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1、?第 35卷第 2期物?探?与?化?探Vo.l 35,No.2?2011年 4月GEOPHYSI CAL&GEOCHEM ICAL EXPLORAT I ONApr.,2011?探地雷达在桥塔塔基岩溶勘查中的应用及信号分析杨天春1,冯建新1,王战军2(1.湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭?411201;2.中南大学 信息物理工程学院,湖南 长沙?410083)摘 要:以湖南省张家界?花垣县高速公路岩溶勘查为例,探讨探地雷达在竖直型岩溶勘查中的应用和效果;同时,说明复信号分析方法在探地雷达数据处理中的有效性。竖向岩溶的横向规模小,在雷达图像中相应的异常范围比较窄,异常不易分辨。首先对原始采
2、集信号进行二维空间域滤波,再对信号进行 H ilbert变换,提取雷达信号的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率,然后对这些处理后的信号进行综合分析。研究结果表明,二维空间域滤波可大大消除高频噪声的干扰,提高信号的信噪比,多参数综合分析可提高探地雷达解释的精度,最终的钻探成果也验证了反演解释结果的正确性。关键词:探地雷达;H ilbert变换;岩溶;高速公路;地质灾害中图分类号:P631?文献标识码:A?文章编号:1000-8918(2011)02-0280-05?在湖南省的中西部地区,高速公路大都经过岩溶十分发育的灰岩区,因此,公路施工中会遇到很多的溶洞、溶蚀带等各种不良地质体 1-2。为保证施工安
3、全,减少地质灾害损失,必须在工程施工前开展岩溶灾害等调查工作。探地雷达具有分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点,已在岩土工程勘察等多方面取得了较好的效果 3-5。笔者结合湖南省张家界?花垣高速公路澧水特大桥张家界岸主塔塔基岩溶探测实例,探讨探地雷达在地下竖直性溶缝、落水洞勘查中的相关应用。1?基本理论与 H ilbert变化探地雷达(也称地质雷达)与探空雷达相似,其探测原理是将高频电磁波以宽频带、短脉冲的形式,由地面通过发射天线向地下发射,当电磁波遇到地下地质体或介质分界面时会发生反射,返回地表,并被地表的接收天线接收,雷达主机将反射信号记录下来,绘制成雷达波剖
4、面图。由于电磁波在介质中传播时,其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性和几何形态而发生变化,因此,根据接收到的电磁波特征,即波的双程旅行时、幅度、频率和波形等,可推断地下界面或目标体的空间位置和结构特征。为提高对地下目标体的识别,笔者对探地雷达信号进行 H ilbert变换,提取信号的瞬时属性。H il?bert变换是信号分析处理技术中的一种重要方法,能有效地提取复杂信号的瞬时参数,即瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率 6。雷达记录 x(t)的 H ilbert变换为xx (t)=x(t)?1/(?t),变换因子时间响应 h(t)=1/(?t)的频率响应H(?)为H(?)=-i,?0;
5、?i,?0。?式中,i为虚数单位。由上两式可知,一个实信号经过 H ilbert变换之后,相位谱会发生 90?相移,H ilbert变换又称为 90?相移滤波。设一个解析信号可表示为依赖于时间的复变量u(x)=x(t)+i y(t),式中,y(t)是记录信号 x(t)的正交,正交就是记录信号的 90?相移翻版。所以,上式可化为u(t)=x(t)+i?1/(?t)?x(t)=?(t)+i?1/(?t)?x(t)。由上式可知,想得到探地雷达单道记录信号 x(t)的解析信号 u(t),只需对该道信号加上算子?(t)+i?1/(?t)即可。如果在傅里叶变换域中是解析的,收稿日期:2010-03-30基
