些物探方法中，由於地質雷達方法具有快速、連續、無損檢測的特點。因此，在公路質量檢測中得到更加廣泛的應用。

圖5-10 解釋成果示意圖

高速公路是由土基礎、二灰土、二灰碎石、面層等構成，由於空氣、瀝青面層、二灰碎石、土壤等介質的介電常數不同，電磁波將在其介質發生變化的界面產生反射波。圖5-11為電磁波在公路剖面中各界面的傳播、反射途經示意圖。圖5-12為電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖。

圖5-11 電磁波在公路剖面中的傳播

圖5-12 電磁波在公路剖面中各界面的掃描

t₀—電磁波在空氣中的雙程走時；t₁—電磁波在瀝青面層中的雙程走時；t₂—電磁波在二灰碎石中的雙程走時；A₀—反射波R₀的振幅：A₁—反射波R₁的振幅；A₂—反射波R₂的振幅

長春至四平高速公路採用瀝青路面，路面下為碎石墊層。路面分三次鋪設完成，設計路面厚度為25cm。在工程竣工前採用地質雷達進行了路面厚度檢測。

圖5-13 長春至四平高速公路某段路面的地質雷達檢測剖面

工作中使用的地質雷達為SIR-2型，工作天線頻率為900MHz。圖5-13為長春至四平高速公路上某段路面的地質雷達檢測剖面圖，圖中5.8ns附近的強反射為瀝青面層與碎石墊層界面的反射，根據反射界面的雙程走時和電磁波在瀝青路面中的傳播速度計算出路面厚度。瀝青路面的電磁波速度採用實驗標定並進行統計後得到，檢測結果表明，由於二灰石墊層凸凹不平，導致瀝青路面厚度有較大變化，最薄為26cm，最厚為43cm。達到了設計的要求。路面厚度評價按國家公路路面結構層厚度評價標准進行；在經數據處理後的地質雷達剖面中讀取電磁波在面層中的反射波雙程走時，計算出面層厚度並做出厚度評價結果。

地質雷達方法在公路質量檢測中除可進行路面厚度檢測外，還可進行路基隱患（脫空、裂縫等）的檢測以及橋涵的質量檢測。有些學者開展了地質雷達對公路壓實度、強度及含水量的檢測研究。

2.水壩滲漏的地球物理探測

滲漏是水壩常見的隱患，是造成水壩發生事故的主要原因。水壩滲漏可分為壩基滲漏和壩體及附屬結構滲漏。壩基滲漏較為常見。造成水壩滲漏的原因與水壩基礎處理的好壞、壩體施工質量、壩基下方地質構造等因素有關。

自然電位法探測水壩滲漏點和滲漏通道是一種常用的方法。由於水庫具有天然吸附帶電離子的能力，當水庫發生滲漏時，帶電離子也一起運動，形成電流場，在滲漏位置上自然電位出現負異常，其負異常的大小與滲漏水量有關。圖5-14是利用自然電場法確定地下水和地表水補給關系的實例。當地下水補給地表水時，在地面上觀測到自然電位正異常。

圖5-14（a）為灰岩和花崗岩接觸帶上的上升泉的自電正異常；圖5-14（b）為水庫滲漏地點上出現的自然電位負異常。

圖5-14 用自然電位法確定地下水與地表水的補給關系

（a）地下水補給地表水；（b）地表水補給地下水

地質雷達方法用於探測水壩滲漏點和滲漏通道也具有較好的效果。滲漏部位土體的含水量變大，與未發生滲漏的土體形成明顯的介電常數上的差異，為採用地質雷達方法探測水壩滲漏位置提供了地球物理條件。黑龍江省某水壩為均質土壩。1998年遭受百年不遇的洪水後，在水壩後坡出現多處面積不等的漏水點。為了查明漏水點在壩體內的分布情況，採用地質雷達在壩頂、壩前坡和後坡進行了探測。圖5-15為壩頂測線K0+240至k0+400的地質雷達剖面。圖中強振幅異常推斷為壩體內受到水浸較重的部位，異常埋深為10～12m。鑽探結果表明地質雷達推斷的異常區域是發生滲漏的嚴重區段。

