基于探地雷達(dá)的地下隱伏異常分析

皮 海 康

(深圳市水務(wù)工程檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518109)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，尤其在國(guó)家加快中心城市群和城市群建設(shè)的方針下，城市建設(shè)進(jìn)一步加快。交通運(yùn)輸也隨之持續(xù)增長(zhǎng)，由此帶來(lái)道路的負(fù)荷快速增加，這對(duì)道路的安全運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)。為了緩解交通壓力，城市交通基礎(chǔ)設(shè)施興建速度加速推進(jìn)，軌道交通和城市道路建設(shè)也進(jìn)一步加快。城市道路面臨著交通荷載、復(fù)雜地質(zhì)條件、雨水沖刷、人類(lèi)工程活動(dòng)的考驗(yàn)，這些情況都可能引發(fā)道路變形，路面沉降等病害[1]，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致塌陷等情況的發(fā)生。探地雷達(dá)在道路災(zāi)害的探測(cè)上，具有高精度、高效率、連續(xù)無(wú)損、實(shí)時(shí)成像和結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)[2]，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下隱伏異常體，進(jìn)而有效防治災(zāi)害的發(fā)生，成為道路無(wú)損探測(cè)的優(yōu)選物探手段。本文以探地雷達(dá)基本原理為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際工程探測(cè)結(jié)果，分析了幾種常見(jiàn)地下異常體(管道、電纜線、介質(zhì)疏松、介質(zhì)富水、空洞等)的典型雷達(dá)特征。

2 探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)GPR)向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射超高頻(106Hz～109Hz)脈沖電磁波[3]，當(dāng)遇到介電常數(shù)不同的地層和目標(biāo)體時(shí)，電磁波在介質(zhì)交界面發(fā)生反射現(xiàn)象，反射波被地面接收天線探測(cè)并接收，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的處理和分析，形成波的雙程走時(shí)與檢測(cè)平面的二維圖像，從而研究地下結(jié)構(gòu)的物探方法[4]。其工作原理如圖1所示。

地下介質(zhì)分界面反射上來(lái)的反射波攜帶大量有用信息，可以通過(guò)分析反射波幅值和頻率等特性來(lái)解讀。其探測(cè)效果主要取決于地下目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)的電性差異、電磁波的衰減程度、目標(biāo)體的埋深以及外部干擾的強(qiáng)弱等。電磁波脈沖在地質(zhì)界面上反射能量的大小取決于反射系數(shù)R。

(1)

其中，εr1,εr2分別為入射介質(zhì)和反射介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

3 地下異常體的典型雷達(dá)特征分析

電磁波在傳播過(guò)程中易受到介質(zhì)的大小、介電常數(shù)等差異的影響而發(fā)生改變。由式(1)可知反射系數(shù)與反射界面上下相對(duì)介電常數(shù)的相對(duì)關(guān)系有關(guān)，雷達(dá)圖上表現(xiàn)為反射波與直達(dá)波的正負(fù)峰值異常[5]。其中地下異常區(qū)域較多，選取五類(lèi)典型雷達(dá)圖像進(jìn)行異常特征分析。

3.1 管道

根據(jù)管道的用途，其材質(zhì)、大小、埋藏深度的變化范圍呈現(xiàn)多樣性，反射波形特征也不盡相同。對(duì)于金屬管，因其介電常數(shù)往往高于周?chē)橘|(zhì)，故在其頂面電磁波極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，由于金屬對(duì)電磁波的屏蔽作用，金屬管道下方往往發(fā)生多次反射。如圖2所示，左起依次為雷達(dá)連續(xù)掃描圖、管道中心電磁波衰減圖、堆積圖。由圖2可知：據(jù)地面約為0.9 m處出現(xiàn)一白—黑—白的弧形強(qiáng)反射，極性與入射波相反，兩葉延伸較長(zhǎng)，曲率較大，下部具有多次反射。推測(cè)為一管徑較小的金屬管，后期施工開(kāi)挖驗(yàn)證了這一推測(cè)。

3.2 電纜線

圖3左起依次為雷達(dá)連續(xù)掃描圖、電纜線中心電磁波衰減圖、雷達(dá)波堆積圖。由于金屬導(dǎo)體的屏蔽作用，電磁波在交界面處發(fā)生全反射，以至于電磁波無(wú)法穿透電纜到達(dá)下部區(qū)域，且電纜線往往較細(xì)，其弧線較尖銳，兩葉延伸極長(zhǎng)，呈“尖”字形，曲率較大，交界面極性與入射波相反，頂部向下為一連串的強(qiáng)反射信號(hào)。圖3左起依次為雷達(dá)連續(xù)掃描圖、電纜線中心電磁波衰減圖、雷達(dá)波堆積圖。由圖3可知：路面以下存在兩根電纜線，其中左側(cè)埋深較右側(cè)深，反射波在界面處發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，下部伴隨一連串強(qiáng)反射，峰值極大，超過(guò)相對(duì)幅值峰值，推測(cè)為帶電電纜。

