球状孤石在探地雷达探测成果中的表现特征

引用本文

刘成禹, 林毅鹏, 林超群, 刘汗青. 球状孤石在探地雷达探测成果中的表现特征[J]. 物探与化探, 2015,39(4): 860-866.
LIU Cheng-Yu, LIN Yi-Peng, LIN Chao-Qun, LIU Han-Qing. The performance characteristic of spherical boulder in the georadar detection[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(4): 860-866. 复制到剪切板

Doi:10.11720/wtyht.2015.4.33
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球状孤石在探地雷达探测成果中的表现特征

刘成禹, 林毅鹏, 林超群, 刘汗青

福州大学环境与资源学院,福建福州 350108

作者简介: 刘成禹 (1970-),男,副教授,博士,主要从事岩土工程、工程地质的研究工作。E-mail:Liuchengyuphd@163.com

收稿日期: 2014-08-25

基金: 国家自然科学基金项目(41272300)

摘要

花岗岩风化壳中分布的孤石对工程建设有较大的危害,较准确地探明孤石的大小及分布具有重要的实际意义。笔者采用现场实测和数值模拟相结合的方法对球状孤石在探地雷达探测成果中的表现特征进行了研究。结果表明:雷达波在孤石处出现了明显的孤形反射,反射弧的张开宽度随孤石直径、埋深的的增加而增大;雷达波中孤石顶点处反射弧的曲率半径与孤石直径近似呈线性关系,与孤石埋深近似呈二次多项式关系。所得结论对孤石分布地区探地雷达探测成果的正确解释有一定的指导作用。

关键词: 探地雷达; 正演; 时域有限差分; 孤石探测

中图分类号:P631.3 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)04-0860-07

The performance characteristic of spherical boulder in the georadar detection

LIU Cheng-Yu, LIN Yi-Peng, LIN Chao-Qun, LIU Han-Qing

College of Environment and Resources,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China

Abstract

The boulder distributed in granite weathering crust has great harm on the engineering construction. Accurately determine the size and distribution of boulder has important practical significance. In this paper, by adopting the combination of field measurement and numerical simulation method to study the performance characteristic of spherical boulder in the georadar detection. The following conclusions are drawn: There is an obvious of radar wave in the boulder reflection. The open width of reflex is increase with the boulder diameter and the buried depth. In radar wave ,the radius of curvature of vertices has approximate linear relationship with the boulder diameter. And has Quadratic polynomial relationship with the buried depth. The conclusions obtained in this paper have a certain guiding role on analyzing georadar detection results about boulder.

Keyword: ground penetracting radar; forward modeling; FDTD; boulder detect

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花岗岩和凝灰熔岩在我国有较广泛的分布, 广东、福建更为集中。闽、粤两省仅花岗岩的出露面积就达30%~40%。花岗岩和凝灰熔岩的不均匀风化特别明显, 受其影响, 风化壳中常常分布大量的孤石。孤石分布的边坡常常发生崩塌、滑坡、滚石等地质灾害; 在孤石分布地层内进行隧道施工中常常出现塌方、初期支护大变形等问题^[1]。孤石的存在不仅对边坡、隧道有危害, 还对建筑基础有较大的危害, 如天然基础, 当基础与孤石直接接触时往往会引起差异沉降, 导致建筑物开裂等; 对于桩基础, 往往会引起沉桩困难、断桩, 严重影响桩基质量。因此探明花岗岩、凝灰熔岩风化地层中孤石的大小及分布特征对工程建设具有重要的意义。

目前对花岗岩、凝灰熔岩风化层中孤石的探测主要采取钻探、坑探以及物探等手段^{[2, 3, 4]}。钻探和坑探是最简单、最直观的方法, 但该方法只能探明勘探深度内勘探点及其附近是否存在孤石。由于钻探和坑探的费用高且工期长, 无法大量布置勘探孔, 加之孤石在很多情况下呈离散状分布, 所以, 无法准确地探明孤石的大小和分布。与钻探和坑探相比, 物探具有高效快捷的优点。物探探测主要有高密度电法、浅层地震勘探、探地雷达探测等方法。风化孤石与周围地层电性差异不明显, 高密度电法的探测精度和分辨率难以保证; 由于孤石大多呈离散状分布、规模小, 波阻抗差异小, 地震勘探法的探测精度和分辨率也难以满足工程要求; 探地雷达探测精度和分辨率最高, 因此在孤石探测中采用探地雷达比较合理。但是, 由于探地雷达设备费较高, 探测结果需要专业人员的解释, 所以, 目前在我国的应用并不普遍; 针对花岗岩和凝灰熔岩风化地层中孤石的探测虽然有少量报道, 但研究得并不深入, 对探地雷达探测孤石的实施要点, 影响探测准确性的主要因素及其影响规律的研究甚少。