圖5-15 黑龍江省某水壩地質雷達探測剖面

6. 探地雷達法

探地雷達法(GPR)，是利用一個天線發射高頻寬頻(1MHz～1GHz)電磁波，另一個天線接收來自地下介質界面的反射波而進行地下介質結構探測的一種電磁法。由於它是從地面向地下發射電磁波來實現探測的，故稱探地雷達。有時亦將其稱作地質雷達。它是近年來在環境、工程探測中發展最快、應用最廣的一種地球物理方法(王惠濂，1996；李大心，1994)。

該方法適用於石灰岩地區採石場的探測；淡水和沙漠地區的探測；工程地質探測；煤礦井探測；泥炭調查；放射性廢棄物處理調查以及地面和鑽孔雷達用於地質構造填圖、水文地質調查、地基和道路下空洞及裂縫調查、埋設物探測、水壩、隧道、堤岸、古墓遺跡探查等。

目前，我國很多單位使用的是從加拿大引進的探地雷達設備。

下列技術特性為探地雷達應用領域的迅速擴展鋪平了道路：①探地雷達是一種非破壞性的地球物理探測技術，可以安全地用於城市和正在建設中的工程現場，對於輕便類的雷達設備，工作場地條件可任意，適應性和抗磁干擾強，可在城市中各種雜訊環境下工作，環境干擾影響小；②具有工程地質勘測方面較滿意的探測深度和解析度，一些設備還能現場提供帶有二維坐標的實時剖面記錄和圖件顯示，圖像清晰直觀；③輕便類儀器系全數字化現場原始數據採集記錄，以通用便攜微機全部控制數字採集、記尋、存儲、處理、顯示和成圖。全電池供電、電耗低。輕便型儀器可自動控制操作，現場僅需1～2人即可工作，工作效率高。當然，由於使用了較高的工作頻率，電磁波能量在地下的衰減加劇，因而在高導、厚覆蓋條件下，探測深度受到限制。與其他物探方法一樣，探地雷達圖像的正確判讀和解釋，始終是探地雷達工作者的一項較重要和復雜的工作。

(一)方法特點

探地雷達法的發射天線與接收天線之間距離很小，甚至可合二為一。當地層傾角不大時，反射波的全部路徑幾乎是垂直地面的。因此，在測線不同位置上法線反射時間的變化就反映了地下地層的構造形態。

探地雷達工作頻率很高，在地下介質中以位移電流為主，並且在ƒ=10⁶～10⁹Hz的頻率段內電磁波傳播實質上很小頻散，可以認為介電常數與頻率無關，傳播速度基本上由介質的介電性質決定。電磁波傳播理論與彈性波的傳播理論有許多類似之處，二者遵循同一形式的波動方程，只是波動方程中變數代表的物理意義不同。雷達波與地震波在運動學上的相似性，可以在資料處理中加以利用。當探地雷達記錄與地震記錄採用相同測量裝置時，在地震資料處理中已經廣泛使用的許多技術，可直接用於探地雷達資料處理。

類似於探空雷達，探地雷達也是利用高頻電磁波束的反射探測目標體。探空雷達發射的高頻電磁波是在無耗介質中傳播，探測距離大；而探地雷達發射的高頻電磁波是在有耗介質中傳播，探測距離受到很大限制。探空雷達探測的目標體一般為金屬物體，目標回波能量大；而探地雷達探測的目標體通常為非金屬物體，與周圍介質差異小，因而目標回波能量小。探空雷達捕捉的是空中高速移動物體，要求能對目標快速跟蹤；探地雷達探測的是地下埋藏的目標體，不需要快速跟蹤技術。探地與探空雷達的上述差異，形成了探地雷達獨特的發射波形與天線設計特點。