3.3 介質(zhì)疏松

介質(zhì)疏松的本質(zhì)是局部孔隙率較大，空氣含量較高，局部為土和空氣的混合物。自然狀態(tài)下空氣的相對(duì)介電常數(shù)εr=1，疏松體的相對(duì)介電常數(shù)小于周?chē)橘|(zhì)。電磁波從相對(duì)介電常數(shù)大的介質(zhì)傳入相對(duì)介電常數(shù)小的介質(zhì)，為低阻抗到高阻抗的過(guò)程，極性不發(fā)生改變，與入射波同向。由于疏松界面不連續(xù)，反射波同相軸連續(xù)性較差；介質(zhì)內(nèi)部易發(fā)生衍射現(xiàn)象，無(wú)強(qiáng)烈的多次反射波；從振幅上看，由于疏松內(nèi)部往往不均勻，介電常數(shù)常常經(jīng)歷由大到小和由小到大的劇變，呈現(xiàn)正負(fù)峰值，反射波峰值正負(fù)交替，波形畸變。如圖4所示，為測(cè)區(qū)一典型介質(zhì)疏松雷達(dá)圖像，圖4左起依次為雷達(dá)連續(xù)掃描圖、疏松中心電磁波衰減圖、雷達(dá)波堆積圖。

3.4 介質(zhì)富水

介質(zhì)富水是指介質(zhì)內(nèi)部含水量高于周?chē)橘|(zhì)。地下排水管道滲漏、縫隙滲水等是導(dǎo)致地下介質(zhì)局部富水的主要原因。常見(jiàn)物質(zhì)中，水的相對(duì)介電常數(shù)最大εr=80，因此富水部位與周?chē)橘|(zhì)存在明顯的電性差異。電磁波在富水界面發(fā)生強(qiáng)振幅發(fā)射反射，穿透富水介質(zhì)時(shí)伴隨一定規(guī)律的多次反射，由于水對(duì)電磁波的吸收作用，電磁波在富水介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生繞射、散射現(xiàn)象，迅速由高頻向低頻變化，電磁波能量快速衰減，由于含水界面相對(duì)連續(xù)，反射波同相軸連續(xù)性較好，雷達(dá)圖像呈現(xiàn)白—黑分布；從介質(zhì)到富水介質(zhì)為高阻抗到低阻抗的過(guò)程，因而其極性發(fā)生改變，與入射波相位相反。如圖5所示，為測(cè)區(qū)一典型介質(zhì)富水雷達(dá)圖像，圖5左起依次為雷達(dá)連續(xù)掃描圖、富水部位中心電磁波衰減圖、雷達(dá)波堆積圖。后期開(kāi)挖驗(yàn)證了雷達(dá)探測(cè)結(jié)果。

3.5 脫空和空洞

由于介質(zhì)內(nèi)部充填空氣，在地基中易形成充氣空洞，而結(jié)構(gòu)層中則易形成脫空，均為典型路下隱伏異常。自然狀態(tài)下空氣的相對(duì)介電常數(shù)εr=1，小于路基相對(duì)介電常數(shù)且差異較大。電磁波傳播到空洞上界面時(shí)，在介質(zhì)交界面發(fā)生較強(qiáng)的強(qiáng)振幅反射，極性不發(fā)生改變，與入射波同向，呈現(xiàn)較明顯的弧形反射。路下脫空或空洞橫向跨度一般較小，電磁波在空洞上界面發(fā)生透射從而進(jìn)入空洞內(nèi)部，在空洞內(nèi)部界面發(fā)生多次反射，反射信號(hào)互相干擾，能量分散。如圖6所示，為測(cè)區(qū)一典型空洞雷達(dá)圖像，圖6左起依次為雷達(dá)連續(xù)掃描圖、脫空部位中心電磁波衰減圖、雷達(dá)波堆積圖。

4 結(jié)語(yǔ)

城市地下介質(zhì)條件復(fù)雜，影響電磁波傳播規(guī)律的因素眾多，且電磁波易受到周?chē)h(huán)境干擾，對(duì)探測(cè)資料的精確解譯帶來(lái)困難。本文在分析探地雷達(dá)基本原理的基礎(chǔ)上，收集探地雷達(dá)地質(zhì)探測(cè)資料，總結(jié)地下異常體的典型探地雷達(dá)特征，結(jié)果表明：探地雷達(dá)法在地下管道、電纜線、介質(zhì)疏松、介質(zhì)富水、空洞、脫空等地下隱伏異常的探測(cè)上具有時(shí)效性快，可辨性好的優(yōu)點(diǎn)，可為城市地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)資料的解譯提供借鑒。