CN113703058A - 一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，通过测得视电导率、圈定水平位置、反映出相对介电常数、确定掩埋深度、确定障碍物位置，利用大地电导率仪可直接测量出工区内部视电导率分布情况，该方法探测手段简单、快速，可直接获得视电导率剖面，用以圈定地下障碍物的水平方向分布情况。然后再根据水平位置，建立地质雷达测线进行详细勘查，最终结合地质雷达剖面结果，综合确定地下障碍物的三维分布情况。本发明在提高工作效率的同时，做到了地下障碍物精准三维定位，为后期安全施工提供了可靠保障。
Description
技术领域
本发明属于建筑施工领域，尤其是涉及一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法。
背景技术
城市建筑过程中经常面临既有建筑结构影响，导致建筑结构施工的基础部分施工难度较大，加之复杂的地质情况影响，例如地下障碍物等因素的影响，使得施工难上加难，同时还面临安全风险。在施工前通常会对工区进行开挖，除去工区内部影响后续施工的地下障碍物。但盲目地开挖不仅会破坏工区内部实际地质情况，还会增加很多工作量，投入更多的人力物力。因此，施工前必须先对基础部分进行必要的工程勘探，并做好地质结构预判和预测。工程物探技术是一种通过分析所观察到的地球物理场，利用目标体的物理性质与周围环境之间的差异来识别目标体的大小和性质的方法。城市地下障碍物通常以建筑物基础、地下构筑物及地下不明障碍物的形式存在，相对于周围环境具有不同的物理性质，如介电常数、电导率等等。
地质雷达是超前地质探测类别中物探法中的一种，具有连续、无损、高效和高精度等优点，属于短距离地质探测方法，尤其适合于对岩溶地区的溶洞、断层、富水岩层等进行探测。与地震波反射相比，地质雷达时效性强，设备简单方便，操作简便，能在现场迅速进行探测工作，在国内外应用广泛。近年来，针对城市地下障碍物的探测通常是采用地质雷达探测方法，该方法基于不同介质的相对介电常数的差异进行探测，设备简便、操作简单，成像效果明显，因此等到了广泛应用。虽然该方法对于地下障碍物分辨率相对较高，但是仅能得到剖面内部地下障碍物的分布情况，对于剖面外部掩埋情况仍然未知。针对大面积施工工区，通常工期较紧，若仅仅采用地质雷达探测未知地下障碍物时，需要涉及多条测线探测，工作量巨大、耗时长、成本高，数据量大，处理复杂。
大地电导率测量通常用于堤坝、库区、江湖等渗漏探查、坝基质量检测、地下水勘查、土壤盐分检测等诸多领域，已取得了很好的社会经济效益。大地电导率仪主要由信号发射端和接收端组成，发射端发射一个随时间变化的原生磁场，在大地中随之产生非常微弱的交流感应电流，此电流诱发出次生磁场，原生磁场和次生磁场均被接收端接收，次生磁场与原生磁场的比值与电导率呈正相关，可直接计算出大地视电导率分布。该设备不需要与大地接触就可以测量视电导率，无需配备任何探针，勘测简单快捷。利用这类设备进行大地电导率调查，可以大大缩短所需时间，工作效率明显提高。
目前，基于大地电导率仪和地质雷达综合探测手段已应用于堤坝工程隐患探测中，对于地下障碍物探测仍然是一个未知的领域。通常情况下，城市地下障碍物与周围环境具有电导率和介电常数差异，因此通过大地电导率仪和地质雷达组合探测是可行的。总体来讲，仅利用地质雷达进行大面积施工工区地下障碍物探测，其工作效率低下，针对工区地下障碍物分布情况未知时，前期盲探工作需要大致定位出障碍物水平分布情况，然后在对其进行详探，确定其深度方向掩埋状态，进而推断出障碍物的三维分布情况，这对于后期安全施工具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，通过利用视电导率和相对介电常数信息探测地下障碍物，在提高工作效率的同时，做到了地下障碍物精准三维定位，为后期安全施工提供了可靠保障。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，包括以下步骤；
S1、测得视电导率；利用大地电导率仪进行面积性盲探，通过数据处理得到平面视电导率情况；
S2、圈定水平位置；结合视电导率信息和探测地实际情况，圈定目标地质体水平位置；