1.發射波形調制方式

探地雷達發射波形調制方式主要有調幅波(AM)、調頻連續波(FMCW)、連續波(CW)、脈沖擴展/壓縮波(PEC)。調幅波是脈沖調制載波，載波頻率約幾十兆赫，根據脈沖回波走時，確定目標體深度。其優點是輸出信號能實時顯示，設備可做成攜帶型；缺點是發射波形狀很難控制，對時標的線性要求高。調頻連續波用於探測埋深小於2m、要求測厚精度解析度高的目標體。發射信號根據預先設置的頻率間隔連續掃描。接收信號與發射信號的差頻與目標體深度有關。其優點是解析度高，信噪比高；缺點是儀器體積大，費用高。連續波使用一個或幾個單頻連續波，在一系列發射與接收位置上進行測量，應用全息圖像處理識別目標體。其優點是對天線的頻帶寬度要求低，也不需要高速采樣；缺點是吸收太高時，有效性減小。脈沖擴展/壓縮波使用線性調頻脈沖波，具有短脈沖同樣的頻譜，但相位經過修正，因而在時間上得以擴展。接收信號通過相位匹配可把線性調頻脈沖壓縮成短脈沖。由於能產生圓極化輻射，特別適宜於方向未知的細長目標體的探測，但無法進行實時監測。

2.天線設計

探地雷達天線設計強調天線的脈沖響應，頻帶寬，還要考慮接收-發射天線之間的互耦合以及介質電性與幾何形狀對天線的影響。所以天線必須具有寬頻帶與線性相位響應。

成功應用於探地雷達的天線有四種：振子天線(element atennas)、行波天線(travellingwave atennas)、頻率獨立天線(frequency-independent atennas)、開孔天線(aperture atennas)。

1)振子天線的特點是低方向性、線性極化和有效帶寬，並可用載入方法使頻帶變寬，但隨之使天線的發射效率降低。優點是體積小，可在場地狹窄條件下使用；輻射特徵很容易分析，從而使設計依據充分。

2)行波天線的場強和電流可用一個以上行波表示。在端頭點火的V形天線，稱作喇叭形天線，具有線性相位特徵，短脈沖響應，已在許多探地雷達中應用。

3)頻率獨立天線的形狀完全由螺旋角來決定，其性能與頻率無關。平板對數螺旋天線與雙臂阿基米德螺旋線天線就是這種設計的典型，一般來說，這類天線採用自我阻抗補償，脈沖的頻率響應寬，但相位響應是非線性的，高解析度寬頻雷達系統使用這種天線時，需作相位矯正。

4)開孔天線中最常見的一種為喇叭形天線，它主要用於短距離高解析度的調頻連續波探地雷達。其特點是體積小，天線帶寬可達0.2～2.0 GHz。

(二)探地雷達法的基本原理

探地雷達利用以寬頻短脈沖(脈沖寬為數納秒以至更小)形式的高頻電磁波(主頻十數兆赫至數百以至千兆赫)，通過天線(T)由地面送入地下，經地層或目標體反射後返回地面，然後用另一天線(R)進行接收(圖4-108)。脈沖波旅行時為

普通物探

式中：z為反射波的深度(m)；x為發射天線與接收天線間距離(m)。

圖4-108 反射雷達探測原理

圖4-109 雷達剖面記錄示意圖

當地下介質中的波速 υ(m/ns)為已知時，可根據精確測得的走時t(單位為ns，1ns=10^-9s)，由上式求出反射物的深度z。

波的雙程走時由反射脈沖相對於發射脈沖的延時進行測定。反射脈沖波形由重復間隔發射(重復率20～100kHz)的電路，按采樣定律等間隔採集，疊加後獲得。考慮到高頻波的隨機干擾性質，由地下返回的反射脈沖系列均經過多次疊加(疊加次數從幾十至數千)。這樣，若地面的發射和接收天線沿探測線以等間隔移動時，即可在縱坐標為雙程走時t(ns)、橫坐標為距離x(m)的探地雷達屏幕上繪描出僅僅由反射體的深度所決定的「時-距」波形道的軌跡圖(圖4-109)。與此同時，探地雷達儀即以數字形式記下每一道波形的數據，它們經過數字處理之後，即由儀器繪描成圖或列印輸出。

(三)方法技術

反射脈沖波形明顯程度，是探地雷達圖像地質解釋的重要依據。它決定於發射脈沖波的能量、波在地質界面上的反射特性以及波在地下介質中行進時的衰減條件。發射脈沖的幅度，一般在100～200V或更大范圍，它受高頻窄脈沖電路的限制，反射特性決定於物性界面的波阻抗差別，並以反射系數作描述。對於平面波，反射系數：