探地雷达作为一种先进的高频电磁波勘探技术, 具有对探测对象不造成任何损伤、抗干扰能力强、测量结果直观准确和高效率等特点^[5]。从近些年探地雷达的发展来看, 其在工程检测和岩土工程勘察中的应用日趋广泛。介电常数上存在差异是探地雷达探测和探测成果解释的基础。由于孤石和周边地层在介电常数上存在差异, 这为探地雷达探测孤石提供了可行性条件。

笔者拟采用时域有限差分法, 针对岩土体中的孤石地质体, 利用GprMax2D软件结合Matlab得到模拟结果, 并在实际场地进行相应的模型试验, 对数值模拟和实际试验的结果进行对比, 进而总结出岩土体中孤石的探地雷达反射特性和规律。

1 探地雷达探测地下孤石原理

探地雷达探测孤石的原理为置于地面的发射天线向地下发射一高频电磁脉冲, 当其在地下传播过程中遇到不同电性界面时, 电磁波发生反射折向地面, 被接收天线接收, 并由主机记录存储。对存储的数据进行一系列处理后, 根据雷达子波的整体波形、同相轴变化、频率变化等, 推测地下岩土介质与孤石目标体的电性差异; 根据电磁波的双程走时, 推测孤石目标体的埋深等信息。

2 现场实验仪器及实验设计

2.1 测试仪器及参数

实验采用的探地雷达为瑞典MALA地球科学公司(Sweden MALA Geoscience Inc)生产的RAMACX3M型探地雷达。雷达脉冲频率10~200 kHz, 天线为中心发射频率500 MHz的屏蔽天线。实验中测试参数为:采样点数370, 时窗52 ns, 采样频率7 075 MHz, 叠加次数184次, 使用测轮触发。

2.2 实验设计

为了得出孤石在探地雷达探测成果中的表现特征, 笔者在砂土介质中, 将直径D分别为10、15、20、30、40 cm花岗岩球状孤石, 埋设在50 cm的深度, 每一次埋设完采用探地雷达进行探测(图1)。

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	图1 实验设置

3 数值计算结果与实测结果对比

3.1 球状孤石实验探测结果分析

图2为现场实测的埋深50 cm不同大小孤石的探测成果, 左侧为雷达反射波形图, 右侧为孤石中间、左侧的单道波形图。由图2可看出, 雷达波在孤石处出现了明显的孤形反射, 反射弧的张开宽度随孤石直径的增大而增大; 反射弧弧顶对应的深度即为孤石的实际埋深50 cm。

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	图2 不同大小孤石探地雷达探测成果

3.2 球状孤石数值模拟结果分析

采用时域有限差分法进行二维数值模拟, 利用GprMax2D软件结合Matlab得到模拟结果。孤石岩性、直径、埋深、周边介质以及探地雷达天线频率与现场实验的相同。由文献[6]查得, 砂土的相对介电常数为ε _r=20, 花岗岩孤石的相对介电常数ε _r=6, 电导率σ =0.01 S/m, 磁导率μ _s=1 H/m, 模拟区域1 m× 1 m。

由图3的模拟结果可看出:孤石处出现了明显的孤形反射; 反射弧的张开宽度随孤石直径的增大而增大; 反射弧弧顶对应的深度与孤石埋深相同。

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	图3 不同大小孤石数值模拟结果

3.3 现场实测实验与数值模拟对比

现场探测及数值模拟结果均表明:孤石处出现了明显的孤形反射且反射弧的张开宽度随孤石直径的增大而增大。因此, 可以用反射弧顶点的曲率半径来反映反射弧的张开程度并建立球形孤石大小与反射弧曲率半径的关系, 为从探地雷达探测成果中分析球状孤石的大小提供依据。

由图2、图3可看出, 球状孤石的反射弧近似呈抛物线形。抛物线在点(x, y)的曲率^[7]

$\begin{matrix} K_{1} = \frac{| y |}{(1 + y^{2})^{\frac{3}{2}}}, (1) \end{matrix}$

