地质雷达在什么中应用效果差
Ⅰ 地质雷达方法在公路质量检测中的应用
公路质量检测的原始方法是采用钻探取心法,该方法不仅效率低、代表性差,而且对公路有破坏,为了快速、准确和科学地评价公路质量,必须采用无损检测方法。目前,常用于公路检测的物探方法有地质雷达、瞬态面波法、高密度电阻率法和人工地震等方法。在这些物探方法中,由于地质雷达方法具有快速、连续、无损检测的特点。因此,在公路质量检测中得到更加广泛的应用。
高速公路是由土基础、二灰土、二灰碎石、面层等构成,由于空气、沥青面层、二灰碎石、土壤等介质的介电常数不同,电磁波将在其介质发生变化的界面产生反射波。图5-11为电磁波在公路剖面中各界面的传播、反射途径示意图。图5-12为电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图。
图5-11 电磁波在公路剖面中的传播、反射途径示意图
环境与工程地球物理勘探
图5-12 电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图|t0—电磁波在空气中的双程走时;t1—电磁波在沥青面层中的双程走时;t2—电磁波在二灰碎石中的双程走时。A0—反射波R0的振幅;A1—反射波R1的振幅;A2—反射波R2的振幅长春至四平高速公路采用沥青路面,路面下为碎石垫层。路面分三次铺设完成,设计路面厚度为25cm。在工程竣工前采用地质雷达进行了路面厚度检测。
工作中使用的地质雷达为SIR—2型,工作天线频率为900MHz。图5-13为长春至四平高速公路上某段路面的地质雷达检测剖面图,图中5.8ns附近的强反射为沥青面层与碎石垫层界面的反射,根据反射界面的双程走时和电磁波在沥青路面中的传播速度计算出路面厚度。沥青路面的电磁波速度采用实验标定并进行统计后得到,检测结果表明,由于二灰石垫层凹凸不平,导致沥青路面厚度有较大变化,最薄为26cm,最厚为43cm。达到了设计的要求。路面厚度评价按国家公路路面结构层厚度评价标准进行;在经数据处理后的地质雷达剖面中读取电磁波在面层中的反射波双程走时,计算出面层厚度并作出厚度评价结果。
图5-13 长春至四平高速公路某段路面的地质雷达检测剖面图
地质雷达方法在公路质量检测中除可进行路面厚度检测外,还可进行路基隐患(脱空、裂缝等)的检测以及桥涵的质量检测。有些学者开展了地质雷达对公路压实度、强度及含水量的检测研究。
Ⅱ 在地质灾害评价与其他地质调查中的应用
一、地质灾害评价与监测
地质灾害主要指崩塌(含危岩体)、滑坡、泥石流、岩溶、地面塌陷和地裂缝等。灾害的地质评价与监测的目的是为了科学地确定地质体特征、稳定状态和发展趋势,为分析地质灾害发生的危险性,论证地质灾害防治的可行性和比选防治方案,最终确定是否要治理,采取躲避方案或实施防治工程对策提供依据。
地质灾害勘查的任务与内容包括查明地质灾害体的特征及其地质环境以及自然演化过程或人为诱发因素;分析研究地质灾害体的成因机制;勘查地质灾害体的形态、结构和主要作用因素等,并评价其稳定性;预测地质灾害体的发展趋势,评价其危险性;和进行防治工程可行性论证,提出防治工程规划方案。
1.工程建筑场地的岩溶和洞穴的调查
对于机场、公路及大型工程建筑场地,地下洞穴、人防工程严重威胁着地面建筑的安全。由于地下洞穴或人防工程的存在,引起地表塌陷,地面建筑遭受破坏的现象时有发生,这一现象已引起人们的高度重视,如我国北方的一些城市,废弃的人防工程已经成为城市建设的主要地质灾害之一。因此,在工程地质勘查中采用物探方法查明埋藏地下的土洞、人防工程等不良地质现象,对合理地进行地面建筑设计和地基加固是十分必要的。
柳州机场在施工过程中发现有数处大小不一的土洞,为确保机场跑道的安全,在跑道位置进行了探地雷达探测。探测中采用了SIR-10型地质雷达,天线频率为100 MHz。在跑道位置探查出三处洞穴异常。经开挖验证,均发现有较大洞穴。洞穴在雷达图像上的反映呈双曲线形,图5-4-1为土洞的地质雷达图像,开挖验证的实际洞穴如图5-4-2。这一探测结果,排除了机场跑道的隐患。
溶洞是可溶岩的一种常见的地质现象,溶洞的存在对可溶岩区的工程建筑有较大的危害。当岩面覆盖为易被冲蚀的渗透地层,且岩溶与上覆地层存在水力联系时,这种水力联系加速了岩溶发育。当岩溶顶部变薄不能支持上方地层负荷时,就会发生塌落。
图5-4-3为广州花都市某地的开口溶洞的探地雷达图像。该处覆盖层为细颗粒粉砂,有一定渗透性,其下为灰岩。灰岩面附近岩溶发育,在灰岩面的地质雷达图像中可见不规则强反射波。强反射波形成的区域内有一组周期短的弱反射波,其特征与上覆地层反射波特征类似,这表明灰岩中空洞已被上覆地层冲蚀的土体所充填。由于开口溶洞上方土体已遭冲蚀,因此,其反射波形态特征与周围土层的反射波形态特征不同,表明上覆地层已受到扰动。扰动土层与充填溶洞构成了开口溶洞特征。这类溶洞使上覆地层承载力明显降低,容易引起坍塌。
图5-4-1 柳州机场洞穴的雷达图像
图5-4-2 开挖验证的实际洞穴图像
唐山市坐落在断裂活动带和隐伏岩溶区,在自然和人为因素影响下曾多次发生岩溶塌陷、地面变形等地质灾害,给人民生命、财产安全和经济建设带来巨大危害。为了查明第四系覆盖层厚度并确定基岩中溶洞与断层位置。在唐山市第十中学操场,对曾经发生过岩溶塌陷并已作填石处理的地段开展了人工地震勘探。纵波反射观测采用1 m道间距,20 m偏移距,12 次水平叠加;横波反射观测参数采用1m道间距,20m偏移距,6次水平叠加。
图5-4-3 某开口溶洞的地质雷达图像
该区基岩为中厚微晶灰岩夹泥岩,埋深24.2 m。图5-4-4为该测区纵波剖面图,图中,基岩反射波在已知塌陷坑处同相轴缺失,并有错断,反映了断层破碎带的形态。其他部位基岩反射波同相轴连续,是完整基岩的反映。
图5-4-4 唐山市第十中学操场岩溶塌陷地震纵波反射剖面图
2.地裂缝的物探勘查
西安市是地裂缝的多发区,近年来由于频繁的构造运动及大量抽水等作用,地面及地下常出现地裂缝,严重地破坏了地面及地下的各种建筑设施。查明地裂缝的存在与否及地裂缝的位置、埋深、下延深度及其走向延伸,对西安地区的城市规划和建设有重要意义。
为了证实地裂缝是基底断裂构造向上延展活动的成因机制,开展了浅层高分辨率地震勘探,对展布在西安市的十条地裂缝带布置了垂直地裂缝带的地震测线,任务是探查地裂缝带下是否有隐伏的第四纪断层。