普通物探

式中：Z為法向阻抗，由介質的復介電常數、磁導率和入射角(不同極化波具有不同的三角函數形式)決定，下角標指示出波所在介質。可以看出，由於介質具有導電性，反射系數呈復數形式。對於非平面波，此值將在幾何光學條件下仍起主導作用。若考慮位移電流為主，則

普通物探

ε_r為相對介電常數。這樣，對於土壤與花崗岩的交界面，反射系數模值∣R∣≈0.3333(二者的ε_r分別設為20和5)，即反射能量為入射的33.33%；濕灰岩與濕花崗岩(ε_r各為8，7)接觸，則為3.34%。可見介電常數對反射系數的影響十分重要，而含水性則與ε_r值密切相關。

波在有耗介質中的衰減是由於傳導電流的熱損耗和介質極化過程中的附加損耗。除了這些本質原因外，還有波的空間發散損耗和散射損耗。若僅考慮前一原因，以吸收系數α表徵的波衰減特性與介質的理論關系為

普通物探

式中：μ、ε和σ分別為介質的磁導率(=μ₀·μ_r，μ₀=4×10^-7N/A²)、介電常數(=ε₀·ε_r，

F/m)和電導率，ω=2πƒ，為角頻率。對於低導介質：

普通物探

它正比於σ，且與ε_r呈根號反比關系。在一般介質中，α還與ƒ有關，大致是隨ƒ升高而加大。波速(相速)的確定，使探地雷達的雙程時間可轉換為深度。速度：

υ=λ ƒ=ω/β (4-54)

而角波數k的虛部：

普通物探

稱為相位系數。對於低導介質：

普通物探

於是

普通物探

普通物探

式中：ƒ′為以兆赫計的頻率。這樣，空氣、水和灰岩(ε_r分別為1、81、9)三種介質中，對100mHz的頻率，波長分別為3m、0.33m和1m，而υ則分別為0.3m/ns、0.033m/ns和0.1m/ns。

以上表明，角波數(波傳播常數)k(=α+iβ)在探地雷達波傳播中具有十分重要的作用。

可以用雷達方程來綜述波信號在地下介質中的傳遞過程(圖4-110)：

普通物探

式中：P_S為源輸入功率，它與天線效率ξ_T的乘積即為天線發射功率。天線具有設計的方向性圖(圖4-111)，其在入射方向上的方向性增益若為G_T，則抵達目標體時的功率密度為P_S·ξ_T·G_T

，這里已經考慮了輻射功率的球面發散和介質的吸收。目標體的返回功率決定於其散射截面S、返回方向上的散射增益g以及波的發散和吸收。這部分能量抵達接收天線時的值，與其天線效率ξ_R方向性增益G_R及天線有效接收面積A_R(對於偶極天線，它等於λ²/4π)有關。可見，探地雷達儀信號接收的靈敏度在很大程度上決定於天線的性能，它以儀器的動態范圍P_S/P_R(或品質因子Q，對加拿大EKKOIV，此值為155 dB)表徵。儀器性能條件一定的情況下，信號的明顯程度決定於介質的性質。對於有限目標體，決定散射截面的「菲涅爾主值帶半徑」是目標體返回功率的一個重要參數，它可近似地寫為

圖4-110 雷達功率的傳遞過程

圖4-111 電偶極天線位於地表的方向性圖

普通物探

式中：d_F(=2r_F)為菲涅爾主值帶直徑，Z為深度。如果有限目標體的有效反射面直徑大於比值，則可以按幾何光學的反射方法加以處理，並認為探測是有效的。

綜上所述，天線是探地雷達的重要部件，它直接影響著探測質量。探地雷達天線一般採用分離形式，以便於適應現場的不同工作方式。理論上，作為發射或接收，兩天線的結構和性能是相同的。作為感測器，它的性能主要反映在能量空間分布特性、發射和接收效率問題和電路特性等諸方面。天線的傳播空間方向性圖是表徵發射(或接收)能量空間分布的一種特性圖。圖4-111說明了在電偶極天線密合於空氣大地交面上時，向地下及向空中後方的軸線垂直方向剖面上(即測線剖面)的能量分布。電導率和介電常數比空氣大的地下介質的電參數，使電磁波地下能量呈集中向下分布的形態。其最大能量出現在天線軸線兩邊的臨界角方向上(等於sin^-1n，n為折射率；在以位移電流為主的介質中等於