曲率半径

$\begin{matrix} ρ_{1} = \frac{1}{K_{1}} 。 (2) \end{matrix}$

以直径为10 cm的孤石为例, 如图4所示, 在雷达波形图中, 以反射弧顶点为0点, 水平向右为x轴, 垂直向上为y轴建立二维直角坐标系。在此基础上, 求取反射弧的曲率半径。

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	图4 直径为10 cm的实测与模拟孤石雷达波形

图4a为实测反射曲线, 图4b为数值模拟曲线, 以前者为例, 取抛物线上一点(1, -0.355), 抛物线过点(0, 0)。由数学几何关系可推出抛物线曲线方程

$\begin{matrix} y = - 0.355 x^{2} (3) \end{matrix}$

按式(1)、(2)计算可得到双曲线顶点曲率半径

$\begin{matrix} ρ = \frac{1}{K} = 1.41 。 (4) \end{matrix}$

同理, 可求出其他不同尺寸的雷达波形曲线方程和曲线顶点曲率半径(表1), 按表1结果作出不同大小孤石的反射弧曲率半径如图5所示。

表1 h=50 cm时不同直径的雷达波形曲线方程及顶点曲率半径

由图5可看出:现场实测与数值模拟得出的球状孤石反射弧顶点的曲率半径非常接近。由于数值模拟为较理想的状态, 模拟中地下介质设置为各向同性的均质砂土, 而在实际现场模型试验时, 岩土介质不是理想的均质砂土, 同时现场实验中还存在人为因素、仪器和环境条件的影响, 使现场模型实验与数值模拟有一定偏差, 所以仍存在一些不完全一致的地方。这说明, 采用本文所述的数值模拟方法对探地雷达探测成果中孤石的表现特征及其规律进行研究是可行的。

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	图5 埋深50 cm不同大小孤石的反射弧曲率半径

4 孤石直径与反射弧曲率半径的关系

表1仅为埋深50 cm时不同大小孤石的模拟反射弧顶点的曲率结果, 笔者同时还模拟出了埋深为70 cm和90 cm时反射弧顶点的曲率结果, 做出孤石直径与反射弧顶点曲率半径的关系, 如图6所示。

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	图6 孤石直径与反射弧顶点曲率半径的关系

由图6可得出对应的线性拟合方程, 以D表示孤石直径, ρ 表示反射弧顶点的曲率半径, r为曲线拟合的相关系数, 方程如下所示:

埋深50 cm时,

$\begin{matrix} ρ = 0.024 D + 1.105; (5) \end{matrix}$

埋深70 cm时,

$\begin{matrix} ρ = 0.099 D + 0.755; (6) \end{matrix}$

埋深90 cm时,

$\begin{matrix} ρ = 0.218 D - 0.297 。 (7) \end{matrix}$

由式(5)~式(7)可知, 当孤石埋深一定时, 随着孤石直径的增大, 反射弧顶点的曲率半径呈线性增大。

5 孤石埋深与反射弧曲率半径的关系

图7为不同埋深下孤石的模拟结果, 左侧为孤石埋置位置, 右侧为探地雷达反射波形, 其中孤石直径D均为20 cm, 埋置深度h分别为10、40、60、70、90 cm, 其他参数设置与3.2一节所述一致。

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	图7 不同埋深孤石数值模拟结果

由图7可看出:孤石处出现了明显的孤形反射, 反射弧的张开宽度随孤石埋深的增大而增大, 反射弧弧顶对应的深度与孤石埋深相同。根据图7得出表2数据。表2为D=20 cm时不同埋深的模拟反射弧顶点的曲率结果, 同时模拟出了直径为10 cm和30 cm时反射弧顶点的曲率结果, 做出孤石埋深与反射弧顶点曲率半径的关系如图8所示。

表2 D=20 cm时不同埋深的雷达波形曲线方程及顶点曲率半径

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	图8 孤石埋深与反射弧顶点曲率半径的关系

由图8可得出, 对应的多项式拟合方程, 以h表示孤石的埋深, ρ 表示反射弧顶点的曲率半径, r为曲线拟合的相关系数, 方程如下所示:

D=10 cm时,

$\begin{matrix} ρ = (3.426 \times 10^{- 4}) h^{2} + 0.001 h + 1.041; (8) \end{matrix}$

D=20 cm时,

$\begin{matrix} ρ = (1.731 \times 10^{- 4}) h^{2} - 0.002 h + 0.974; (9) \end{matrix}$