观测系统为道间距5 m,最小偏移距220 m。仪器参数为:采样间隔1 ms,记录长度512 ms或1024 ms,低截频率90 Hz。
在第四系平均厚度600 m的地层内,存在可连续追踪的地震反射层有七组,按其反射时间由小到大标记为t1~t7,与钻孔地质剖面对比,七组反射层与地质层位关系如表5-4-1。
表5-4-1 地震反射与地层关系表
地震勘查结果证明,跨越地裂缝带的24条地震剖面,均存在有第四纪断层,断层面南倾,倾角较陡,南侧的上盘下降,北侧的下盘上升,其产状和断层特性与其上部地裂缝具有的正断层式差异沉降特征是一致的,即以地裂缝为界,南侧的上盘土体相对下沉,北侧的下盘土体相对上升(图5-4-5)。
随着反射层t1~t6深度逐渐加深,各反射层所对应的断距逐渐加大,而不是所有反射层的断距都相等。这种现象在所有地震剖面上都存在,它反映了第四纪断裂是基底断裂继承性发展,地裂缝是第四纪断层在地表的出露。
由于地裂缝具有宽度小、埋深变化大和走向延伸较长等特点,因此,高密度电阻率法对地裂缝探测也有较好的效果。西安工程学院采用中间梯度法和高密度电法相结合对西安市地裂缝进行实验研究。图5-4-6是在已知地裂缝上的电探综合剖面图,由图可见,视电阻率高值带不仅反映出地裂缝的位置,而且也反映出其倾向和位错动情况。该处探槽可见地裂缝F1、F2宽度分别为1 cm和2 cm。可见,高密度电阻率法在地裂缝探测中有较高的分辨率。
地质雷达方法对地裂缝的探测也十分有效(图5-4-7)。地层受剪切和张力作用产生裂缝,造成地层某一位置错断。垂直裂缝走向布置地质雷达测量,地裂缝在雷达剖面上表现为同相轴错断,其错断程度与裂缝发育程度有关,若裂痕沿横向发育,裂缝内物质电磁波的吸收,也往往造成此部位反射波同相轴局部缺失,其缺失的范围与裂缝发育范围有关。
图5-4-5 跨越地表地裂缝的反射地震剖面
图5-4-6 地裂缝上的综合勘测剖面图
3.滑坡的监测与调查
在滑坡动态监测中,根据岩土的动力学特征的动态变化与地球物理场变化的相关性研究,可监测滑坡的形成与发展的动态过程,为灾害的预测与防治提供参考资料。
滑坡是由岩石的突然崩塌或岩(土)体滑动造成,地质环境各异,成因各不相同。目前用于调查滑坡范围及随时间变化过程研究的地球物理方法较多,如用重力测量圈定滑坡范围,自然电位监测滑坡动态,地温测量监测与滑坡有关的地下水流动态。放射性、电法、地震、地质雷达测量也是滑坡调查中常用的方法。
图5-4-7 地裂缝上的地质雷达剖面图
此外,目前正在进行研究的有:利用岩石破碎时的声发射与电磁脉冲辐射,采用声波测量与电磁波测量监测滑坡动态;利用微动观测监测滑坡体震动频谱,确定滑坡滑动方向与滑动面蠕变等方法。
图5-4-8 为电法和地震研究滑坡的实例,滑坡体靠近高加索,由砂质粘土组成,下部为泥岩风化壳。电测深结果将斜坡断面分三层,上层为滑体(ρ1=13~29Ω· m),中层为风化泥岩,属滑动面(ρ2=2~4Ω·m),下层是未风化泥岩组成滑床(ρ3=2~12Ω·m)。地震测量结果将滑坡分上、下两层与滑体和滑动带相对应(vP=340~360 m/s),下层与未风化泥岩顶部相符(vP=1360~1400 m/s),速度界面只有一个。在滑坡上部电法和地震的上界面十分吻合,而在滑坡底部速度界面高出电性界面,原因是未风化泥岩上部裂隙度增大造成,这种软弱带有可能产生新的滑坡。
图5-4-8 根据地球物理研究结果综合绘制的电性界面断面图
前苏联成功的采用氡气测量判断坡度的稳定性,圈闭滑坡体并监测滑坡发展的过程。图5-4-9示出莫斯科列宁山滑坡地区氡气测量结果,由图可见,滑动地块中氡的浓度通常高于周围的稳定地段。因此,在不同时间系统进行氡气测量将可监测滑坡从稳定地块向活动地块发展的过程,以及趋向稳定的转变。
4.煤田陷落柱的调查
陷落柱是煤田开采中危害极大的地质灾害之一,它通常是由于基底厚层灰岩中古溶洞的塌陷加上煤层盖层塌落形成的。目前对陷落柱的调查中通常采用的地球物理方法有放射性、电法及人工地震等。
图5-4-9 俄罗斯莫斯科列宁山一个滑坡上氡气测量的结果
放射性方法调查陷落柱的根据是地下水在循环过程中由浅部氧化带溶解的微量铀,到达深部还原带并沉淀在陷落柱的空隙带中,使得铀的含量高于周围的岩石。铀衰变为镭后在还原条件下易溶于水,含镭的地下水沿孔隙向上运移到达氧化带又沉淀在土壤表面形成镭晕,同时铀、镭衰变后形成氡气异常,氡气又衰变为210Po核素,因此,通过氡气测量或210Po测量,可以间接调查陷落柱。通过氡气测量或210Po测量,可以间接调查陷落柱。一般来讲,210Po法在陷落柱上方的剖面曲线特征为马鞍形,即陷落柱边缘上异常曲线出现高峰值,而在陷落柱的中间210Po值较低,但仍然高出正常值。
河北大油村煤矿陷落柱调查以210Po测量为主,配合电测深、甚低频电磁法、伽马测量等地球物理方法,取得较好结果。矿区第四纪地层厚80~120 m,其中河卵石厚30~50 m,下部为二叠纪砂岩、粉砂岩、泥岩互层及煤层,矿区已发现两个陷落柱,其中DX-1已由巷道控制,DX-2刚开始揭露。210Po测量结果如图5-4-10所示,210Po脉冲数为60的异常值圈定的结果与已知陷落柱的范围相符,并圈出新的异常区DX-2的范围。
5.采空区的调查
采空区是由人类活动引起的地质灾害之一,它对地面建筑和人身安全带来严重隐患。为了研究对采空区的有效探测方法技术,近年来,煤炭科学研究总院和其他一些科研部门对此进行了大量的研究工作。研究成果表明,采用地震勘探、高密度电法、瞬变电磁、地质雷达、钻孔弹性波CT、α卡法测量法等物探方法对探测采空区都具有一定的效果。由于每一种物探方法的应用都受到探测深度、地形地貌和岩土特征的影响,因此,各种方法都有其适应范围,在实际应用中,应根据具体的地质情况和方法的有效性实验后选择适用的物探方法。
图5-4-10 大油村煤矿210Po异常平面图
高密度电阻率法和地质雷达对埋藏较浅的采空区具有较好的探测效果。石—太高速公路山西平定境内遇有矾土采空区,由于工程治理的需要,在施工前需查明采空区的空间分布和规模。探测区段上部为第四系覆盖层,以粘土为主,电阻率为20~30Ω·m,厚度为0~10 m不等。底部为石炭系地层,以粉砂岩和泥岩为主,电阻率为50~100Ω·m,厚度较大。采空区由于坍塌、充填物松散、潮湿或充水,电阻率与围岩相比差异较大,呈低阻特征。其中3号采空区由于采用旁柱式开采,截面积较大,其坍塌也更严重,埋深大约为20 m。