)，而後向發射卻呈極微弱的球狀分布。顯然，這種天線具有較優良的輻射性能。在與地面耦合較佳條件下，可以獲得較高的輻射效率，甚至毋需後向後屏蔽。天線的輻射功率是低於輸入功率的，理論上，天線應在諧振條件下工作，這就要求嚴密設計天線電路和考慮地下介質的耦合問題。電路設計還要充分考慮發射波形的探測特點，即寬頻、窄波、高峰值，少余振等要求，使子波呈陡沿、高分辨和單峰狀，使記錄圖像清晰。

探地雷達圖像由於呈時-距關系形式，因此，類似於地震記錄剖面，畫面的直觀性較強，波形圖面上同一反射脈沖起跳點所構成的「同相軸」可用來勾畫出反向界面。當然，對於有限幾何體的界面，只要返回的能量足夠，圖面的各道記錄上均可追蹤反射脈沖同相軸，這自然就歪曲了目標體的實際幾何形態。圖4-112為點狀反射體的理論計算圖像。圖上畫了六種不同介質波速度條件下的同相軸曲線，可以看出(公式4-49)，點狀體的異常呈雙曲線的一葉形態，其峰頂的橫向和縱向位置即為點體的地面位置和深度。介質速度越小，異常峰尖就越明顯；埋深越大、天線距越大，雙曲線就越平坦。類似於地震剖面，為達到直觀效果，必須對圖像進行偏移歸位校正。圖4-113給出了有限幾何體埋入水中後在水面上的實測圖像，它證實了計算的規律。由圖可見，在有限體的邊、角部位，常因繞射現象而使圖像復雜化。

圖4-112 點狀體雷達計算圖像

υ值：0.23，0.19，0.15，0.11，0.07，0.03m/ns

(a)天線距0m，埋深1m；(b)天線距1m，埋深1m；(c)埋深1m，埋深2m

圖4-113 埋入水中的充氣排球的雷達探測結果

球徑21cm，頂深0.85m，波速0.033m/ns

(四)應用實例

1.劃分花崗岩風化帶

圖4-114為長江三峽宜昌三斗坪壩區用探地雷達劃分花崗岩風化帶的一條實測剖面。它是用50mHz中心頻率脈沖於雨後的探測結果。根據波形特點，雷達圖可以清晰地分辨出表土以下全風化帶、強風化帶、弱風化帶之間的界面，甚至弱風化帶內的子界面以及與微風化帶的交界面也可識別，它們的位置與相對厚度均與鑽探結果吻合甚好。由於未進行高程校正，圖上見到的台階形界面系山坡或表台階陡坎的反映。

圖4-114 宜昌三斗坪長江北岸花崗岩風化帶探測

2.隧道探測

下面列舉廣西天生橋水電站引水隧洞內的雷達探測兩例來說明其效果。圖4-115為某隧洞內側壁方向縱深灰岩溶蝕情況的探測圖。灰岩的溶蝕帶因含水，對高頻電磁波吸收較強而不同於其他部位。圖上左側(0～10號測點)直至24m縱深仍有很強信號，說明，圖中10號測點以右的大部分地段出現的弱信號應與溶蝕吸收有關。在這一地段內，強信號的最深部位僅止於14m，顯然，整個地段均受溶蝕。以10～16號點溶蝕最甚，30～40號點次之，16～30號點最弱。這一現象大致與所觀察到的地質剖面一致(圖下方所附剖面)。10～16號點的溶蝕並不完全始於洞壁，2m以內的淺表仍有強信號，內部的溶蝕強於淺表，並有向兩側擴展之勢，不像地質觀察剖面所描述的那樣向壁外收斂。30～40號點，淺表溶蝕更弱且不均勻，其中35號點附近、8m縱深仍有強信號，表明該處的溶蝕現象應在更深部。同樣，整個這一段的溶蝕也是向深部及兩側擴展的。中部20號點附近雖有較深延的強信號，但與剖面左側部分顯然不同，說明該處應仍屬溶蝕帶。