D=30 cm时,

$\begin{matrix} ρ = (6.892 \times 10^{- 4}) h^{2} - 0.011 h + 1.297 。 (10) \end{matrix}$

由式(8~10)可知, 当孤石大小一定时, 随着孤石埋深的增大, 反射弧顶点的曲率半径呈二次多项式增大。

6 结论

通过上述数值模拟的计算和现场实测的探测结果, 分析得出以下结论。

(1)采用时域有限差分法, 并利用GprMax2D软件结合Matlab进行探地雷达探测的数值模拟结果与实际探测结果基本一致, 说明此数值模拟方法是可行的。

(2)球状孤石探测的雷达反射波形明显, 大致为抛物曲线, 反射弧中间较明显、清晰, 反射能较大, 两侧翼部较模糊, 反射能较小, 即反射能从中间向两侧减弱。

(3)在孤石埋深一定时, 随着孤石直径的增大, 反射弧的张开弧度逐渐变大, 球状孤石反射弧中间的曲率半径呈线性增大。

(4)在孤石大小一定时, 随着孤石埋深的增大, 反射弧的张开弧度逐渐变大, 球状孤石反射弧中间的曲率半径呈二次多项式增大。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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Granite is widely distributed in the southeast area of Fujian Province.Granite spherical weathering and the relative engineering geological problems are very prominent because of differences of mineral compositions,regional geologic structure and warm-wet climate in this area.Spherically weathered rock blocks of various sizes fall from the top of slope or roll along slope surface.Collapse and landslide occur because of rainfall or excavation near slopes mixed with weathered spherical rock blocks and residual soil.When tunneling in stratum of spherical weathering,concentration of stresses can occur in the primary support of working face.Then,instability of rock and ground subsidence can appear.Latent spherical weathering rock may be identified as bedrock.It is very difficult to drill for pile foundation.Bare spherical weathered rock can threaten the bridge pile and abutment on the steep slope.

闽东南沿海花岗岩广泛出露,其矿物成分差异明显,且受区域地质构造和湿热交替气候影响,花岗岩球状风化不良地质及其诱发的工程地质问题极为突出。粒径大小不一的风化球体受外界环境扰动,形成高空落石或坡面滚石,坚硬的风化球与残积土或全风化岩混杂的斜坡受降雨或开挖触发产生崩塌和滑坡,形成复杂的斜坡地质灾害。富含孤石的花岗岩地段开挖浅埋隧道,由于围岩不均匀引起初期支护局部应力集中,诱发围岩大变形、地表沉降和塌方冒顶等事故。隐伏的孤石易被误认为基岩,并造成桩基工程成孔困难; 而裸露的孤石对斜坡地段桩基及墩台构成威胁。

... 在孤石分布地层内进行隧道施工中常常出现塌方、初期支护大变形等问题^[1] ...

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地质雷达和高密度电法在地球物理探测方面有着各自的特点,前肯可用于探测地表浅层物体,而后者则在深层探测中占有优势.将两种方法相结合,对某建筑场地内的废弃矿井进行了探测,最后探测到了竖井的平面位置和直径、巷道埋深以及采空区的基奉形状.

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针对钻孔地质雷达探测工作中常见的空洞、岩溶和地下埋藏物等点状不良地质体,利用时域有限差分数值模拟方法,对岩土体内不同形状和不同埋深的目标地质体进行了雷达响应正演模型研究,并分析了这些模型的实际分辨能力和应用条件.结果表明,对于不同的探测任务,应根据感兴趣目标体的几何尺寸、分辨率要求等来选择合适的天线频率;不同几何形状的点状不良地质体所呈现的雷达剖面形式各异,且雷达反射信号强弱也不同;同一频率天线其探测分辨能力随窄洞埋藏深度而变化,同一埋深下,天线频率越高,高度分辨能力效果越好.研究结果可为钻孔雷达用于岩体工程勘察、灾害隐患探测提供模拟图像认知和数据判读支持.

