水利水電工程勘察中地質雷達的應用分析

徐加益

（貴州省水利水電勘測設計研究院貴州貴陽550002）

水利水電工程勘察中地質雷達的應用分析

徐加益

（貴州省水利水電勘測設計研究院貴州貴陽550002）

本文介紹了地質雷達測試技術的基本原理、探測方法、數據處理、資料解釋原理和地質雷達技術在水利水電工程中的應用，并結合實例分析其具體的應用情況，供參考。

地質雷達；應用條件；工程應用；分析

1　地質雷達的工作原理和方法

地質雷達的主要作用是確定地下介質的分布情況，其主要通過兩個天線完成信號的傳輸和接收，一個天線負責發射高頻率寬頻帶短脈沖電磁波，另外一個天線接收地下結構界面的反射波信號。［1］經過長期實踐發現，電磁波在地下介質傳播過程中，其傳播形態等都會受到外部環境的影響，所以，依據接收到波的旅行時間、幅度和電磁波形態等多種信息，可以對介質的組織結構、埋設物體的深度和規模等進行估測。雷達探測的分辨率較高，在中淺層高分辨率探測工作的中的應用效果較好，探測的深度在0m～50m左右，高頻天線的分辨率可以達到毫米級別。地質雷達的工作原理如圖1所示。

1.1求取目標體深度

運用計算機對地質雷達數據進行處理，完成雷達影像的繪制以及相關數據計算，其處理過程如下：

計算機反演計算目的體的深度公式如下：

圖1　地質雷達工作原理

式中：A代表的是起始發射脈沖振幅；A0代表的是第一層介質界面反射回來的訊號振幅；ε1代表的是第一層介質的介電常數。

基于上述公式計算可以得知第一層價值的介電常數，為：

按照公式（2）可以計算出雷達波在第一層介質中的傳播速度，計算過程如下：

式中：C代表的是電磁波在真空中的傳播速度，即光速，為0.3m/ns

由雷達數據讀出第一層目的體的雙程反射時t1，就可計算出第一層目的體的深度，即：

按（3）式可求出第一層深度，第二層的反射系數要乘上一個穿透損失系數（1-R02），它表示從下面第二層底部反射回地面的電磁波訊號在穿進穿出第一層底部界面時的損耗，所以：

由此：R1=A1/A（1-R02）=A1A/（A2-R02）（6）獲得第二層的介電常數ε2

雷達波在第二層介質中的傳播速度：

最后得出第二層的厚度h2：

按照此方法可以計算出多層目的層的具體深度數值。

1.2求取目標體規模

1.2.1漸進線法

若目標體呈為球體，那么雷達記錄的圖像應該呈現為雙曲線，根據雙曲線的漸近線進行計算，獲得地下洞穴的洞涇數據信息，如圖2所示，假設地下洞穴的半徑為r，該洞穴是球狀體，埋深為h，觀測點Q和冬眠反射點P之間的間隔距離為ρ，記錄點為P’，則QP=QP′，即：y=ρ，由△Qoo’

可得：

上式為一虛、實軸相等的雙曲線方程，其中心在（0，-r）處，其漸近線方程為：

據此繪出圖3，圖中虛線就是雷達記錄的雙曲線，根據公式（9）和（10）可知：第一，圖像的漸近線是斜率為1的兩條相互垂直的直線；第二，漸近線和軸交點和原點之間的間隔距離為洞涇r；第三，當洞涇增加時，S點就會向上移動，雙曲線的弧度也會增大，洞涇減少時，S點就會向下移動，雙曲線的弧度就會減小；第四，當埋深增加時，t點向下移動，雙曲線的弧度增加，埋深減小時，t點向上移動，雙曲線的弧度減小。

圖2　地質雷達探測原理圖

圖3　漸近線法原理示意

依據上述反饋的雙曲線特性，在存在異常雙曲線情況下，可以計算出洞涇數據，并且可以根據以上公式進行計算，在雙曲線的漸近線上存在：

在地質雷達工作中，其采集數據時會設定一個零點，但是該零點不是真正的地面零點，所以在引用上述公式進行數據計算工程中，需要根據勘察的實際情況對零點進行調整，在確定零點之后，再將異常的雙曲線形態看做漸近線，再根據上式進行計算。［2］