圖4-115 廣西天生橋隧道內側壁溶蝕帶的探測

圖4-116 為另一隧洞內直徑為10.8m、剛爆破掘進的掌子面上測得的雷達剖面。圖上僅僅見到淺表處的強信號，而2m、3m以下縱深，幾乎沒有信號。根據工區灰岩的雷達探測規律，這一現象顯然不是介質強吸收的反映，而是前方沒有波的反射，淺表強信號實系爆破造成的不均勻松動帶所引起。由此推知，掘進方向前方無溶洞 裂斷等地質隱患存在。這一推斷為繼續掘進的結果所證實。

圖4-116 廣西天生橋掌子面的前方探測

3.公路路面厚度檢測

公路路面厚度檢測是公路無損檢測的主要內容之一。一般簡易路面厚10～20cm，高等級公路路面厚20～30cm，機場跑道路面厚40cm，這就要求公路路面厚度檢測有較高的垂向解析度。路面厚度檢測的誤差＜1cm，要求檢測方法確定厚度精度高。因此應用於公路路面厚度檢測的探地雷達必須具有高解析度與高計厚精度。

為了檢驗探地雷達對公路路面厚度的探測能力。中國地質大學應用美國SIR探地雷達系統在河北廊坊南門外公路3個已知水泥路面厚度(21.3～24.7cm)地段(農機公司、富友商店、福友糧油站)與中國地質大學圖書館前簡易路面(厚8cm)上進行了試測。為了能分辨這種路面厚度，選用500mHz天線與900mHz天線。用10～15ns時窗，每次掃描采樣點數為512個，采樣率Δt=0.0196～0.0292ns，滿足路面厚度分辨精度1cm對采樣率的要求。由於使用單天線測量，為獲得水泥的電磁波速度，須採用統計方法。由υ=2D/t，統計得900mHz下水泥路面的速度υ=0.120m/ns(相關系數0.996)，500mHz水泥路面的速度υ=0.126m/ns(相關系數0.889)。由上述速度分別計算各對照點的測量厚度與實際厚度列於表4-6。

表4-6 各對照點測量厚度與實際厚度對比表

小結

本章主要介紹了直流電阻率法的一些基本概念、基本原理、應用條件、應用范圍、曲線的定性分析、電法勘探的儀器設備、野外工作方法及應用實例。在已經建立起正常電場及異常電場的基礎上，通過異常電場與正常電場的對比，敘述了由於電性不均勻體引起電場畸變的原因，各類電法勘探、各種電極裝置的剖面異常曲線特徵與地質體及地質構造間的關系及影響電法勘探的干擾因素，及電法勘探的新方法、新技術。本章重點是各類電異常的解釋推斷及野外工作方法。

綜合上述內容，目的就是要使學生能看懂物探圖件，並能根據圖中的異常曲線特徵，學會初步的解釋方法。

復習思考題

1.何謂電阻率?寫出表達式及單位。

2.影響岩礦石電阻率的因素是什麼?

3.用哪些物理量來描述地下電流場?

4.如何選擇最佳電極距?

5.為什麼低阻體吸引電流，而高阻體排斥電流?

6.如何測定岩石電阻率?

7.何謂視電阻率?影響視電阻率的因素有哪些?

8.何謂電剖面法?

9.描述中間梯度法在直立高阻或低阻礦脈上的ρ_S曲線特徵。

10.說明聯合剖面法在直立高阻或低阻礦脈上的ρ_s曲線特徵。

11.試述山脊或山谷上聯合剖面ρ_S曲線特徵。

12.影響聯合剖面曲線的因素有哪些?

13.說明中梯、聯剖、四極剖面各適於解決什麼地質問題。

14.如何選擇剖面法的電極距?

15.地表局部不均勻對剖面法有何影響?

16.何謂電阻率測深?闡述其實質。

17.為什麼電測深視電阻率ρ_s曲線繪在雙對數坐標紙上?

18.如地下存在一個三層地電斷面且各層電阻率符合ρ₁＞ρ₂＜ρ₃時曲線有何特點?

19.影響電測深曲線的因素有哪些?

20.敘述應用電測深的有利條件，電測深都能解決哪些地質問題?

21.在金屬礦床上，充電法能解決什麼問題?

22.敘述電子導電型礦床上自然電場產生的原因和條件。

23.某工區ρ=500Ω·m，η=2%，應用聯合剖面裝置，供電電流I=1A，求以下極距時，ΔU₂的大小。

①AO=150m，MN=20m；②AO=300m，MN=20m；③AO=300m，MN=40m

24.何謂激發激化法?應用范圍?