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在岩溶地区隧道施工过程中,经常遇到突水、突泥等无法预料的地质灾害,给施工安全带来了重大灾难和无法估计的经济损失。为了保证岩溶隧道施工安全,对岩溶裂隙水与不良地质体的发育情况进行准确及时的超前预报,是当前岩溶地区隧道设计与施工中亟待研究与解决的关键问题。首先,对隧道建设过程中岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和综合预报体系的研究现状进行详细的介绍,指出岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报中存在的主要问题,总结隧道建设过程中地质缺陷超前勘探方法和高压大流量岩溶裂隙水超前预报方法;然后,重点介绍TSP超前地质预报系统探测溶洞、陆地声纳法探测断层、地质雷达探测地下水和红外探水法探测岩溶裂隙水等工程实例。最后,总结预报各种不同地质体的有效方法和将要开展的研究热点和难点,并对下一步所要开展的工作进行深入探讨,对我国在岩溶裂隙水和不良地质体探查的理论和技术创新方面给予一定的帮助和指导。

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Double Star Exploration Program（DSP）is the first governmental scientific satellite cooperation programbetween China and Europe.DSP is mainly to investigate the trigger mechanism of magnetospheric space storms andphysical processes of the disastrous geospace weather during solar activities and interplanetary disturbance so as to es-tablish the models describing and predicting the spatial and temporal variations in near—earth space environment.There are 16 detecting instrument on DSP satellites,which will detect the 3—dimensional magnetic fields,particlesand low—frequency electromagnetic waves,and execute the active spacecraft potential control.The 3 axes fluxgatemagnetometer and particles require satellite magnetic cleanliness.This paper describes magnetic sources and magneticmoments of the satellites and instruments,measuring equipment and method.There are three kinds of magneticsources,i.e.,permanent magnetic materials,soft materials and stray field of electric current.The magnetic momentof the satellite is 643 mA·m 2 .The magnetic moments of most instruments are less than 5 mA·m 2 .The measuringequipment includes shielding cylinder and solenoid coil,magnetometer,small nonmagnetic turntable,plate and guide-way,nonmagnetic turntable,magnetizing and demagnetizing coil,magnetizing and demagnetizing power,teslameter,standard magnetic moment magnets,compensation magnets and data acquisition system etc.

本文从地质雷达正演原理着手,分析了差分格式中半空间步长与半时间步长的实现方法,同时通过分析数值频散的产生,进而推导出了理想频散关系和超吸收边界条件.最后文中还对比了有无边界条件的雷达正演模拟效果和精度.

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袁明德. 探地雷达探测地下管线的能力[J]. 物探与化探, 2002, 26(2): 152-155.

The author selected and edited some data concerning the application of the ground-penetration radar to the detection of underground pipelines. On the basis of detailed experiments, the effects of such factors as the thickness, material quality, filling substances and defects of the pipelines as well as the frequency and noise of the antenna upon the radar images are analyzed, which will be of some help to further application of the ground-penetrating radar to urban underground pipeline detection.

这是作者摘编的有关探地雷达探测管线的一些资料。通过细致的实验,从中分析管线的粗细、材质、充填物、缺损情况及天线频率、噪音等对雷达图像的影响,对今后开展城市管线探地雷达调查工作会有所帮助。

2010

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薛建, 曾昭发, 王者江, 等. 探地雷达在城市地铁沿线空洞探测中的技术方法[J]. 物探与化探, 2010, 34(5): 617-621.

Underground cavity detection is one of the important detection contents in way construction, and GPR can help us detect city roads rapidly, so it has been used widely. This paper deals with the existent space of the underground cavity , the technicalmethods for using GPR to detect underground cavities as well as the characteristics of anomalies.

地下空洞探测是地铁施工中的重要检测内容之一，探地雷达具有在城市道路上快速检测的特点而被广泛应用。以北京某地铁沿线的空洞探测为例，着重讨论地下空洞的赋存空间、探地雷达探测空洞的技术方法和常见异常的特征等问题。

1996

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肖兵, 周翔, 汤井田, 等. 探地雷达技术及其应用和发展[J]. 物探与化探, 1996, 20(5): 378-382.

This paper has summed up the development and new application of ground-searching radar in recent years. Based on detailed analysis of the principle and system structure of ground-searching radar, the authors put forward the train of thought for improving system structure of ground-searching radar and, aimed at solving the great noise existing in ground-searching radar work and the inadaptability in transplantation of seismic data-processing technique, raise a new scheme for underground interface high-resolution imaging of ground-searching radar.

作者对近年来探地雷达的技术发展及新的应用研究进行了概括和总结。在详细分析探地雷达方法原理、系统结构的基础上,提出了改进探地雷达系统结构的思路;同时,针对探地雷达工作中的高噪声和地震数据处理技术移植的不适应性,提出了探地雷达地下界面高分辨率成像的新方法。

2000

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2006

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