由上述內容可知，地質雷達采集數據時設定的零點不是真正的地面零點，因此需要根據雷達影響對零點進行調整，在確定最終零點之后，根據雙曲線中的異常位置計算洞徑大小。

1.2.2菲涅爾帶半徑法

由電磁波傳播理論可知，地質雷達發射產生的能量主要集中在第一菲涅爾帶內：

式中：RF代表的是菲涅爾帶半徑，λ代表的是發射波長，λh代表的是目標反射波長。

由上述公式可知記錄中出現了較為明顯的雙曲線異常，那么表明地下洞穴開始進入第一菲涅爾帶，因此可以按照如下公式計算洞涇的大小：

式中：r表示的是洞穴的直徑大小；S表示的是異常的具體范圍；RF為菲涅爾帶半徑。

當異常為半支雙曲線時，則可以縮小異常范圍，縮至1倍的菲涅爾帶半徑。

根據上述兩種計算方法可以得知雷達的異常規模，但是因為目標體設置的不同，在實際工作中目標體可能不是球體，所以異常規模的估測結果可能存在偏差。［3］

2　工程實例

下翁溪水庫位于貴州省福泉市境內重安江支流烏梅河上游下翁溪河段，壩高大為41m，為雙曲細石砼砌塊石拱壩。1995年該水庫在汛期第一蓄水之后，庫首近壩庫岸發現有兩處出現了塌陷，運行之后，在左岸壩40m～110m庫岸范圍內陸續發現有9個塌陷坑。為了保證該水庫能夠穩定運行，需要對其進行全面勘察，查明安全隱患所在位置以及發展情況，并且通過地質條件勘察結構，推測水庫的地質發展趨勢，和未來水庫的運行狀況，并且綜合應用地質測繪和鉆探等多種手段查明水庫出現滲漏的具體原因，從而為大壩防滲方案的制定奠定基礎。地下水類型為巖溶洞隙水，該層是庫首的主要滲漏層位。

根據測區工程地質條件和地質問題的反饋情況，在左壩肩布設了兩條測線，并且在拱壩上布設了一條測線，在壩體背水面河床位置也布設了三條測線。該本次測繪，點距設置為0.5m，天線距設置為2m，天線中心頻率為20MHz，下面是詳細的雷達圖像說明：

第一，圖4是RD1測線64.5m～95.5m的雷達圖像，在測線14m～25m范圍內，旅行時為200ns處，波形是雙曲線，并且波形不規律，同相軸是不連續的，在直徑4m處，溶洞的頂部和上部覆蓋層相連，上部覆蓋層存在下陷的隱患。

第二，圖5反映的是RD2測線91.5m～120m的反饋圖形，在95m～105m位置存在強反射界面，并且同相軸是斷斷續續的，這就表明該區域介質電磁特性發生了改變，由于雷達圖像中的基巖反射面圖形較為清晰，可以估測該區域的異常情況多為塌陷導致的，塌陷區的巖體節理裂隙發育程度高，巖體破碎比較嚴重。該位置位于地表塌陷坑的中間，這就說明兩個塌陷坑是相連的，底部有巖溶管道穿過。

第三，圖6為壩體RD3段測線的雷達影像，由該圖可見，測線上水平方向15m～24m范圍內和垂直方向300ns～500ns范圍內有強反射界面，由此可以推測該區域壩體介質密實度不高。從對壩體的整體觀測結果來說，該壩體存在滲水問題，和雷達圖像反饋情況一致。

地質雷達探測技術的應用可以深入了解左壩肩、河床巖溶破碎帶、節理裂隙的發育情況，還能獲得壩體密實度的數據信息，可以基于這些數據信息制定具有針對性的防滲處理方案。

圖4　下翁溪水庫RD1測線地質雷達探測原始波形圖

圖5　下翁溪水庫RD2測線地質雷達探測原始圖像

圖6　下翁溪水庫RD3測線地質雷達探測原始圖像

3　結語

實踐證明，在水利水電工程勘察過程中應用地質雷達技術可以取得較好的應用效果，其可以對巖溶、斷層破碎帶等不良地質體進行監測，并且可以對水利建筑的關鍵部分進行勘察，其勘測數據準確度較高，可以作為水利水電工程設計和施工方案的制定提供參考依據。另外，地質雷達技術具有較為突出的優勢，體現在其工作周期短，獲得的數據信息量大，適度的加密點距可以實現目標體的準確定位。陜西水利

［1］壬興華，富天生.地質雷達在水毀水利工程現場安全檢測中的應用［J］.吉林水利，2012（3）：46-47.

［2］張偉.引水隧道工程中地質雷達檢測技術應用綜述［J］.山西水利科技，2014（3）：42-43.

［3］李鎬，仲曉杰，韓煜.地質雷達在隧道富水區超前預報中的應用［J］.土工基礎，2010，24（4）：88-90.

（責任編輯：暢妮）

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