25.在良導傾斜薄脈上聯合剖面裝置視激化率曲線及視電阻率曲線各有何特點?

26.在電阻率法測量中，通常應用對稱四極剖面法追索古河道的走向，而採用聯合剖面法尋找基岩岩溶裂隙帶的位置，為什麼?

27.在岩溶地區尋找地下水時，聯合剖面曲線有何特徵?

28.為什麼說環形電阻率測深法極形圖的長軸表示岩溶裂隙發育的主導方向?

29.何謂激發極化效應、視極化率(η_s)、衰減度(D)、激發比(J)、半衰時(S_t)和偏離度(r)?

30.用充電法測定地下水的流向和流速工作中應注意哪些問題?

31.瞬變電磁測深法的應用范圍?

32.何謂探地雷達法?應用范圍?

7. 地質雷達法測混凝土厚度的方法有哪些

地質雷達法測混凝土厚度的方法如下：
一、現場准備：按有關要求布置縱向測線回位答置及數量（縱向布線位置應在拱頂、左右拱腰、左右邊牆和隧底各布1條），並按一定間距打出里程樁號標記點，該樁號應與隧道開挖施工樁號一致；准備高空作業台車或適於高空作業的天線架子。
二、內業准備：檢查有關零部件是否齊全，准備有關記錄、資料、照明燈具等，室內連機調試看儀器是否工作正常，充電。
三、現場作業：操作人員和儀器均位於作業車上，天線貼在襯砌表面，設置有關儀器參數並調試（時窗長度、濾波器、增益等），隨作業台車一起移動，若實行連續掃描探測，應保持勻速移動，按設置的測線檢測並按設置的里程樁號打標定位。
四、室內資料整理：將所獲圖像資料文件導入軟體後處理，核對文件與記錄有無差錯。
五、信號處理和目標識別：輸入有關相對介電常數或波速，由傳播時間曲線從而檢測出襯砌砼厚度（根據回波圖像在橫向和縱向上的的變化特點和典型特徵、標准圖像進行解譯---包括襯砌厚度、圍岩空洞、鋼拱架、襯砌配筋等）。

8. 地質雷達法在公路質量檢測中的應用

公路質量檢測的原始方法是採用鑽探取心法,該方法不僅效率低、代表性差,而且對公路有破壞,為了快速、准確和科學地評價公路質量,必須採用無損檢測方法。目前,常用於公路檢測的電法勘探方法有地質雷達、高密度電阻率法等方法。在這些電法勘探方法中,由於地質雷達方法具有快速、連續、無損檢測的特點,因此,在公路質量檢測中得到更加廣泛的應用。

圖5-16 西安市地裂縫高密度電阻率法控制ρ_s斷面圖

高速公路是由土基礎、二灰土、二灰碎石、面層等構成,由於空氣、瀝青面層、二灰碎石、土壤等介質的介電常數不同,電磁波將在其介質發生變化的界面產生反射波。圖5-17為電磁波在公路剖面中各界面的傳播、反射途徑示意圖。圖5-18為電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖。

圖5-17 電磁波在公路剖面中各界面的傳播、反射途徑示意圖

長春至四平高速公路採用瀝青路面,路面下為碎石墊層。路面分三次鋪設完成,設計路面厚度為25cm。在工程竣工前採用地質雷達進行了路面厚度檢測。

工作中使用的地質雷達為SIR-2型,工作天線頻率為900 MHz。圖5-19為長春至四平高速公路上某段路面的地質雷達檢測剖面圖,圖中5.8ns附近的強反射為瀝青面層與碎石墊層界面的反射,根據反射界面的雙程走時和電磁波在瀝青路面中的傳播速度計算出路面厚度。瀝青路面的電磁波速度採用實驗標定並進行統計後得到,檢測結果表明,由於二灰碎石墊層凸凹不平,導致瀝青路面厚度有較大變化,最薄為26cm,最厚為43cm,達到了設計的要求。路面厚度評價按國家公路路面結構層厚度評價標准進行；在經數據處理後的地質雷達剖面中讀取電磁波在面層中的反射波雙程走時；計算出面層厚度並做出厚度評價結果。