6、金项目:教育部高等学校特色专业建设点项目(TS11027)?2期杨天春等:探地雷达在桥塔塔基岩溶勘查中的应用及信号分析这个算子对负频率就是零,因而复数值 u(t)不包含频率成分。算出解析信号 u(t),它就可以用指数形式表达u(t)=R(t)?ei?(t),R(t)=x2(t)+y2(t),?(t)=arctan y(t)/x(t)。式中,R(t)、?(t)分别代表瞬时振幅和瞬时相位。瞬时频率是瞬时相位函数的时间变化速率?(t)=d?(t)dt=I m1u(t)du(t)dt。2?工程概况张家界?花垣高速公路主线全长 146.848 km,沿线地形复杂,岩溶等不良地质发育。其中澧水特大桥地处张
7、家界与永顺县的交界处,属构造侵蚀中低山?峡谷地貌,桥位横跨澧水河峡谷,张家界岸索塔中心桩号为 K32+542,锚碇中心桩号为 K32+342,桥位中心桩号为 K32+970。张家界端地形起伏,山坡坡度稍缓,自然坡度 30?左右,覆盖层薄,桥台山坡上植被密布。K32+950 K33+010段为悬崖,相对高差 140 m,此段河流为冲刷岸,坡脚仅有少量崩坡积物分布。工作场地属于新华夏系武陵山二级隆起带中段,处于云贵高原隆起带与洞庭湖沉降带之间。区内构造主要发生在燕山期,呈 NE、NNE 走向,。桥位区构造均属于尹家溪帚状构造带。桥位区两岸台地分布有薄层的黏土,谷底分布有崩坡积及坡洪积形成的碎石土及
8、黏性土等;下覆基岩为奥陶系下统南津关组灰岩、角砾岩状灰岩、灰质砾岩及寒武系中、上统娄山关群的白云岩、角砾状白云岩、白云质砾岩。此次物探工作的具体位置是张家界岸桥塔塔基。塔基及其附近基岩为灰质砾岩、角粒状灰岩,完整性较差,岩溶比较发育,存在岩溶不稳定的地质问题。本次探测前,主塔基础基坑已开挖至设计标高,开挖揭露发育多个竖向溶蚀裂缝(溶缝)竖井(图1)。为查明这些岩溶形态在基底以下隐伏的发育规模、深度、走向等情况,确保澧水大桥安全,对该主塔地基进行了物探工作。塔基下部竖直型溶缝、溶洞是本次雷达探测的主要目标体之一。野外工作使用 SI R?3000系统,天线中心频率为100MHz。对于该探地雷达系统
9、的*.dzt形式原始数据文件,其数据的存储形式笔者过去已进行过研究 7,可很方便地将所采集数据读出,并作进一步处理。图 1?塔基开挖后的现场张家界岸主塔塔基分左、右两幅,左幅的岩溶较发育,就以此幅的探测成果为例进行探讨。图 2为塔基左幅基坑中的雷达测线布置示意,共布置雷达测线 12条,测线长度分别为 8 19m 不等。图 2?塔基左幅基坑探地雷达测线布置示意3?探测结果与资料解释竖直型溶缝、溶洞的发育状态与水平岩溶明显不同,其在横向上尺寸较小,竖向上延伸一般较大。由于勘探位置主要为竖直型溶缝、溶洞,雷达天线只能在地表移动,因而异常范围在横向上会比较窄,对数据处理、异常分辨率的要求也需相应提高。
10、图 3为测线 R2、R11上的雷达探测原始图像,采样方式是按时间方式进行连续性采样,天线在基坑内沿测线匀速移动,这两条测线的长度分别为 18m和 8m,采样时窗分别为 400 ns和 300 ns。由图 3的采样结果可知,在近地表存在一些较强的反射信号,这可能是岩石经开挖松弛而形成的围岩松动区所致。测线 R2的 0 7 m 范围内反射信号较强,同相轴出现错断,比较明显的异常为剖面 5 m 附近的串珠状异常,且纵向上延伸较长;测线 R11的深部异常主要出现在该剖面 6 7m范围内,但该测线上的异常没有测线 R2上的清晰。?281?物?探?与?化?探35卷?图 3?R2线(a)、R11线(b)的探
11、地雷达原始结果图 4?R2线空间滤波后的雷达图像?图 3a中,由于雷达现场采集时其采样时窗比图3b长,噪声信号干扰明显强一些,图像中还存在很强的高频噪声。为此,对图 3a的雷达文件在室内作时域的二维空间滤波,滤波后的结果见图 4。显然,与图 3a相比,滤波后雷达图像中的高频杂波明显减少,信噪比得到进一步提高。为提高异常信号的分辨能力,首先采用 H ilbert变换对图 4和图 3b的雷达信号进行处理,求取它们的瞬时振幅剖面(图 5),并进行深度反演,即将纵坐标轴的双程旅行时换算成深度坐标。在图 5中,各封闭圈所指的区域较好地反映了各测线下方岩溶发育区域的存在及范围大小。其中,在进行 H ilb