由于地形地表条件复杂,在高密度探测中采用了非正规测网,在120 m×100 m2,的范围内共布设12条测线。点距2 m,极距a=(1~16)·x。图5 4 11为3号采空区Ⅱ、Ⅲ测线的高密度测量结果图。由图可见,除地表局部地形和电性不均匀体形成的向上开口的“V”字型干扰异常外,在其深部(39点下方)有一低阻闭合圈异常,范围较大,相应埋深也较大,与正常背景电阻率相差仅10Ω· m,在相邻测线上连续出现类似异常,深度变化不大,该低阻异常由采空区形成,异常下方为采空区位置。
图5-4-11 3号采空区Ⅰ、Ⅲ测线的高密度测量结果
地震勘探是采空区探测中应用广泛的方法之一。由于采空区的存在,采空区周围的应力平衡受到破坏,产生局部的应力集中,采空区围岩在上覆岩层压力作用下,经过一段时间后发生变形、破碎、位移和塌落,这使得采空区地震波的特征与未开采区围岩地震波的特征相比发生较大的差异。图5-4-12为徐州某煤矿煤层采空区实测地震剖面图。
图5-4-12 徐州某煤矿煤层采空区实测地震剖面图
图中可见,在采空区上地震剖面通常有如下特征:反射波速度明显降低;反射波(组)突然中断,跨过采空区后又重新出现;反射波的波形发生紊乱。
α卡法探测采空区是通过测量地表氡射气含量大小,区分出地质异常及其异常性质。实验研究表明,地表氡射气含量与地下构造有着密切关系,岩层的裂隙、断层破碎带、岩石风化带和松散带是氡气向地表运移的良好通道,这为氡射气探测地质问题提供了地球物理条件。在老窖采空区大都存在着一定程度的塌陷冒落和裂隙,采空区上方至地表将会形成裂隙发育带和松散带,成为氡气上移的通道,通道上方将出现α粒子强度的明显异常,依此可推断采空区的位置及范围。图5-4-13为徐州某煤矿煤层采空区区段土氡射气探测剖面图,强异常出现在采空区上方。
图5-4-13 徐州某煤层采空区区段土氡探测剖面图
6.地震预报中的地球物理方法
地震频繁发生的地区一般是地壳的薄弱带和活动带。深大断裂是幔源物质上侵和地球脱气的主要通道,是地震活动的发源地。地震活动又派生出新的构造运动,构造运动产生的裂隙带是气体上移的通道。利用地表自由逸出的气体溶解于水中及吸附于土壤中气体的浓度变化来监测预报地震,是当前国内外广泛采用的地震预报方法。研究证实,地震前后由于地应力的变化,可引起地下水中化学成分的变化,特别是水中气体成分对地应力的反应十分灵敏。因此,水中气体成分的变化可作为地震发生过程的重要标志,其中汞是对地震前兆响应最为灵敏的有效指标。
1985年11月21日,北京西郊妙峰山发生4.1级地震,震中距北京火车站汞监测井40 km;同年11月30日河北巨鹿发生5.1级地震,震中距汞监测井125 km。据北京火车站观测井的水汞含量观测,水中汞浓度有明显变化,正常情况下,水中汞的平均值为14 ng/L。妙峰山地震临震前汞浓度达到629.3 ng/L,为平均值的42倍(图5-4-14)。
图5-4-14 京西妙峰山、巨鹿地震前后北京火车站观测井水中汞量变化曲线
由于大地震的发生大多与断层活动有关,而活动断层是地表与地壳深部联系的通道,在活动断层附近,通过土壤中氡和水中氡测量,可以从地表直接获得深部构造活动的信息。在山东菏泽,1987年发生7.0级地震,据刘西林和华爱军1984年进行的8条剖面氡测量结果,认为1987年的7.0级地震和1983年的5.9级地震是北西向定陶—成武断裂和北东向的解元集—小留集断裂的共轭断裂发震,并确定了其产状和活动程度。
二、在考古研究中的应用
地球物理方法在考古中发挥着重要的作用。通过地面高精度磁测对古遗址分布区内与回填土的磁性差异的探测,可了解遗址的位置、边界形态及铁磁性器物的赋存特征;通过电阻率法、激发极化法、自然电场法、地质雷达等手段了解不同岩土层及各种金属器物和介质的电性差异;通过地震反射波和地震面波方法探测古墓与周围介质的弹性差异,探索陵墓地宫的结构和深度的边界及埋深;利用放射性勘测技术及天然气态放射性元素氡浓度变化的测量,来了解某些陵墓区或古建筑遗址地下结构的分布。物探方法用于考古工作,可实现对古文化的无损探测,提高了考古发掘的准确度。例如中科院地球物理所采用地震面波、高精度磁测、大地电场岩性探测和地球化学测汞对三峡库区故陵楚墓的探测,准确地确定出故陵楚墓的位置和分布形态,证实了所推测的古墓的存在,为三峡库区文物抢救保护解决了重要的难题。
1.高精度磁测在考古中的应用
地面高精度磁测是对古墓、古文化的分布探测中最主要的地球物理方法之一。古遗存或古人类化石本身及所处地层的磁性、磁化率、磁化率各向异性、剩余磁化强度等与周围环境存在的磁性差异是磁测考古的基础。经有关学者研究得出如下结论:被火烧过的泥土制品、土壤、石头等可获得较强的磁性;有机质的腐烂使土壤获得较高的磁性;人为翻动过的土壤或夯土、与周围天然的沉积物之间有明显的磁性差异;表5-4-2给出了不同考古材料的磁性参数。
表5-4-2 不同考古材料的磁性参数(据中国地质大学阎桂林)
考古对象的空间规模一般较小,形态复杂,埋深不一。考古对象与周围物质间虽有一定的磁性差别,但磁性还是较弱,再加上人文干扰,所以,考古对象产生的磁异常,其特点是范围小,强度低,梯度变化大,形态多样,有时干扰严重。因而,在考古调查中必须采用高精度的质子磁力仪或光泵磁力仪。
地面磁测时测网的比例尺一般为1∶100~1∶200。仪器探头距地面高度可为1 m至0.1 m。除观测磁场强度ΔT外,还可观测磁场的垂直梯度变化ΔTZ。河南新郑某古墓的调查是磁法考古探测的成功实例之一。
该测区位于一战国至汉代古墓葬区内,黄土覆盖,土质均匀,地形平坦。墓葬区已经初步钻探普查,磁力调查是作为详查和核实。采用两台MP 4 型质子磁力仪,一台用于地磁日变观测。仪器探头距地面高0.5 m。测网比例尺1∶200,线距2 m,点测1 m。观测结果见图5-4-15。由ΔT平面等值线图可见,在已知墓葬A、B、C及大型陪葬坑上显示出一定强度和轮廓明显的磁异常。有些异常还勾绘出墓葬的形态及细节。如A异常清楚显示该墓有一较长的南北向墓道,墓室南侧有两个小耳室。A墓引起的磁异常为20 nT左右。据其形态,考古工作者判定为汉代“甲”字型砖墓。B异常形态表明该墓为典型的“刀”字型砖墓。图中黑粗线轮廓是根据磁异常推断的结果。C异常较弱,对其墓的形态轮廓显示不清楚,这表明该墓为一土坑墓,非砖结构。E、D异常反映的是两个新发现的墓葬,没有原始资料。陪葬坑的磁异常南、北部分有较大的区别,它表明坑内较多的陶器物品主要堆放在坑的南半部。该区这些异常推断的遗存埋深为地下1~2m。实际钻探资料证实了磁测结果的分析。