S3、反映出相对介电常数；根据S2中圈定的目标地质体水平位置，利用地质雷达布设雷达测线进行详探，通过数据处理得到雷达数据剖面，该剖面即可反映地下相对介电常数信息；
S4、确定掩埋深度；结合S3中剖面所反映的相对介电常数信息，进而详细确定目标地质体的掩埋深度；
S5、确定障碍物位置并验证；综合视电导率和相对介电常数信息，确定地下障碍物的三维位置，并对探测结果进行开挖验证。
进一步的，大地电导率仪包括信号发射端和接收端，信号发射端工作时发射一个
随时间变化的原生磁场
，在大地中随之产生非常微弱的交流感应电流，此电流诱发出次
生磁场
,原生磁场
和次生磁场
均被接收端接收，次生磁场与原生磁场的比值与
电导率呈正相关，即
；
其中，
为角频率，
为发射频率，单位为Hz；
为大地电导率，单位为S/
m；s为发射端与接收端之间距离，单位为m；
为真空磁导率。
进一步的，S1中的面积性盲探；通常根据工区大小采用满覆盖模式，实现快速直观地得到整个工区内部大地电导率分布情况的目的；满覆盖模式为沿南北方向对测线进行布设，采集顺序为S型或平行或网格状。
进一步的，S1中的数据为各个测点处电导率数据，需要利用软件或程序，对该散点数据进行网格化，则能够得到整个工区内电导率分布情况。
进一步的，S2中，大地电导率测量是以地下介质电导率差异为测量基础，目标地质体与周围环境的电导率存在差异，即反映出目标地质体位置。
进一步的，S3中，雷达测线的布设与目标地质体走向垂直或斜交。
进一步的，S3中，数据处理包括静校正、截除初至波、能量补偿、背景去除、滤波处理。
进一步的，S4中，电磁波的不同介质交界面处形成不同的强反射信号，根据波性特征读出异常体形态和具体位置信息。
进一步的，S5中，先利用工区内平面视电导率分布目测圈定目标地质体水平位置，再利用地质雷达详探目标地质体的掩埋深度和水平分布位置，进而确定地下障碍物的三维分布情况。
相对于现有技术，本发明所述的一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法具有以下优势：
（1）本发明利用大地电导率仪预先进行面积性盲测，直接计算出大地视电导率，可以快速圈定地下障碍物可能分布的水平位置。
（2）本发明根据视电导率分布情况，建立地质雷达测线，进行地质雷达详探，极大地提高了工作效率。
（3）通过利用视电导率和相对介电常数信息探测地下障碍物，在提高工作效率的同时，做到了地下障碍物精准三维定位，为后期安全施工提供了可靠保障。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法的原理图；
图2为本发明大地电导率探测满覆盖测线示意图；
图3为本发明平面视电导率分布情况及地质雷达剖面；
图4为本发明目标地质体掩埋深度示意图；
图5为本发明一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法流程框图。
附图标记说明：
1、雷达测线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，包括以下步骤；
S1、测得视电导率；利用大地电导率仪进行面积性盲探，通过数据处理得到平面视电导率情况；
S2、圈定水平位置；结合视电导率信息和探测地实际情况，圈定目标地质体水平位置；
S3、测得相对介电常数；根据S2中圈定的目标地质体水平位置，利用地质雷达布设雷达测线1进行详探，通过数据处理得到雷达数据剖面，该剖面即可反映地下相对介电常数信息；
S4、确定掩埋深度；结合S3中剖面所反映的相对介电常数信息，进而详细确定目标地质体的掩埋深度；
S5、确定障碍物位置并验证；综合视电导率和相对介电常数信息，确定地下障碍物的三维位置，并对探测结果进行开挖验证。
优选的，S1中，在进行探测之前，需要对工区进行踏勘，了解工区内部地质、地层情况，对后期数据解释具有重要意义，
优选的，S1中，大地电导率测量是以地下介质的电导率差异为基础，通过研究电磁
场的空间和时间分布特征解决实际问题的一种探测手段；大地电导率仪可直接测量出工区
内部平面视电导率分布情况；大地电导率仪包括信号发射端和接收端，信号发射端工作时
发射一个随时间变化的原生磁场
，在大地中随之产生非常微弱的交流感应电流，此电流
诱发出次生磁场
,原生磁场
和次生磁场
均被接收端接收，次生磁场与原生磁场
的比值与电导率呈正相关，即
；
其中，
为角频率，
为发射频率，单位为Hz；