12、ert变换前,R11线的雷达结果未进行空间域滤波处理,其瞬时振幅图没有图 5a清晰,深部还明显存在一些高频噪声;而且,图 5b中异常信号没有图 5a中的清晰,只是瞬时振幅在纵向上具有向下延伸趋势。为此,进一步计算 R11线探地雷达剖面的瞬时相位和瞬时频率(图 6)。由图 6可知,圈内瞬时相位的同相轴发生了明显扰动(图 6a),相应位置瞬时频率图中的同相轴也图 5?R2线(a)、R11线(b)雷达图像的瞬时振幅较紊乱,异常竖向延伸较长,推测该处可能存在竖直向岩溶空洞。同时,与瞬时振幅图(图 5b)相比,瞬时相位和瞬时频率图(图 6)中的异常信号更为明显。?根据测线 R2、R11上的探地雷达采集结
13、果以及后期数据处理成果,可推测 R2线上 4.9m 附近,埋深 2.8 16.1 m 范围内存在竖直发育的岩溶;R11线 6.4 m附近,埋深 5.8 16.4m 范围内也有竖直发育的岩溶。通过对每条探地雷达剖面的分析,并结合其他物探方法(如瞬变电磁法)成果以及地质?282?2期杨天春等:探地雷达在桥塔塔基岩溶勘查中的应用及信号分析图 6?R11线雷达图像的瞬时相位(a)和瞬时频率(b)情况,就可对开挖后塔基基底围岩的岩溶发育状况作出更加准确的整体推断。4?钻探验证情况对于物探解释的岩溶发育情况,现场采用钻孔进行验证,共布设钻孔 7个(图 2)。针对雷达剖面所解释的岩溶异常,分别在 R2线 4
14、.9 m 处、R11线6.4m处布置钻孔 ZK5和 ZK2。图 7为钻孔验证结果。ZK5:角砾状灰岩,中风化,角砾状结构,中厚层状构造,裂隙发育,隙中褐红色铁质胶结,胶结较好,局部裂隙中灰岩角砾充填,岩质坚硬,岩芯较破碎,其中,0 1.5 m溶蚀裂隙发育;3 17.1 m 为溶洞、空洞;3 5、13.7 14、15.8 17.1m 断续挂溶洞内石牙钻进,岩芯呈块状、凹面半边柱状;17.1 22.93m岩芯较完整,局部岩芯沿隙面裂开,岩芯呈闭合较好,半边柱状、块状。ZK2:0 3 m 为角砾状灰岩,中风化,角砾状结构,中厚层状构造,裂隙发育,岩质坚硬,岩芯破碎,呈块状,碎块状,其中,0 0.6
15、m 呈碎石夹土状,为施工未清表堆积物;2.8 3 m 溶蚀裂隙发育,岩芯呈碎石夹土状;3 5.7m 为泥质灰岩,裂隙发育,隙中 方解石细脉充填,岩芯呈短柱状、块状;5.716.95m为溶洞、空洞;16.95 24.01 m为角砾状灰岩,中风化,角砾状结构,中厚层状构造,裂隙发育,岩质坚硬,岩芯较完整,呈短柱状、柱状夹少量块状,其中 16.95 17.10 m裂隙发育,岩芯破碎,呈块状,20.8 20.9m岩芯呈柱状,20.2 20.4、22.6 22.8、图 7?钻孔验证结果?283?物?探?与?化?探35卷?23 23.5m 岩芯破碎,呈块状、半边柱状。从上述钻探结果来看,雷达资料的分析解释
16、结果是可靠的,特别是对竖直溶洞异常的判断比较准确。同时,根据对岩溶探测的成果,提出了相应的处理建议,为下一步的工程提供了科学依据。5?结语H ilbert变换在本质上是一种全通滤波器,探地雷达信号经过处理后可获取其瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率等信息。通过多参数波形剖面综合分析,相互参照,可避免由于单一雷达波形时距剖面进行解释所产生的偏差,进而提高探地雷达的解释精度,从而有助于提高探地雷达反演解释的准确性。从应用效果看,探地雷达较适用于探测浅部地层介质,探测速度快;在岩溶勘查方面具有广阔的应用前景,但对于竖直向的岩溶探测,一定要加强对信号的后期处理,从而提高信号的分辨率。另外,H il?bert
17、变换在探地雷达信号的分析处理方面是十分有效的,但在其应用前,一定要消除原始信号的中、高频噪声干扰,否则,噪声信号会影响后期处理结果的分辨率。参考文献:1?陈军,赵永辉,葛双成,等.探地雷达在马来西亚某石灰岩工地探测实例 J.物探与化探,2008,32(1).2?罗周全,鹿浩,袁节平,等.金属矿采空区精密探测与三维建模技术 J.湖南科技大学学报(自然科学版),2008,23(3).3?范占锋,李天斌,孟陆波.探地雷达在公路隧道超前地质预报中的应用 J.物探与化探,2010,34(1).4?JohannesHugensch m idt,Roman Loser.Detection of chlori
