地質雷達技術在青藏高原電力塔基勘察中的應用

羅 霄，牛懷俊，李 勇，武小鵬

(1.呼和浩特鐵路局，內蒙古呼和浩特 010000;2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

青藏500 kV直流輸電線路工程項目位于青藏高原多年凍土區腹地，起始于不凍泉，經楚瑪爾河高原、可可西里山區、北麓河盆地到達風火山山區。該段厚層地下冰、高溫高含冰量多年凍土及不良凍土現象發育，多年凍土工程地質條件復雜。青藏鐵路的修建，提供了鐵路沿線的凍土情況詳盡、全面的資料。直流輸電線路工程基本平行青藏鐵路，結合物探、鉆孔，以及青藏鐵路現有的地質資料進行本次地質調查，探明多年凍土的天然上限，可以提高效率。

1 地質雷達基本原理概述

雷達工作時，向地下介質發射一定強度的高頻電磁脈沖(幾十兆赫茲至上千兆赫茲)，電磁脈沖遇到不同電性介質的分界面時即產生反射或散射，探地雷達接收并記錄這些信號，再通過進一步的信號處理和解釋即可了解地下介質的情況。工作原理見圖1。

圖1 探地雷達工作原理示意

只要兩種介質之間存在電性差異，電磁波就會在該界面處產生反射，反射系數γ見式(1)，電磁波速度ν見式(2)。式中，ν為速度，ε為相對介電常數，c為光速，下角標1、2分別表示上、下介質。因為不同地層電性一般存在明顯差異，這為地質雷達用于巖土工程勘察提供了前提條件。

2 凍土勘察中雷達的選型

多年凍土的導電性、介電性質是決定探地雷達技術方法在多年凍土地區應用效果的物理基礎和前提條件。多年凍土是由巖土顆粒、未凍水、冰等構成的介質，由于水是良導體，融化層中的水和凍土中的未凍水仍是導電體，凍土中的冰起阻隔作用，使凍土的導電通道大大變長變窄，因此，凍土的電阻率要比融化層電阻率大好幾倍，凍土的導電性差，融化層的導電性相對較好，凍土與融化層之間有明顯的電性差異。電阻率的倒數是電導率，電導率的大小決定著電磁波在介質中傳播的能量衰減和介質吸收，凍土的電導率小，吸收系數也小，融化層的電導率相對較大，吸收系數相對也大。

介質的介電性質一般用相對介電常數表示，相對介電常數與介質的含水率有明確的關系，也就是說水是相對介電常數的主要影響因素。融化層內的水一般相對介電常數為81，從正溫到負溫，介質的相態發生變化，在相態發生劇烈變化段內，未凍水的含量急劇減小，當未凍水基本都變成冰時，凍土的相對介電常數基本上是冰起主導作用，這時凍土的相對介電常數是3.2。凍土和融化層的相對介電常數差別比較大，由式(2)可知電磁波速度與介質的相對介電常數平方根成反比，因此，凍土的電磁波速度遠遠大于融化層的電磁波速度，兩種不同介質的電磁波速度有明顯的差異。

現場測試采用LTD-10型探地雷達進行探測。該探地雷達由一體化主機、收發天線及相關配件、數據采集及處理軟件組成，其基本技術指標見表1。2004—2005年，中鐵西北科學研究院利用該雷達對青藏鐵路不凍泉—二道溝間近百個有代表性的路基斷面進行了多次探測，實踐證明該雷達在高原工作性能穩定，探測精度能滿足工程要求。

所以，探地雷達探測凍土上限是可行的、有效的，從勘測效率和費用方面來說，探地雷達是快速又經濟的一種地球物理勘測方法。

表1 LTD系列地質雷達基本技術指標

3 凍土勘察中雷達參數的選擇和數據處理

3.1 雷達參數的選擇

雷達工作參數是保證物探質量的關鍵因素，也是進行內業解釋的重要依據。物探參數包括天線中心頻率、時窗、采樣率、測點間距以及發射、接受天線間距等。本次探測決定對相關物理參數結合本工程的鉆探資料現場實測確定，具體是對包括76個鉆探點在內的376個塔位均進行物探，用鉆探資料校正物探參數，確保探測數據的合理性和準確性。

天線中心頻率是雷達探測中最重要的參數。LTD-10型探地雷達天線型號見表2。

表2 LTD-10型探地雷達天線型號

針對本次上限探測的具體情況，主要從分辨率、穿透力和穩定性三個方面綜合衡量，結合實際情況擬選擇100 MHz和25 MHz天線進行對比試驗，根據本工程的勘查目的、要求和現場實測效果最終選擇25 MHz天線進行探測。

