探測雷達技術在水工環地質勘察工作中的應用分析

汪向麗，蘇興榮

（河南省地質局生態環境地質服務中心，鄭州 450053）

1 引言

隨著經濟的發展與科技的進步，我國地質勘察領域得到了全面發展，多元化的地質勘察技術為當前的地質勘察工作提供了技術支持與保障，推動了我國地質勘察工作的開展。20世紀80 年代，西方國家開始對探測雷達勘察技術進行研究，并在諸多領域實現了全方位應用。雖然我國對該勘察技術的研究時間略晚于西方國家，并在實際應用水平上存在一定差距，但是在新形勢下，我國加大了對勘察技術的資金投入，探測雷達技術得到了全面提升，并在當前的水工環地質勘察工作中取得了顯著成效。

2 水工環地質勘察工作綜述

為行之有效地滿足當前地質勘察領域的建設需要，技術人員需要利用地質勘察技術做好地質勘察調查，以提升地質勘察的精準度及完整度。通常情況下，調查內容涵蓋地下水工程調查、地理條件調查及地下水分布調查等。在調查過程中，技術人員需借助地質勘察技術，對施工現場的地下水位變化及流動情況進行全面掌握，同時與當地政府提供的地質數據信息進行有效結合，進而對施工現場的水文條件進行客觀精準評估[1]。

水工環地質勘察工作涵蓋諸多勘察內容，導致施工單位所要使用的勘察技術存在差異。在進行水工環地質勘察工作時，有關技術人員需要注意以下4 點。

1）綜合考量施工現場實際情況，甄選合適的勘察技術，勘察方案需在全面調查結束后方可制訂。

2）在對水工環進行地質勘察時，技術人員需要對其勘察信息進行明確記錄。

3）可以借助電法技術與探測雷達技術對施工現場的地下埋藏物、地層巖石裂縫及地下水流速等信息進行勘察，并做好記錄。

4）技術人員需充分應用勘察設備，并在實際勘察工作中發揮出勘察技術優勢，切實提升水工環地質勘察工作的質量及水平。

3 水工環地質勘察技術

3.1 電法技術

電法技術是水工環地質勘察工作中較常見的一種勘察技術，在實際應用過程中，電法技術一般可分為兩類。

3.1.1 高密電法

在實際應用過程中，高密電法主要的呈現形式為列陣式勘察。技術人員借助高密電法可對勘察現場的地質水文情況進行詳細摸排，該方法的操作相對簡單。通常情況下，在水工環地質勘察工作中，技術人員一般都會以機械自動化技術來輔助高密電法進行勘察工作，以此來切實提升水工環地質勘察工作的質量及效率。

3.1.2 激化電法

激化電法在水工環地質勘察工作中是相對常見的，其可以對勘察現場的巖石及礦石進行激化，通過對其巖石以及礦石內部的激化差異對勘察現場的地質水文信息進行分析，以此獲得更精準的地質勘察結果。在實際水工環地質勘察中，激化電法常用于水資源檢測及礦石檢測。除此之外，技術人員在實際勘察流程中需對其激化電法的勘察流程進行科學管理，以提升水工環地質勘察工作的科學性及精準性。

3.2 RTK技術

RTK 技術是一種包含GPS 技術及載波位差點技術的地質勘察技術，在實際應用中可將地質勘察檢測狀態由靜態轉化為動態。RTK 技術可接收衛星數據，進而構建標準檢查站及移動式檢查站，切實提升水工環地質勘察工作的質量及效率。同時，對測量點進行網絡優化，有效解決數據衰弱誤差。技術人員通過RTK 測量結果，對當前的地質勘察區域進行虛擬參考設置，以此擴展移動監測區域及標準檢測距離，降低實際檢測作業量。RTK 技術工作原理示意圖如圖1 所示。

圖1 RTK技術工作原理示意圖

3.3 RS 技術

RS 遠程探測技術一般應用于氣象及地質探測領域，其可遠程收集信息，應用RS 探測技術時不受外部天氣影響，同時借助遠程衛星對其勘察地區的圖像信息進行呈現，切實提升其勘察分辨率。在水工環地質勘察中，技術人員可借助RS 技術對水工環進行動態化監測，構建完備的地表水及地下水數據資源信息庫，為能源及資源開發提供較完善的數據及技術支持，切實提升水工環地質勘察工作質量及水平[2]。

4 探測雷達技術在水工環地質勘測中的應用

4.1 探測雷達技術原理及系統構成

在水工環地質勘測過程中，探測雷達技術可以對地下勘測目標發送特定波長的高頻電磁波，電磁波在地下介質傳播過程中，通過均質地層介質時可實現穩定傳播；在傳導過程中遇到存有電性差異的目標體時，會對其進行反射，其反射回電磁波可被外部接收天線接收。通常情況下，介質間的電磁特性差異越大，介質間的界面就越容易被識別。技術人員可對接收的信息進行分析與處理，根據電磁波的傳播時間及波形特征，通過信號振幅強弱對其目標體的基本特征進行推測，如目標體的空間位置、結構和幾何形態等。

探測雷達技術的工作原理參考了麥克斯韋方程原理，圖2為探測雷達技術工作原理示意圖。

圖2 探測雷達技術工作原理示意圖

4.2 探測雷達技術參數

通常情況下，天線中心頻率受探測深度、空間辨識率及雜波干擾3 種因素影響。探測雷達中心頻率越低，其探測深度越大。探測深度與空間分辨率相互制衡，當其滿足探測深度及場地條件時，需要對其空間分辨率的方向進行明確認定。若將探測深度作為首要出發點，并將探測深度設置為D，單位m，水工環地質中的介質電常數為εr，中心天線頻率為fCD，其中心頻率計算如式（1）：