图5-4-15 河南新郑战国至汉代某古墓的磁异常等值线图
2.电法在考古中的应用
电法也是考古工作中常采用的地球物理方法。一般古墓多埋藏于第四系松散地层中,古墓上下及周围应有厚度不等的青膏泥(粘土)填充,构成一个以厚层粘土包裹着的“古墓体”,此外,墓室有可能有地下水渗入。这就使得古墓与周围地层存在一定的磁性与电性差异,为采用电法探测古墓提供了地球物理条件。
图5-4-16是河南省某古墓地面磁测剖面平面图。图中各测线在22~26点和30~36点形成了两个近EW向的条带状正异常(ΔZmax=53 nT),其间有一下降近20 nT的鞍部,其南、北、东三面均为负异常。结合地面情况推断两条正异常的鞍部为古墓位置,而南、北、东三面负异常为高差近20 m的人工开挖陡壁引起。
图5-4-17是0号 剖面等视电阻率断面图。由图可见,0线在三角点往西有ρs小于8Ω·m的极小值区,其他测线也有同样反映。极小值出现在AB/2=40~100 m之间,以AB/2=65 m为中心部位。图5-4-18是AB/2=65 m的等ρs平面图。由该图反映出ρs小于8Ω·m的极小值范围为坐标原点往西11.2 m,坐标原点往南9.8 m。该范围内ρs值均在7.2~7.65Ω· m内,且范围外 ρs变化梯度较大。由此推断 ρs小于8Ω·m的范围为主墓葬的位置。本区电测深曲线类型以H型为主,按电性可分为三层:第一层为覆盖层,第二层为“古墓体”,第三层为“古墓体”底板。由电测深曲线解释得主墓顶部埋深为6.9 m,底板埋深为21 m。经挖掘验证,基本与物探探测结果相符。
图5-4-16 河南省某古墓磁测剖面平面图
图5-4-17 0线等ρs断面图
图5-4-18 等ρs平面图
3.地质雷达在古遗址探测中的应用
由于古遗址体与周围介质在相对介电常数上存在有差异,为地质雷达方法探测古遗址提供了地球物理条件。对于埋深较浅的古遗址,采用地质雷达方法具有较好的探测效果。湖北大冶铜录山古铜矿遗址是我国西周末期与春秋战国时期的采矿遗址,该铜矿目前仍在开采,为了协调矿山开采与古铜矿遗址保护之间的关系,应用地质雷达探测了铜矿遗址的规模及其分布,取得了令人满意的探测结果。
古铜矿遗址(称老窿区)都形成于接触破碎带中相当于矿体的氧化次生富集带中,鉴于当时开采的对象为高品位铜,因此老窿区发育地段首先要具备一定数量高品位铜矿可开采,二是当时用人力与较原始的工具挖掘,开采矿石的层位应该比较松软,老窿区对应的是接触破碎带经强烈风化区,古矿坑内都有回填土充填,回填土与原状土的差异明显。因此调查中老窿区的探地雷达图像应有如下特征:①由于地层风化是逐渐加深,因此原状土风化层应为一组均匀密集的窄反射波,同时地层风化进程是同步的,因此这些反射波的同相轴平整且可横向追踪;②老窿区现由回填土充填,而回填土与原状土差异增大,并且老窿区应处在矿石高品位地段,虽然铜已被开采,但铁矿石仍保留,因此反射信号强度大;③原状大理岩或矽卡岩由于物性相对均匀,因此反射界面相对较少,基本无明显的反射信号。
图5-4-19 老窿区的探地雷达图像
图5-4-20 地质雷达与勘探结果对照图
图5-4-19为老窿区的地质雷达图像。由图可见原状土为密集的窄反射波,而老窿区中的回填土为强反射波,横向变化大且同相轴难以追踪,原状土与回填土两者差异明显。根据雷达剖面图像我们构筑了3个高程的老窿投影与勘探解释进行对照。图5-4-20为Ⅲ号遗址老窿投影的地质雷达与勘探结果对照图。(a)是勘探结果,(b)是地质雷达解释结果。由图可见标高+53 m与+48 m老窿投影的地质雷达解释结果与勘探结果基本一致,但标高+43 m的老窿区投影与雷达解释结果有较大差异,这是因为在无钻孔区地质人员往往采用外推法解释。而这种解释在不规则的老窿区会产生较大的误差。
杭州雷峰塔始建于公元972年,于1924年倒塌,为了重建雷峰塔,浙江省考古所进行考古挖掘工作,为了确定雷峰塔是否存在有地宫,祝炜平等人开展了地质雷达方法探测工作,根据探测结果,明确了雷峰塔地宫的存在,提供了地宫的大致位置,为雷峰塔地宫的考古挖掘起到了指导作用。雷峰塔地宫探测中使用的地质雷达是瑞典玛拉公司生产的RAMAC/GPR地质雷达,选用的工作天线的中心频率为250 MHZ,在遗址上布置了四条呈“丰”字形地质雷达测线,测线间距为1.5 m,测点间距为0.03~0.05 m,采用剖面法测量。
图5-4-21为雷峰塔塔基内的一条地质雷达探测剖面图,横坐标为1.0~2.8 m,纵坐标1.3~2.6 m处雷达波同相轴错断,横坐标1.5~2.4 m,纵坐标2.6 m处有一双曲线型拱起的反射波同相轴,塔基中心位置的雷达波图像与周围介质的雷达波图像的差异明显,因此,双曲线型拱起异常应为地宫引起。地宫存在的范围,测线1.0~2.8 m,埋藏深度1.3~3.1 m。考古挖掘表明,地质雷达探测的结果是准确的,水平位置1.0~2.8 m,纵向深度1.3~2.6 m处雷达波异常反射由夯土层引起,地宫大小为0.9×0.9 m,高0.5 m。图5-4-22为地宫挖掘后绘制的地质剖面图。
图5-4-21 塔基内一条雷达探测剖面图
图5-4-22 地宫挖掘后绘制的地质剖面图
Ⅲ 想了解一下地质雷达在工程勘察工作中的用途
地质勘探、路基病害、层级检测、隧道超前预报、沥青层分析等等。路面路基大坝铁路都可以。我们做美国和俄罗斯的
Ⅳ 在工程地质调查中的应用
一、在水利工程中的应用
水利工程有堤坝、堤岸、渠道、输水洞等。地球物理方法在水利工程中的应用,一方面用于工程场地的选址勘查,查明被选区域的岩溶发育情况、覆盖层厚度、风化层厚度以及地质构造等情况,对拟建工程场址的稳定性和建筑适宜性作出评价;另一方面用于水利工程的质量隐患检测,查明坝体是否存在有裂缝、空洞、动物巢穴、管涌等工程质量隐患,为水利工程的消险加固提供依据。目前,常用于水利工程隐患检测的物探方法有地质雷达、自然电位法、高密度电阻率法、人工地震勘探以及声波测试等方法。
1.探测堤坝蚁巢与洞穴
