地質雷達檢測技術在工程地質裂縫探測調查中的應用

王鵬禹 李 磊

（中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710016）

近年來，地質雷達在工程勘察、質量檢測和地質與工程病害的預報和診斷等環節發揮著重要作用。在解決工程疑難問題的能力方面有明顯提高。一些無法解決的工程檢測問題，現在有了較為成熟的技術和技術設備。

地質雷達技術用于土建隱患的探測，通過掌握不同隱患類型在雷達圖像上的反映特征，提高異常的判斷能力和精度，較確切地推斷工程隱患的性質和位置，以便指導工程施工和管理。

圖1 地質雷達系統基本部分組成

本文以某抽水蓄能電站下水庫進/出水口邊坡在 1409平臺邊坡爆破施工中，邊坡出現兩處明顯的開裂為例，進行了地質裂縫探測調查。為工程提供了比較準確的地質裂縫分布，提出了地質預報的結論和建議，為地質災害處理和建筑物設計修改提供了依據。

1 地質雷達設備系統及工作原理

1.1 地質雷達系統

地質雷達是一種寬帶高頻電磁波信號探測方法，它是利用電磁波信號在物體內部傳播時電磁波的運動特點進行探測的。地質雷達系統的基本部分如圖1所示。

（1）控制單元：控制單元是整個雷達系統的管理器，計算機（32位處理器）對如何測量給出詳細的指令。系統由控制單元控制著發射機和接收機，同時跟蹤當前的位置和時間。

（2）發射機：發射機根據控制單元的指令，產生相應頻率的電信號并由發射天線將一定頻率的電信號轉換為電磁波信號向地下發射。其中電磁信號主要能量集中于被研究的介質方向傳播。

（3）接收機：接收機把接收天線接收到的電磁波信號轉換成電信號并以數字信息方式進行存貯。

（4）電源、光纜、通訊電纜、觸發盒、測量輪等輔助元件。

（5）專用設備：目前在工程檢測中常用的地質雷達主要為國外一些公司生產的地質雷達及配置不同頻率范圍的雷達天線。

1.2 地質雷達工作原理

地質雷達依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作。發射天線將高頻（106～109Hz或更高）的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下，被地下介質（或埋藏物）反射，然后由接收天線接收見圖2。

圖2 雷達的測試原理及其探測方法

根據電磁波理論，當雷達脈沖在地下傳播過程中，遇到不同電性介質交界面時，由于上下介質的電磁特性不同而產生折射和反射。

使用相應雷達資料處理軟件，進行資料處理。對數據文件進行了預處理、增益調整、濾波和成圖等方法的處理。最終得到各測線的成果圖，以此進行分析評價工作。

2 地表裂縫情況

該抽水蓄能電站下水庫進/出水口邊坡在 1409平臺邊坡1429～1409m高程爆破施工中邊坡出現兩處明顯的開裂。由于1429m高程以下開挖石渣尚未清理，開裂情況尚不完全清楚。邊坡監測點的位移不僅沒有收斂，反而有變大的趨勢。初步判斷可能為沿結構面滑動所致。

邊坡裂縫分布情況：在下水庫進/出水口邊坡一共有長大裂縫2條。其中1#裂縫分布在1449高程并向下延伸，地表出露長度25m左右；2#裂縫分布在1469高程并向下延伸至1429高程，地表出露長度70m左右。裂縫分布見圖3。

圖3 地表裂縫分布示意圖

3 地質雷達探測調查成果及分析

3.1 探測調查內容

（1）探測下水庫出水口邊坡裂縫的深度。

（2）探測下水庫出水口f905-14斷層分布情況。

3.2 探測調查成果及分析

（1）采用地質雷達在該區域共布置了 5條測線，分別在1429高程布置1條，1449高程布置1條，1469高程布置3條。

（2）在邊坡高程1429處布設1#測線，對高程1429馬道以下是否存在軟弱夾層進行探測，雷達探測圖見圖4。

由圖 4黑色方框區域可以明顯看出：在 1429高程以下存在一條層位分界面，最淺處埋深4m，最深處埋深8m（在深度10～60m未發現異常值），初步判斷為一軟弱夾層，厚約50～60cm。