为大地电导率，单位为S/
m；s为发射端与接收端之间距离，单位为m；
为真空磁导率。因此根据上
述公式，大地电导率仪可快速、非接触地测量出地下视电导率。
优选的，S1中的面积性盲探；通常根据工区大小采用满覆盖模式，实现快速直观地得到整个工区内部大地电导率分布情况的目的；满覆盖模式为沿南北方向对测线进行布设，采集顺序为S型或平行或网格状。
优选的，S1中的数据为各个测点处电导率数据，利用大地电导率测得，然后需要利用软件或程序，对该散点数据进行网格化处理，则能够得到整个工区内电导率分布情况。
优选的，S2中，由于大地电导率测量是以地下介质的电导率差异为基础，因此当目标地质体与周围环境的电导率存在差异时，可反映出目标地质体位置。因此可以直接通过目测，圈定出目标地质体的大致水平位置。
优选的，S3中，地质雷达探测即是通过天线发射电磁波，当电磁波在目标地层中传播时，若目标地层中存在地质异常体，目标地层的电性参数会发生改变，导致电磁波在异常体的交界面处发生反射和折射，反射波将沿着回波路径被接收。通过分析反射波的反射特征，可反映出地下地质体相对介电常数信息，便可预报目标地层中的地质情况。为了进一步探测出目标地质体的掩埋位置，节省工期，无需对整个工区布设地质雷达测线1，仅需要针对视电导率信息所反映出的异常位置进行探测，雷达测线1的布设与目标地质体走向垂直或斜交，保证测量工作顺利进行。
进一步的，S3中，数据处理包括静校正、截除初至波、能量补偿、背景去除、滤波处理；数据处理即对实测雷达剖面数据进行静校正、截除初至波、能量补偿、背景去除、滤波处理，即可得到处理后的剖面数据，该数据可反映出地下地质体相对介电常数信息。静校正可以将数据校正到同一基准面，抑制起伏地形对数据质量的影响，方便后续数据处理。若地面平整情况下，则无需进行静校正处理；截除初至波用于去除初至波干扰；能量补偿是对波形能量进行补偿，由于电磁波进入大地之后会经历地层的吸收、反射、透射等作用，造成能量衰减。因此探测深度越深，电磁波能量越弱，通过能量补偿处理，可以增加信号强度，利于后续解释工作；背景去除，即是去除周期性的水平和近水平方向上的噪声；滤波处理用于对数据进行滤波，尽量压制除有效信号以外的随机噪声。
优选的，S4中，由于电磁波在不同介质交界面处形成强反射信号，即反映出目标地质体的相对介电常数，通过对地质雷达剖面进行分析，根据波形特征，可直接读出异常体形态和具体位置信息，即水平方向与深度方向的埋藏深度。
优选的，S5中，综合视电导率和相对介电常数方式，即是先利用工区内平面视电导率分布目测圈定目标地质体水平位置，再利用地质雷达详探目标地质体的掩埋深度和水平分布位置，进而确定地下障碍物的三维分布情况。
实施例：
1、根据施工工区情况，先利用大地电导率仪进行面积性盲探，通过数据处理得到平面视电导率分布情况；大地电导率仪可快速、非接触地测量地下电导率，可直接生成大地视电导率平面成像结果。面积性盲探通常根据工区大小采用满覆盖模式。本实例中，通过连续测量的形式进行大地电导率测量，其他工程可根据实际情况采取点测或连续测量的勘探方式。在实际工区中，可能存在如一些地上废弃建筑物，需绕道而行，如图2所示；大地电导率平面成像法使用的是捷克GF公司CMD-Explorer大地电导率仪，采用垂直偶极Auto模式，采样频率1s，测线间距1m。
从大地电导率仪可直接导出视电导率数据，对其直接利用Surfer软件进行网格化即可得到平面视电导率分布情况，如图3所示。根据工区实际地质、地层情况，黑色高值区域电导率大于120 mS/m，推测为金属障碍物；白色区域表现为中等电导率，约40~120 mS/m，推测为素填土；而灰色区域电导率相对低，大多小于40 mS/m，推测为建筑垃圾。
2、结合视电导率信息，圈定目标地质体大致水平位置；根据目标地质体与周围环境电导率差异目测圈定其大致水平位置，如图3虚线椭球框所示，其走向方向大致为椭球长轴方向。
3、建立地质雷达测线1进行详探，通过数据处理得到雷达数据剖面；地质雷达使用的是瑞典ImpulseRadar公司CO730系列雷达系统。本次使用雷达天线主频300MHz，点距0.05m、时窗156.25ns，综合波速0.1m/ns。布设地质雷达测线1时，通常垂直或斜交于目标地质体大致走向，如图3所示实线所示。