18、des andmoisture in concrete structuresw ith ground penetrating radar J.M aterials and Structures,2008,41(4).5?Huang L ing,Zeng Zhaofa,W ang M unan,et a.l High resolutionGPR and its experi mental study J.A pplied G eophysics,2007,4(4).6?刘斌,李术才,李树忱,等.复信号分析技术在地质雷达预报岩溶裂隙水中的应用研究 J.岩土力学,2009,30(7).7?杨天春,易
19、伟建,吕绍林.探地雷达数据文件的分割 J.物探与化探,2005,29(1).THE APPLICATION OF GPR TO THE EXPLORATI ON OF KARST CAVESIN THE FOUNDATI ON OF BRIDGE TOWER AND ITS SIGNAL ANALYSISYANG T ian?chun1,FENG Jian?xin1,WANG Zhan?jun2(1.College of CivilEngineering,Hunan University of Science andT echnology,X iangtan?411201,China;2.Sc
20、hool of Info?Physicsand GeomaticsEngi?neering,Central South University,Changs ha?410083,China)Abstract:Horizontalkarst caveswere frequently studied for geohazards prospecting in the past.In this paper,the application ofGPRto verticalkarst caveswas introduced in Zhangjiajie?Huayuan Expressway ofHunan
21、 Province,and the effectiveness of the co mplex sig?nal analysiswas illum inated inGPR data processing.A verticalkarst cave characterized by a s mall horizontal scale would arose an un?intelligible anomaly in theGPR i mage,which could not be recognized easily.The authors first processed the GPR data
22、 by two?di men?sional spatial filter,and then appliedH ilbert transfor m to the data,thus obtaining the transient a mplitude,transientphase and transientfrequency.F inally,the authors analyzed the processed data synthetically.The results show that the spatial filter can re markably eli m i?nate high
23、 frequency noise and i mprove SNR of the signa.l In addition,the accuracy of the GPR interpretation can be i mproved by themulti?para meter analyticalmethod.Drilling results prove the correctness of the inversion interpretation.K ey words:ground penetrating radar(GPR);H ilbert transfor m;karst,express way;geohazards作者简介:杨天春(1968-),男,汉族,湖南津市市人,博士后,主要从事地球物理与岩土工程方面的教学和科研工作。?284?