圖5-18 電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖

t₀—電磁波在空氣中的雙程走時；t₁—電磁波在瀝青面層中的雙程走時；t₂—電磁波在二灰碎石中的雙程走時；A₀—反射波R₀的振幅：A₁—反射波R₁的振幅；A₂—反射波R₂的振幅

圖5-19 長春至四平高速公路某段路面的地質雷達檢測剖面

地質雷達方法在公路質量檢測中除可進行路面厚度檢測外,還可進行路基隱患（脫空、裂縫等）的檢測以及橋涵的質量檢測。有些學者開展了地質雷達對公路壓實度、強度及含水量的檢測研究。

地質雷達方法用於探測水壩滲漏點和滲漏通道也具有較好的效果。滲漏部位土體的含水量變大。與未發生滲漏的土體形成明顯的介電常數上的差異、為採用地質雷達方法探測水壩滲漏位置提供了地球物理條件。黑龍江省某水壩為均質土壩。1998年遭受百年不遇的洪水後,在水壩後坡出現多處面積不等的漏水點。為了查明漏水點在壩體內的分布情況,採用地質雷達在壩頂、壩前坡和後坡進行了探測。圖5-20為壩頂測線K0+280至K0+400的地質雷達剖面,圖中強振幅異常椎斷為壩體內受到水浸較重的部位,異常埋深為10～12m。鑽探結果表明地質雷達推斷的異常區域是發生滲漏的嚴重區段。

圖5-20 黑龍江省某水壩地質雷達探測剖面

9. 地質雷達方法在公路質量檢測中的應用

公路質量檢測的原始方法是採用鑽探取心法，該方法不僅效率低、代表性差，而且對公路有破壞，為了快速、准確和科學地評價公路質量，必須採用無損檢測方法。目前，常用於公路檢測的物探方法有地質雷達、瞬態面波法、高密度電阻率法和人工地震等方法。在這些物探方法中，由於地質雷達方法具有快速、連續、無損檢測的特點。因此，在公路質量檢測中得到更加廣泛的應用。

高速公路是由土基礎、二灰土、二灰碎石、面層等構成，由於空氣、瀝青面層、二灰碎石、土壤等介質的介電常數不同，電磁波將在其介質發生變化的界面產生反射波。圖5－11為電磁波在公路剖面中各界面的傳播、反射途徑示意圖。圖5－12為電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖。

圖5－11 電磁波在公路剖面中的傳播、反射途徑示意圖

環境與工程地球物理勘探

圖5－12 電磁波在公路剖面中各界面的掃描示意圖|t₀—電磁波在空氣中的雙程走時;t₁—電磁波在瀝青面層中的雙程走時;t₂—電磁波在二灰碎石中的雙程走時。A₀—反射波R₀的振幅;A₁—反射波R₁的振幅;A₂—反射波R₂的振幅

長春至四平高速公路採用瀝青路面，路面下為碎石墊層。路面分三次鋪設完成，設計路面厚度為25cm。在工程竣工前採用地質雷達進行了路面厚度檢測。

工作中使用的地質雷達為SIR—2型，工作天線頻率為900MHz。圖5－13為長春至四平高速公路上某段路面的地質雷達檢測剖面圖，圖中5.8ns附近的強反射為瀝青面層與碎石墊層界面的反射，根據反射界面的雙程走時和電磁波在瀝青路面中的傳播速度計算出路面厚度。瀝青路面的電磁波速度採用實驗標定並進行統計後得到，檢測結果表明，由於二灰石墊層凹凸不平，導致瀝青路面厚度有較大變化，最薄為26cm，最厚為43cm。達到了設計的要求。路面厚度評價按國家公路路面結構層厚度評價標准進行;在經數據處理後的地質雷達剖面中讀取電磁波在面層中的反射波雙程走時，計算出面層厚度並作出厚度評價結果。

圖5－13 長春至四平高速公路某段路面的地質雷達檢測剖面圖

地質雷達方法在公路質量檢測中除可進行路面厚度檢測外，還可進行路基隱患(脫空、裂縫等)的檢測以及橋涵的質量檢測。有些學者開展了地質雷達對公路壓實度、強度及含水量的檢測研究。