4、结合相对介电常数信息，进而详细确定目标地质体的掩埋深度；根据不同介质中相对介电常数差异，对雷达数据进行处理，本工程数据处理使用Reflexw软件进行静校正、截除初至波、能量补偿、背景去除、滤波处理，得到最终雷达剖面图。对数据进行解释，进一步确定目标地质体掩埋深度，如图4所示方框位置。雷达剖面在测线位置69-73m，深度0.8m处顶部形成不连续的反射波组，内部波形结构杂乱，绕射波明显，多次波明显。
5、综合视电导率和相对介电常数信息，确定地下障碍物的三维位置，并对探测结果进行开挖验证；综合视电导率和相对介电常数信息，确定地下障碍物的三维位置。综合现场实际情况推测该异常区域在水平方向上69-73m，深度方向上0.8m处存在建筑垃圾。对实施例工区进行开挖验证后，推测地下障碍物埋藏情况与实际开挖点位置所示建筑垃圾位置基本一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1、测得视电导率；利用大地电导率仪进行面积性盲探，通过数据处理得到平面视电导率情况；
S2、圈定水平位置；结合视电导率信息和探测地实际情况，圈定目标地质体水平位置；
S3、反映出相对介电常数；根据S2中圈定的目标地质体水平位置，利用地质雷达布设雷达测线进行详探，通过数据处理得到雷达数据剖面，该剖面即可反映地下相对介电常数信息；
S4、确定掩埋深度；结合S3中剖面所反映的相对介电常数信息，进而详细确定目标地质体的掩埋深度；
S5、确定障碍物位置并验证；综合视电导率和相对介电常数信息，确定地下障碍物的三维位置，并对探测结果进行开挖验证。
2.根据权利要求1所述的一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，
其特征在于：大地电导率仪包括信号发射端和接收端，信号发射端工作时发射一个随时间
变化的原生磁场
，在大地中随之产生非常微弱的交流感应电流，此电流诱发出次生磁场
,原生磁场
和次生磁场
均被接收端接收，次生磁场与原生磁场的比值与电导率
呈正相关，即
；
其中，
为角频率，
为发射频率，单位为Hz；
为大地电导率，单位为S/m；s为
发射端与接收端之间距离，单位为m；
为真空磁导率。
3.根据权利要求1所述的一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，其特征在于：S1中的面积性盲探；通常根据工区大小采用满覆盖模式，实现快速直观地得到整个工区内部大地电导率分布情况的目的；满覆盖模式为沿南北方向对测线进行布设，采集顺序为S型或平行或网格状。
4.根据权利要求1所述的一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，其特征在于：S1中的数据为各个测点处电导率数据，需要利用软件或程序，对该散点数据进行网格化，则能够得到整个工区内电导率分布情况。
5.根据权利要求1所述的一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，其特征在于：S2中，大地电导率测量是以地下介质电导率差异为测量基础，目标地质体与周围环境的电导率存在差异，即反映出目标地质体位置。
6.根据权利要求1所述的一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，其特征在于：S3中，雷达测线的布设与目标地质体走向垂直或斜交。
7.根据权利要求1所述的一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，其特征在于：S3中，数据处理包括静校正、截除初至波、能量补偿、背景去除、滤波处理。
8.根据权利要求1所述的一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，其特征在于：S4中，电磁波的不同介质交界面处形成不同的强反射信号，根据波性特征读出异常体形态和具体位置信息。
9.根据权利要求1所述的一种利用视电导率和相对介电常数探测地下障碍物的方法，其特征在于：S5中，先利用工区内平面视电导率分布目测圈定目标地质体水平位置，再利用地质雷达详探目标地质体的掩埋深度和水平分布位置，进而确定地下障碍物的三维分布情况。
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