土体堤坝中因碾压不实、库水浸透或动物危害等因素,在坝体中常出现土洞、动物巢穴等危害坝体安全的隐患。在我国南方各省(区)水利工程中白蚁巢穴是一种常见的隐患,白蚁主巢直径一般在40~60 cm,大者可达数米,主巢周围分布着几十个甚至数百个卫星菌圃,其间由四通八达的蚁道沟通,且有的贯穿堤坝的内处坡。因此,深藏于堤坝中的白蚁危害造成的堤坝险情和溃堤率远高于其他原因,找出堤坝白蚁巢是消除堤坝白蚁隐患的关键。地质雷达和高密度电法是对坝体中的土洞、动物巢穴探测的有效方法。图5-1-1是埋深约3m的白蚁主巢的地质雷达图像,白蚁巢在图像上的反射波形态特征为多重强弱交错的凸形条纹区,与周围土壤有明显的分界。
图5-1-1 某堤坝白蚁巢穴的地质雷达图像
2.水坝渗漏的地球物理探测
渗漏是水坝常见的隐患,是造成水坝发生事故的主要原因。水坝渗漏可分为坝基渗漏和坝体及附属结构渗漏,坝基渗漏较为常见。造成水坝渗漏的原因与水坝基础处理的好坏、坝体施工质量、坝基下方地质构造等因素有关。
自然电位法探测水坝渗漏点和渗漏通道是一程常用的方法。由于库水具有天然吸附带电离子的能力,当水库发生渗漏时,带电离子也一起运动,形成电流场,在渗漏位置上自然电位出现负异常,其负异常的大小与渗漏水量有关。图5-1-2是利用自然电场法确定地下水和地表水补给关系的实例。当地下水补给地表水时,在地面上观测到自然电位正异常。图5-1-2(a)为灰岩和花岗岩接触带上的上升泉的自电正异常;图5-1-2(b)为水库渗漏地点上出现的自然电位负异常。
图5-1-2 用自然电位法确定地下水与地表水的补给关系
地质雷达方法用于探测水坝渗漏点和渗漏通道也具有较好的效果。渗漏部位土体的含水量变大,与未发生渗漏的土体形成明显的介电常数上的差异,为采用地质雷达方法探测水坝渗漏位置提供了地球物理条件。黑龙江省某水坝为均质土坝,1998年遭受百年不遇的洪水后,在水坝后坡出现多处面积不等的漏水点。为了查明漏水点在坝体内的分布情况,采用地质雷达在坝顶、坝前坡和后坡进行了探测。图5-1-3为坝顶测线K0+240—K0+400的地质雷达剖面。图中强振幅异常推断为坝体内受到水浸较重的部位,异常埋深为10~12 m。钻探结果表明地质雷达推断的异常区域是发生渗漏的严重区段。
图5-1-3 黑龙江省某水坝地质雷达探测剖
3.坝基帷幕灌浆效果检测
对病险水库的维护处理一般采用帷幕灌浆等方法,灌浆效果的好坏需要采用物探方法检查。某电站大坝岩基帷幕灌浆前后进行超声波探测,图5-1-4是质量检查孔在灌浆前、后的超声波检测曲线,图中可见,在检查孔中上部,灌浆前和灌浆后的波速值差异非常明显,灌浆前岩体的裂隙率高,波速较低;灌浆后岩体裂隙被水泥浆填充,且粘结牢固,波速明显升高。在检查孔的下部,灌浆前和灌浆后波速差异微小,波速较高,这说明岩体本身比较完整,渗透性小。
图5-1-4 质量检查孔灌浆前后声波检测结果
地质雷达对水坝帷幕灌浆质量检测也有较好的探测效果,根据地质雷达图像上灌浆物的影像可计算出有效灌浆深度和水泥浆扩散半径。根据坝体土体和基岩处的强反射弧形影像,可判别已被灌浆物充填的溶洞的大小、形态和深度以及未被灌浆物充填的溶洞、土洞等隐患。
4.古河道的地球物理勘查
古河道常引起大量渗漏,在水库建坝时需对坝基下古河道的地质情况进行详细勘查,了解古河道的分布范围,埋深以及砂砾石厚度等。探测古河道常用的物探方法是电测深法、自然电位法、地震勘探和地质雷达等方法。
图5-1-5 用对称四极剖面法追索古河道的ρs剖面平面图
图5-1-6 横穿古河道的对称四极剖面ρs曲线
图5-1-5和图5-1-6为对称四极剖面法探测和追索古河道的实例。由图5-1-5中各对称四极剖面特征可以看出,在低阻背景上有一高阻异常带。该高阻异常带推断为古河道的反映,该河道由一条主流和一条支流组成。此外,利用ρs曲线特征可大致确定出古河道的形态、中心位置和宽度。若ρs曲线具有对称性,ρs曲线极大值对应于古河床最深的中心位置。若ρs曲线不对称,可根据曲线两翼陡缓推断古河道两岸坡度的大小(图5-1-6),其视宽度可由ρs曲线的拐点位置大致确定。通过等ρs断面图上的等值线形状可反映出古河道的断面形态。由图5-1-7可见,在371号点附近ρs等值线呈高阻闭合圈。结合当地的水文地质条件,推断该异常为一浅层古河道引起。经ZK8、ZK10、ZK11孔验证,证实了古河道的存在,ZK11打到了富含地下水的砂砾石层。
图5-1-7 云南某地寻找浅层砂砾石富水地段(古河道)成果图
图5-1-8为地震横波法探测古河道的实例剖面图。根据钻探资料推测该区域一带有一条古河道,河道埋深为20~30 m,为了查明古河道的位置,采用横波地震勘探。图中可见,40 ms左右的同相轴为第四系地层内部的反射,同相轴连续性好、起伏小;140~220 ms为古河道及两岸附近地层的反射,同相轴连续性好、起伏较大,其形态特征反映了古河道的形态,河道埋深为28 m左右,视宽度约为130 m。
图5-1-8 横波t0时间剖面
二、在交通建设和维护中的应用
1.公路质量检测
公路质量检测的原始方法是采用钻探取心法,该方法不仅效率低、代表性差,而且对公路有破坏。为了快速、准确和科学地评价公路质量,必须采用无损检测方法。目前,常用于公路检测的物探方法有地质雷达、瞬态面波法、高密度电阻率法和人工地震等方法。在这些物探方法中,由于地质雷达方法具有快速、连续、无损检测的特点。因此,在公路质量检测中得到更加广泛的应用。
图5-1-9 电磁波在公路剖面中的传播
高速公路是由土基础、二灰土、二灰碎石、面层等构成,由于空气、沥青面层、二灰碎石、土壤等介质的介电常数不同,电磁波将在其介质发生变化的界面产生反射波。图5-1-9为电磁波在公路剖面中各界面的传播、反射途经示意图。图5-1-10为电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图。
图5-1-10 电磁波在公路剖面中各界面的扫描
长春至四平高速公路采用沥青路面,路面下为碎石垫层。路面分三次铺设完成,设计路面厚度为25 cm。在工程竣工前采用地质雷达进行了路面厚度检测。
工作中使用的地质雷达为SIR-2型,工作天线频率为900 MHz。图5-1-11为长春至四平高速公路上某段路面的地质雷达检测剖面图,图中5.8 ns附近的强反射为沥青面层与碎石垫层界面的反射,根据反射界面的双程走时和电磁波在沥青路面中的传播速度计算出路面厚度。沥青路面的电磁波速度采用实验标定并进行统计后得到。检测结果表明,由于二灰石垫层凸凹不平,导致沥青路面厚度有较大变化,最薄为26 cm,最厚为43 cm。达到了设计的要求。路面厚度评价按国家公路路面结构层厚度评价标准进行。在经数据处理后的地质雷达剖面中读取电磁波在面层中的反射波双程走时,计算出面层厚度并作出厚度评价结果。