若將其空間分辨率設置為x，則中心天線頻率需切實滿足以下計算：

從其空間分辨率角度出發，若得到的中心天線頻率高于受雜波干擾發射回來的中心頻率時，表明其空間分辨率與當前的探測深度存在矛盾。天線中心頻率與其地質勘察深度對應數據如表1 所示。

表1 天線中心頻率與探測深度對應數據表

在對時窗進行甄選時，需了解實際探測深度D 與水工環地質地層電磁波速度V（單位m/ns）之間的關系，時窗W 計算如式（3）：

在對時窗的選用值進行明確時，其最后結果需比預期值提高30%，以此預留出地層速度與勘查主體深度的變化量，水工環地質勘測中不同勘測介質的時窗數據選擇如表2 所示。

表2 時窗數據甄選表

對比當前的探測雷達系統天線頻帶寬度與其中心頻率，其頻帶寬度需高于中心頻率。根據奎斯特（Nyquist）理論，實際采樣數據需高于天線中心頻率3 倍，為切實保證完整的波形記錄，通常情況下，采樣數據的頻率被設置為天線中心頻率的6 倍，若其天線中心頻率以f 表示，單位MHz，則采樣距離lt的計算如式（4）：

探測雷達技術采樣距離與天線中心頻率關系如表3 所示。

表3 采樣距離及天線中心頻率關系表

4.3 應用分析

探測雷達技術會發射一定的脈沖電磁波，并通過專業設備接收脈沖電磁波，之后使用專業軟件分析其反饋信息，以此掌握與了解水工環地質勘察主體的實際情況[3]。探測雷達作為水工環地質勘察方法中的一種，相較于傳統勘察方法，探測雷達具有以下優勢。

1）分辨率高，尤其是對淺層地表的探測精度分辨率可達厘米級。

2）工作效率高，探測雷達儀器設備輕便，操作簡單，充分發揮了計算機采集和處理數據優勢，極大提高了工作效率，降低了成本。

3）相較于傳統勘探手段，探測雷達技術具有探測無損性特點，即這種探測不會損害、影響被檢測物體未來的使用性能和用途。

雷達的電磁波頻率一般集中于100 萬～10 億Hz，這對特殊特質環境具有較好的地質勘測效果，在水工環地質勘測工作中表現良好。隨著技術的不斷發展，探測雷達技術在水工環地質勘察中可應用于淺表地質調查、地質災害勘查、地下管線調查、地基及路基病害檢測、隧道襯砌檢測、隧道地質超前預報、水庫堤壩檢測、土壤含水率調查、有機污染調查等領域。

4.4 實證分析

4.4.1 鞏義市某河道治理工程勘察

工作區劃屬于華北地層區——華北平原分區的豫東地層小區。與工程關系密切的地層主要為上更新統沖洪積地層和全新統地層。場區勘探深度范圍內揭露地層主要為第四系全新統上段沖積層，地層巖性主要為粉土、粉質黏土和粉細砂?？辈煸O計中，勘察單位利用水工環地質勘察技術對工作區地下水位、河堤內部孔洞、裂縫、軟弱帶和堤基滲水通道等進行了翔實勘察。受沿河道設備通行條件限制，全部采用傳統勘察方法不僅成本高，且時間長。因此，勘察單位采用測探雷達技術對地質勘察工作進行輔助。

探測大堤沿線地下水位：現場工作采用探測雷達技術沿左右岸河堤分別布設2 條長探測剖面，使用天線中心頻率100～200 MHz，探測地表下2～7 m 土壤含水率及地下水位，并控制性布置少量傳統鉆探孔以查看地層情況并直接量測地下水位。對地質雷達探測的地下水位進行校準并相互印證，經查明，本場地地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水，賦存于第四系全新統砂層、粉土層中，場區地下水位埋深約2.45 m。

為查明河堤堤基滲水通道，采用地質雷達沿左右岸河堤布置多條縱剖面初步探測土壤含水率，針對探測發現的河堤浸潤線異常處，再布置橫剖面詳查。使用測探雷達技術在本工程中發現多處隱患，證明勘察效果良好，這為堤壩隱患修復工作提供了專業的數據支持。

4.4.2 鄭州市農業路快速通道工程農業路—中州大道互通立交地下埋藏物勘察

本工程在詳細勘察前進行了現場踏勘，發現互通立交的西向南北方向2 條匝道WS、WN，匝道橋墩規劃設計位置分別占壓地下車庫及地下商場，因地下車庫及地下商場缺乏準確可靠的建筑物位置坐標，故勘察單位采用探測雷達技術對地下車庫及地下商場外圍輪廓線及地下管線進行探測。

現場探測雷達使用天線中心頻率50～200 MHz，詳細探測出地面以下2～10 m 深度范圍內地下管線的位置、清晰的地下車庫及地下商場外圍輪廓線位置的坐標深度數據，探測成果提交設計院后，設計單位在規劃匝道位置不變的情況下，迅速調整橋梁跨度及可行樁基位置，為本工程減少拆遷損失、確保施工工期提供了有力保證。

5 結語

隨著科技發展及技術進步，我國地質勘察技術得到全面的發展及應用，使我國在資源及能源開發領域獲得了行之有效的技術保障。良好的地質勘察技術能最大限度地提升當前資源及能源開采效率。因此，為提升我國水工環地質勘察工作質量及效率，促進我國能源及資源經濟全面發展，水工環地質勘察部門需要對當前的地質勘察技術進行不斷優化與創新，以此提升地質勘察工作的精準性及完整性，從而推動我國水工環地質勘察領域的可持續發展與完善。