結合地勘資料，判斷可能是F905-14斷層。白色方框1、2區域為雷達過裂縫2及旁邊裂縫時產生的反射，由于裂縫之間有塊石等填充物，產生一定寬度的空腔，導致雷達信號反復震蕩，不能判斷裂縫的深度。白色方框3為過夾層時產生的反射。

（3）在下水庫進/出水口邊坡高程1469，布設3#測線、4#測線和5#測線對裂縫2進行探測，雷達檢測圖分別見圖5～6。

由圖5可以看出，裂縫2在5#測線位置上口充填少，裂縫較寬，深度在43m左右。由圖6可以看出：裂縫2在4#測線位置有4處裂縫，且上口充填不密實，裂縫較寬，裂縫深度在11～23m。

圖4 測線1雷達檢測圖

圖5 測線3雷達檢測圖

圖6 測線4雷達檢測圖

3.3 探測調查結論

據地質雷達檢測成果，下水庫進/出水口邊坡裂縫探測結論如下。

（1）在1429高程以下存在一條層位分界面，其分布為中部深、兩端淺的弧形，最淺處埋深4m，最深處埋深8m。初步判斷為一軟弱夾層，厚約50～60cm。結合地勘資料，判斷可能是F905-14斷層。

（2）裂縫1地表寬度約30～40cm，1449高程深部未發現裂縫。

（3）裂縫2上部地表最大寬度為130cm，充填不密實，充填物主要為碎石，探測到裂縫2在測線3位置最大深度為43m；裂縫2在測線4位置深度為11～23m；測線5位置深部未發現裂縫。

（4）根據邊坡裂縫出現的位置，推斷可能滑坡體輪廓線見圖7。

3.4 建議

（1）建議對軟弱夾層（可能是地質勘探時的F905-14斷層）取原狀樣做抗剪強度試驗。如不取軟弱夾層原狀樣進行抗剪強度試驗，參考地質資料。軟弱夾層穩定演算參數建議指標：Φ=20，C=0.05MPa；根據裂縫探測調查結論，建議軟弱夾層傾角按45°；合理選取計算參數后，對邊坡的穩定性進行演算。

（2）因滑動體體積不大，建議部分挖除，并采用抗滑樁和錨索對邊坡進行抗滑加固處理，保證邊坡穩定，確保下水庫庫區安全和電站的安全運行。

（3）為保證下水庫進/出水口構筑物的安全，建議根據工程構筑物的布置情況，適當調整下水庫進/出水口建筑物的位置，避免裂縫可能對其造成的危害。

圖7 邊坡裂縫深度及滑坡體示意圖

4 實際處理措施

根據對該開裂體的調查結果，設計單位基本采納了我們的建議，對開裂體提出了專項處理方案。

主要是將邊坡開挖面整體向山體方向推移近20m，將整個開裂體挖除，坡腳最低開挖高程基本保持原設計高程 1408.3m。邊坡支護除保持原設計方案外，另增加了30m深的預應力錨索加強邊坡支護。并對水庫進/出水口建筑物的位置和走向進行了適當調整。

5 結 語

地質雷達最早用于工程場地的勘查，包括重要工程場地、鐵路與公路路基，用于解決松散層分層和厚度分層、基巖風化層分布、以及節理斷帶層等問題。應用該技術選用 RTA50MHZ屏蔽天線，對淺地表裂縫進行探測調查，取得了比較理想的效果。

地質雷達以其非破壞性實時檢測、抗干擾性強、分辨率高，操作簡單等特點，在超前地質預報、工程檢測、工程勘察中被迅速推廣應用。

[1]李大心.地質雷達方法及應用.北京:地質出版社,1994.[4]

[2]李大心.地球物理方法綜合應用與解釋[M].武漢:中國地質大學,1999

[3]曾昭發,劉四新,王者江,等.探地雷達方法原理及應用[M].北京:科學出版社,2006