地质雷达方法在公路质量检测中除可进行路面厚度检测外,还可进行路基隐患(脱空、裂缝等)的检测以及桥涵的质量检测。有些学者开展了地质雷达对公路压实度、强度及含水量的检测研究,也取得了较好的检测效果。
图5-1-11 长春至四平高速公路某段路面的地质雷达检测剖面
2.铁路路基病害勘查
铁路路基病害一般指铁路路基平台顶部结构不坚实而且渗水,以及原填充物的不均匀性,经长期雨水冲刷和渗透,行车振动等所形成的一定规模的充坑,洞穴或渣石填充物。路基病害比较隐蔽,一旦受到外界因素影响造成塌陷,将直接威胁行车安全,因此,铁路病害的勘查十分重要。
路基勘查中,由于受到电磁干扰、铁轨干扰及行车震动干扰的影响,限制了一些地球物理方法的应用。因此,目前常用于对铁路病害检测的物探方法是微重力测量。
由于路基的病害地段和完整地段有一定的密度差异,为微重力测量提供了前提。图5-1-12是法国波尔多至塞特铁路线上路堤下喀斯特溶洞的微重力异常等值线图,测量位置位于铁路线巴尔萨克处,勘查对象是5 m高的路堤和路基部。图中可见,在该带中部有一处密度较大的地段(异常达3×10-1g.u.),这是一处过去曾进行过灌浆处理的地段。在过去处理时,由于突然塌陷,未能进行专门研究。在地段两端出现-2×10-1~-6×10-1g.u.两处异常,位于边坡基部并向路基底下延伸。经对异常的解释和钻探验证,证实在路基下3~6 m深处的灰岩中存在喀斯特溶洞。
图5-1-12 波尔多至塞特铁路线上路堤下喀斯特溶洞的测定和处理
铁路路基多是用耕土堆垫压实而成,如果出现路基病害,必将引起电性差异。路基位于地面以上(或潜水面以上),所以无论是洞穴或渣石充填物都可使勘探体积所涉及范围内的视电阻率增大,由此对称四极剖面会出现高阻异常。路基病害越严重,规模越大,高阻异常越明显。例如,图5-1-13是陇海路某段采用对称四极剖面法实测曲线,采用AB=7 m,MN=1 m装置,由图可见,全线有三种病害形式:①较大洞穴或渣石填充物的严重病害段,视电阻率曲线值很高;②病害较重段,视电阻率曲线呈高低交错;③轻度病害段,视电阻率较高,视电阻率曲线呈高低交错。病害严重段的影响可至路基外侧钢轨下,是亟需处理部位。轻度病害段,短期内不会形成大的病害,可作为今后雨季的防范对象。
根据物探测量和钻孔所提供的资料,可以确定出需要灌浆地带,得出最佳的工程计划。灌浆处理后,除打钻检查外,还可以进行微重力测量,以圈出灌浆不足或灌浆过量的地层。图5-1-14是在一已知灌浆地带,对灌浆后地层的重力异常变化,与计算机根据模型(用灌浆前的钻孔资料制作的地质模型)计算出来的理论异常曲线对比图5-1-14(a),可以看出,该地带的右半部灌注未超出预计范围,也未出现重力异常。在模型左半部出现剩余异常,表明灌浆不足。图5-1-14(b)是灌浆容量对比图,图5-1-14(c)是地质模型(沿Ⅰ号测线的剖面)。
图5-1-13 路基勘查剖面图(选段)
图5-1-14 巴黎—斯特拉斯堡铁路线上瓦朗吉维尔处
近年来,使用瞬态面波进行铁路路基承载力的检测也取得了较好的结果,为路基病害的确定和治理提供了可靠数据。
利用瞬态瑞雷面波法测试线路路基承载力时,由于受到行车影响,在测线布置时只能在枕轨外侧或路肩上进行。由于瑞雷面波是一个体波,具有体积勘探的特点,因此可代表路基道心的实际情况。瞬态面波数据采集时使用面波仪和低频检波器测量。震源采用18磅大锤和铁板。道间距随着勘探深度的增大而相应增大。数据处理主要是求取频率—速度频散曲线,对频散曲线经过反演拟合并结合路基的实际情况进行分层,计算出各层厚度及瑞雷波的层速度。通过频散曲线上vR数值的大小可以定性地判断测点处瑞雷波速度随深度的变化情况和路基的相对强度特征,vR较高区域反映路基强度较高,vR较低区域反映路基强度较低。
在部分瑞雷波测点上作轻型动力触探(N10)值,根据铁道部轻型动力触探技术规定(TBJ18—87)将N10值换算为乘承载力σ0(σ0=8N10-20),然后将瑞雷面波速度vR与相对应测点的轻型动力触探(N10)击数进行数学统计分析,得到vR与N10的相关关系式:
环境地球物理教程
式中A、B为常数。当相关系数r>0.7时,说明vR与N10是相关的,可用vR代替N10来计算承载力σ0的大小,即:
环境地球物理教程
根据此式可用vR定量计算路基的承载力。
图5-1-15 承载力等值线图
图5-1-15为京广线部分区段K2011+170—K2100+270段路基瑞雷波测试,并按上述换算关系(取A=91.07913,B=2.940517)换算得到的承载力等值线图。图中在K2011+230附近路基的承载力偏低,约为80 kPa。而在其两侧的路基的承载力相对偏高,约为180 kPa。此结果与现场实际的情况非常吻合。
3.隧道掌子面前方地质情况预报
在隧道挖掘过程中常因掌子面前地质情况不详,在不良地质地段经常出现塌方、涌水等现象,严重时会造成人身伤亡和设备损坏等重大事故,造成巨大的经济损失。因此,在隧道掘进过程中及时了解掌子面前方地质情况,特别是断层、破碎带等不良地质构造的规模和特征,这对确保施工安全、合理安排掘进方案、掘进速度和支护措施至关重要。
隧道掌子面前方地质情况预报可分为中长距离预报和短距离预报,中长距离预报采用的物探方法一般是人工地震,短距离预报可采用地质雷达或声波探测。
吉林省某公路隧道岩石以花岗岩为主,其中穿插有角闪岩及绿泥角闪岩破碎带,岩石节理裂隙发育。在掘进方向上有两组断裂(走向为NNE及NNW)交替出现,与EW向小断层及破碎带相切割,形成屋顶形,易产生大块脱落体。为了施工安全及合理设计掘进方案,采用人工地震和地质雷达相结合进行掌子面前方地质情况预报。人工地震方法的实施是在掌子面不同高程上水平布置几条地震测线,用石膏在掌子面上等距离粘接检波器,使用大锤在测线两侧激发和接收地震波。地质雷达方法的实施是在掌子面两侧洞壁及掌子面上水平布置雷达测线,使用100MHz天线等距离点测采集。
图5-1-16为在桩号K241+138掌子面上人工地震中长距离预报的解释结果,在K241+138—K241+063段有断层3处,岩性异常带一处。推断位置为K241+115、K241+120、K241+136和K241+068。挖掘证明,有断层2条(F115、F136),出露位置与推测位置相差1 m左右,走向近EW,断距0.3 m。桩号K241+068处为破碎带,宽度约10 m,系由伟晶岩及角闪岩多次侵入造成。