3.1.1 測線布置

探測時采用剖面法，以塔位中心為中心、半徑為15 m的圓內，取沿線路走向的直徑作為測線。雷達主機放置于測線旁，采用人工點測的探測方式，測點水平間距為1.0 m，探測過程中始終保持天線與地面垂直密貼，從測線的小里程方向依次點測到測線末結束，則每個塔位一般測試31個測點，每個測點重復采集3次數據，則每個塔位的雷達剖面一般由93道記錄組成。測線布置示意圖見圖2。

圖2 測線布置示意

3.1.2 記錄參數的確定

在選定測量天線后，進行了記錄參數選取試驗。根據有關資料和現場調試分析結果，主要參數確定如下:

1)介電常數為7，相應的波速為0.12 m/ns;

2)每道包括512個時間采樣點;

3)采用手動測量方式;

4)天線間距2.0 m;

5)測點間距1.0 m。

3.2 數據處理和分析

數據處理采用中國電波傳播研究所開發的IDSP5.0探地雷達處理解釋軟件。處理過程包括預處理和處理分析。預處理主要為:①修改文件頭參數;②標記和樁號校正;③剖面翻轉和道標準化;④添加標題、標識等。處理分析主要包括:①瀏覽整個剖面，查找明顯的異常;②頻譜分析;③濾波去噪;④振幅調整;⑤異常特征和面層對應相位分析;⑥剖面修飾等。

4 地質雷達在凍土地質勘查的應用實例

確定好探測參數以后，首先運用地質雷達和高密度電法共同探測10個塔位，而后分開各自探測，每隔9個塔位相互校核一次。按照此計劃，則地質雷達共需探測212個塔位，每個塔位探測點數30個，則探測點數總計為212×30=6 360個。具體見表3:

以Z74塔基為例，對成果圖做出解釋，見圖3。

表3 雷達探測點數

圖3 Z74塔基地質雷達探測解譯成果

通過圖3可以看出:

1)在地表附近，雷達反射波的波峰波谷形態基本上沿一水平軸線無變化，同相軸一致性好，反射波形為低頻全—強寬幅形態;

2)在融化層內，反射波形為中頻中振幅波，波行較雜亂;

3)在凍土與融化層附近，反射波形改變，波峰波谷寬度變窄;

4)在凍土層內反射波為高頻低振幅波，波形規則，由淺到深反射波形逐漸衰減。

5 結論

1)凍土與融化層之間的物理特征存在比較明顯的差異變化，導電性和介電性質的較大差別是探地雷達探測凍土上限所具備的主要物理基礎和物理前提條件。電磁波由空氣進入土層，會出現強反射(由于空氣中電磁波傳播速度較快，這時地面對應的是負相位)，當電磁波由融土進入凍土時，由于融土和凍土之間存在明顯的電性差異，亦會導致雷達剖面相位和幅度發生變化(由于融土相對于凍土電磁波傳播速度慢，這時的凍土上限對應的是正相位)，由此可確定凍土上限位置。

2)地質雷達法雖然具有快速、無損的特點，但影響地質雷達探測結果的因素也很多，如介質物理性質的不均勻性、工作頻率與探測深度的矛盾、探測深度與探測精度的矛盾、電磁波的散射和衍射、多次波及雜波、能量發散、空間信息量少等因素均在不同程度上制約著探測結果的好壞。同時由于多年凍土的復雜性，對探測結果影響也很大，有時可能使圖象失真，這為解釋工作增加了很大困難，往往使結果帶有誤差。因此，建議在設計中緊緊結合鉆孔和已有地質資料，并始終貫穿動態設計的原則，發現問題及時修改，以確保輸電線路塔基設計的合理與安全。

［1］陜西電力設計院，中鐵西北科學研究院有限公司.格爾木～拉薩±500 kV直流輸電線路工程(不凍泉～風火山段)巖土部分巖土工程勘察報告［R］.陜西電力設計院，中鐵西北科學研究院有限公司，2009.

［2］張魯新，熊治文，韓龍武.青藏鐵路凍土環境與凍土工程［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］李大心.探地雷達技術和應用［M］.北京:地質出版社，1994.

［4］姚云泉，張新剛.探地雷達在世界之窗站隧道中的應用［J］.鐵道建筑，2010(8):70-73.

［5］熊昌盛，李晉平，陳輝，等.地質雷達檢測鐵路隧道襯砌質量的效果驗證［J］.鐵道建筑，2011(11):32-34.