图5-1-16 桩号K241+138地震中期预报结果示意图
图5-1-17 桩号K241+247雷达短期预报结果示意图
图5-1-17为K241+247掌子面上地质雷达短距离预报的解释结果。洞两壁检测到断层3条(F1、F2、F3),走向为NNE和NNW。按几何关系推测,F1与F3在掌子面前方10 m附近相互交会,F2与F3在掌子面前方约35 m附近相互交会。掌子面上测量到前方断裂5条,分别为F242、F239、F235、F230、F225,走向近EW,与F1和F3断层相切割,洞顶极易形成塌落的块体,对施工安全有严重危害。挖掘证明,掌子面上地震与地雷达探测所预报的结果与地质构造出露位置接近。根据预报的结果,施工单位及时调整掘进方案和掘进速度,采取了更合理的安全防范措施。
4.隧道衬砌质量检测
隧道衬砌后,受诸多因素影响,衬砌混凝土可能出现厚度未达到设计要求或有脱空等质量问题。为及时发现衬砌质量问题,需对隧道衬砌质量进行快速和高分辨率的检测,为隧道工程的科学管理提供依据。在隧道质量检测中最常用的地球物理方法是地质雷达方法。
地质雷达法进行隧道衬砌质量检测的主要内容是混凝土密实性、脱空和衬砌厚度。检测中一般采用500 MHz 或900 MHz高频天线,检测厚度可达几十厘米。测线一般布置在隧道的拱顶、拱腰及边墙三个部位(图5-1-18),拱顶为隧道的正顶部附近,拱腰为隧道的起拱线以上1 m左右,边墙为排水盖板以上1.5 m左右。测量方式采用剖面法,测点间隔一般为几厘米~几十厘米,由测量轮跟踪测量里程。
图5-1-18 测线分布图
隧道衬砌厚度检测中,相关介质的物理参数如表5-1-1所示。
衬砌厚度评价,首先在地质雷达剖面上确认出混凝土与岩石界面间的反射波同相轴,读取反射波双程旅行时间,按公式h=v×计算出混凝土衬砌厚度,速度V可通过明洞地段或钻孔资料标定。密实度的评价可根据探地雷达剖面反射波振幅、相位和频率特征划分为密实和不密实两种类型。不密实的混凝土体在雷达剖面上波形杂乱,同相轴错断;脱空体在雷达剖面上在混凝土与围岩交接面处反射波同相轴呈弧形,与相邻道之间发生错位,依此特征可计算出空洞的范围。由于爆破使围岩表面凹凸不平,因此,在确定脱空时应对剖面上的异常加以细致的分析和确认。
表5-1-1 隧道衬砌厚度检测中相关介质的物理参数表
某公路隧道全长约1.6 km,为全面了解衬砌质量,在隧道即将贯通前开展了地质雷达检测。该隧道衬砌类型有:Sm3、Sm4、Sm5,设计衬砌厚度分别为40 cm、35 cm、30 cm。图5-1-19为里程号K21+390—K21+430区段边墙测线的地质雷达剖面。该区段衬砌类型为Sm5。图中10 ns附近起伏变化的同相轴为围岩界面反射波同相轴,图5-1-20为计算出的混凝土衬砌厚度曲线。
图5-1-19 K21+390K21+430区段边墙测线的地质雷达剖面
图5-1-20 K21+390K21+430区段边墙测线混凝土衬砌厚度解释曲线
Ⅳ 地质雷达
3.3.7.1 方法简介
3.3.7.1.1 基本原理
地质雷达也称探地雷达,是利用高频电磁波束在界面上的反射来探测目标物,由发射天线和接收天线组成。发射天线向地下发射高频短脉冲电磁波,接收天线则接收来自地下介质交界面的反射电磁波。由于电磁波向地下传播速度主要受地下介质电性控制,在介质电性发生变化的界面,电磁波会发生反射。通过研究电磁波在介质中的传播速度、介质对电磁波的吸收及介质交界面的反射,并用时间剖面图像表示出地下各分界面的形态,从而推测地下地质体及地层结构的分布规律。
3.3.7.1.2 应用范围及适用条件
地质雷达是一种高分辨率探测技术,可以对浅层地质问题进行详细的地质填图,浅层埋藏物进行无损探测。由于电磁波能量在碳酸盐岩区衰减快,勘探深度较浅主要适用于碳酸盐岩裸露或覆盖层浅的地区,目前广泛用于地基探查、地下空洞、岩溶、破碎带、断层等地质构造探测。
要求发射的电磁波能量必须足够大,探测距离能够达到目标体,并能返回地面被系统接收;目标体阻抗差别足够大,有足够的反射或散射能量为系统所识别;目标体的几何形态必须尽可能了解清楚,正确选用天线中心频率;测区干扰不足以影响目标物的反射信息。
3.3.7.1.3 工作布置原则与观测方法
主测线应垂直地下目标体走向,辅助测线平行目标体走向,可更好地反映目标体形态,测线应尽量通过已有的井位,以利于地层的对比。
目前常用的观测方法有剖面法和宽角法两种。
剖面法:发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。
宽角法:发射天线固定在地面某一点上不动,而接收天线沿测线逐点移动,记录地下各个不同界面反射波的双程走时的测量方式。
3.3.7.1.4 资料整理及成果解释
检查验收合格的原始数据,经滤波及二维偏移归位等处理,经过反射层的拾取,编绘探地雷达图像剖面,最终形成推断成果图等。
由于雷达反射界面是电性界面,与地层分界面并不一致,如相邻地层有相近的波阻抗、同一岩层中的含水带界面、多个薄层的地质界面组合等。同时雷达时间剖面转换为深度剖面的精度,分辨率的限制,旁侧界面反射波的影响等因素,给雷达资料带来很多假象,使雷达剖面解释存在多解性。因此成果解释必须结合地质、钻探资料,根据反射波组的波形与强度特征,通过同相轴的追踪,确定反射波组的地质意义,建立测区地质—地球物理模型,构筑地质—地球物理综合解释剖面。
3.3.7.2 试验情况
本次实验主要选择了表层带富水块段纳堡村地区、天然出露的岩溶水源地皮家寨工区,目的是为了查明地表至30m深度的盖层结构、完整稳定性、水文地质结构、岩溶发育特征及富水性。对裸露型隐伏的岩溶水源地大衣村和万亩果园及覆盖型隐伏的岩溶水源地三家村和大兴堡实验区拟实施钻孔位置也布置了少量地质雷达剖面。共布置剖面94条,总长3.4km,其中纳堡村实测66条剖面,长1635m。
本次试验使用SIR-20型地质雷达,天线类型SIR-100MHZ,扫描时窗250~600ns,工作方法为连续剖面测量。
3.3.7.3 主要成果
纳堡村探测结果,表层结构大致分为两层:第一层为第四系覆盖层,岩性为粘土,厚度在2~6m,时窗为0~100ns,表现为能量强、频率较高,连续性较好的波组特征;第二层为个旧组风化灰岩,厚度8~16m,时窗为50~300ns,表现为能量较弱且变化大、频率较低,连续性差的波组特征;向下则表现为无明显反射或杂乱零星反射的“平静带”波组特征,表明已进入基岩(完整灰岩)层。
图3-18为纳堡小学L20线的测量结果,雷达反射波大致分为三层,第一层时窗0~80ns,为能量强、频率较高的波组特征,深度约5m,反映了第四系覆盖层;第二层时窗80~300ns,为能量弱、变化大、频率较低的波组特征,深度约5~16m,反映了风化灰岩层;第三层时窗300ns以上,为无明显反射或杂乱零星的波组特征,推断已进入完整的灰岩层。在剖面10~15m处,时窗范围160~200ns,深度约9~12m范围内,地质雷达记录出现明显的强反射波异常,推断解释为岩溶裂隙含水层。经施工的浅钻验证,覆盖层厚5.15m,5.15~15m岩溶发育,以溶隙、溶洞、溶孔为主,为主要含水层段,涌水量36m3/d,15m以下岩溶不发育,富水性弱,与推断结果吻合。
图3-18 泸西小江流域纳堡村纳堡小学L20线地质雷达曲线
纳堡村宾珍红商店地质雷达测量未发现异常,反射波为明显的两层,顶部覆盖层为高能量波特征,时窗0~100ns,厚度约6m,下部为基岩的平静弱反射波特征,经ZK2浅钻验证,基岩埋深6.7m,孔深30.3m未见水,探测结果与验证结果一致。
纳堡村实验点共圈出8处地质雷达异常,经钻孔验证4处,除1处水量小外,3处表层岩溶水较丰富。
图3-19为皮家寨大泉旁实测地质雷达剖面,大致可分为两层,第一层时窗0~60ns,波组连续稳定,反映出第四系覆盖层厚度为1~3m;时窗60~300ns,地质雷达曲线显示为杂乱反射、振幅变强、频率变低的异常现象,推断该区地下3~16m之间的个旧组灰岩中岩溶裂隙较为发育,局部存在较大充填或未充填的溶洞,如L73线7m、28m、55m处推断为岩溶含水区,与高密度电法38线100~110点的低阻异常对应。经钻孔验证,溶洞,溶孔发育,与推断结果吻合。
图3-19 泸西小江流域皮家寨L73线地质雷达曲线
3.3.7.4 结论
地质雷达反射波组特征:岩溶裂隙含水层为明显的强反射波异常;第四系覆盖层为能量强、频率较高,连续性较好的反射波;风化灰岩层为能量较弱且变化大、频率较低,连续性差的反射波;完整灰岩层为无明显反射或杂乱零星反射的“平静带”特征。
地质雷达在探测深度0~30m范围内,分辨率较高,对表层岩溶裂隙发育带探测效果较好,划分的覆盖层厚度较接近,误差均小于1m。推断的岩溶发育异常带,准确度很高,是表层岩溶找水的有效方法之一。
Ⅵ 地质雷达法在公路质量检测中的应用
公路质量检测的原始方法是采用钻探取心法,该方法不仅效率低、代表性差,而且对公路有破坏,为了快速、准确和科学地评价公路质量,必须采用无损检测方法。目前,常用于公路检测的电法勘探方法有地质雷达、高密度电阻率法等方法。在这些电法勘探方法中,由于地质雷达方法具有快速、连续、无损检测的特点,因此,在公路质量检测中得到更加广泛的应用。
图5-16 西安市地裂缝高密度电阻率法控制ρs断面图
高速公路是由土基础、二灰土、二灰碎石、面层等构成,由于空气、沥青面层、二灰碎石、土壤等介质的介电常数不同,电磁波将在其介质发生变化的界面产生反射波。图5-17为电磁波在公路剖面中各界面的传播、反射途径示意图。图5-18为电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图。
图5-17 电磁波在公路剖面中各界面的传播、反射途径示意图
长春至四平高速公路采用沥青路面,路面下为碎石垫层。路面分三次铺设完成,设计路面厚度为25cm。在工程竣工前采用地质雷达进行了路面厚度检测。
工作中使用的地质雷达为SIR-2型,工作天线频率为900 MHz。图5-19为长春至四平高速公路上某段路面的地质雷达检测剖面图,图中5.8ns附近的强反射为沥青面层与碎石垫层界面的反射,根据反射界面的双程走时和电磁波在沥青路面中的传播速度计算出路面厚度。沥青路面的电磁波速度采用实验标定并进行统计后得到,检测结果表明,由于二灰碎石垫层凸凹不平,导致沥青路面厚度有较大变化,最薄为26cm,最厚为43cm,达到了设计的要求。路面厚度评价按国家公路路面结构层厚度评价标准进行;在经数据处理后的地质雷达剖面中读取电磁波在面层中的反射波双程走时;计算出面层厚度并做出厚度评价结果。
图5-18 电磁波在公路剖面中各界面的扫描示意图
t0—电磁波在空气中的双程走时;t1—电磁波在沥青面层中的双程走时;t2—电磁波在二灰碎石中的双程走时;A0—反射波R0的振幅:A1—反射波R1的振幅;A2—反射波R2的振幅
图5-19 长春至四平高速公路某段路面的地质雷达检测剖面
地质雷达方法在公路质量检测中除可进行路面厚度检测外,还可进行路基隐患(脱空、裂缝等)的检测以及桥涵的质量检测。有些学者开展了地质雷达对公路压实度、强度及含水量的检测研究。
地质雷达方法用于探测水坝渗漏点和渗漏通道也具有较好的效果。渗漏部位土体的含水量变大。与未发生渗漏的土体形成明显的介电常数上的差异、为采用地质雷达方法探测水坝渗漏位置提供了地球物理条件。黑龙江省某水坝为均质土坝。1998年遭受百年不遇的洪水后,在水坝后坡出现多处面积不等的漏水点。为了查明漏水点在坝体内的分布情况,采用地质雷达在坝顶、坝前坡和后坡进行了探测。图5-20为坝顶测线K0+280至K0+400的地质雷达剖面,图中强振幅异常椎断为坝体内受到水浸较重的部位,异常埋深为10~12m。钻探结果表明地质雷达推断的异常区域是发生渗漏的严重区段。
图5-20 黑龙江省某水坝地质雷达探测剖面
Ⅶ 地质雷达是根据什么在不同介质中传播特性的差异对围岩状态进行探测
地质雷达还是用超声波在不同介质中传播,遇到不同密度的岩石会有不同反射来探测的。
Ⅷ 地质雷达中相位是什么意思
相位(phase)是对于一个波,特定的时刻在它循环中的位置:一种它是否在波峰、波专谷或它们之间的某点的标度。属相位描述信号波形变化的度量,通常以度 (角度)作为单位,也称作相角。 当信号波形以周期的方式变化,波形循环一周即为360° 。是地质雷达成像的参数之一。
地质雷达利用发射机向地下发射高频电磁波,由于地层中戒指存在电性差异,出现电磁波发射现象,利用接收机在地面接收地下反射波,根据反射波分析地下介质的结构及性质。地下不同介质形状不同,产生的反射波的相位产生相应的变化。地质雷达成像显示的反射波是反射波的振幅,相位,频率等综合参数显示的实信号。