地质雷达检测技术在工程地质裂缝探测调查中的应用

王鹏禹 李 磊

（中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710016）

近年来，地质雷达在工程勘察、质量检测和地质与工程病害的预报和诊断等环节发挥着重要作用。在解决工程疑难问题的能力方面有明显提高。一些无法解决的工程检测问题，现在有了较为成熟的技术和技术设备。

地质雷达技术用于土建隐患的探测，通过掌握不同隐患类型在雷达图像上的反映特征，提高异常的判断能力和精度，较确切地推断工程隐患的性质和位置，以便指导工程施工和管理。

图1 地质雷达系统基本部分组成

本文以某抽水蓄能电站下水库进/出水口边坡在 1409平台边坡爆破施工中，边坡出现两处明显的开裂为例，进行了地质裂缝探测调查。为工程提供了比较准确的地质裂缝分布，提出了地质预报的结论和建议，为地质灾害处理和建筑物设计修改提供了依据。

1 地质雷达设备系统及工作原理

1.1 地质雷达系统

地质雷达是一种宽带高频电磁波信号探测方法，它是利用电磁波信号在物体内部传播时电磁波的运动特点进行探测的。地质雷达系统的基本部分如图1所示。

（1）控制单元：控制单元是整个雷达系统的管理器，计算机（32位处理器）对如何测量给出详细的指令。系统由控制单元控制着发射机和接收机，同时跟踪当前的位置和时间。

（2）发射机：发射机根据控制单元的指令，产生相应频率的电信号并由发射天线将一定频率的电信号转换为电磁波信号向地下发射。其中电磁信号主要能量集中于被研究的介质方向传播。

（3）接收机：接收机把接收天线接收到的电磁波信号转换成电信号并以数字信息方式进行存贮。

（4）电源、光缆、通讯电缆、触发盒、测量轮等辅助元件。

（5）专用设备：目前在工程检测中常用的地质雷达主要为国外一些公司生产的地质雷达及配置不同频率范围的雷达天线。

1.2 地质雷达工作原理

地质雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作。发射天线将高频（106～109Hz或更高）的电磁波以宽带短脉冲形式送入地下，被地下介质（或埋藏物）反射，然后由接收天线接收见图2。

图2 雷达的测试原理及其探测方法

根据电磁波理论，当雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质交界面时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射。

使用相应雷达资料处理软件，进行资料处理。对数据文件进行了预处理、增益调整、滤波和成图等方法的处理。最终得到各测线的成果图，以此进行分析评价工作。

2 地表裂缝情况

该抽水蓄能电站下水库进/出水口边坡在 1409平台边坡1429～1409m高程爆破施工中边坡出现两处明显的开裂。由于1429m高程以下开挖石渣尚未清理，开裂情况尚不完全清楚。边坡监测点的位移不仅没有收敛，反而有变大的趋势。初步判断可能为沿结构面滑动所致。

边坡裂缝分布情况：在下水库进/出水口边坡一共有长大裂缝2条。其中1#裂缝分布在1449高程并向下延伸，地表出露长度25m左右；2#裂缝分布在1469高程并向下延伸至1429高程，地表出露长度70m左右。裂缝分布见图3。

图3 地表裂缝分布示意图

3 地质雷达探测调查成果及分析

3.1 探测调查内容

（1）探测下水库出水口边坡裂缝的深度。

（2）探测下水库出水口f905-14断层分布情况。

3.2 探测调查成果及分析

（1）采用地质雷达在该区域共布置了 5条测线，分别在1429高程布置1条，1449高程布置1条，1469高程布置3条。

（2）在边坡高程1429处布设1#测线，对高程1429马道以下是否存在软弱夹层进行探测，雷达探测图见图4。

由图 4黑色方框区域可以明显看出：在 1429高程以下存在一条层位分界面，最浅处埋深4m，最深处埋深8m（在深度10～60m未发现异常值），初步判断为一软弱夹层，厚约50～60cm。

结合地勘资料，判断可能是F905-14断层。白色方框1、2区域为雷达过裂缝2及旁边裂缝时产生的反射，由于裂缝之间有块石等填充物，产生一定宽度的空腔，导致雷达信号反复震荡，不能判断裂缝的深度。白色方框3为过夹层时产生的反射。

（3）在下水库进/出水口边坡高程1469，布设3#测线、4#测线和5#测线对裂缝2进行探测，雷达检测图分别见图5～6。

由图5可以看出，裂缝2在5#测线位置上口充填少，裂缝较宽，深度在43m左右。由图6可以看出：裂缝2在4#测线位置有4处裂缝，且上口充填不密实，裂缝较宽，裂缝深度在11～23m。

图4 测线1雷达检测图

图5 测线3雷达检测图

图6 测线4雷达检测图

3.3 探测调查结论

据地质雷达检测成果，下水库进/出水口边坡裂缝探测结论如下。

（1）在1429高程以下存在一条层位分界面，其分布为中部深、两端浅的弧形，最浅处埋深4m，最深处埋深8m。初步判断为一软弱夹层，厚约50～60cm。结合地勘资料，判断可能是F905-14断层。

（2）裂缝1地表宽度约30～40cm，1449高程深部未发现裂缝。

（3）裂缝2上部地表最大宽度为130cm，充填不密实，充填物主要为碎石，探测到裂缝2在测线3位置最大深度为43m；裂缝2在测线4位置深度为11～23m；测线5位置深部未发现裂缝。

（4）根据边坡裂缝出现的位置，推断可能滑坡体轮廓线见图7。

3.4 建议

（1）建议对软弱夹层（可能是地质勘探时的F905-14断层）取原状样做抗剪强度试验。如不取软弱夹层原状样进行抗剪强度试验，参考地质资料。软弱夹层稳定演算参数建议指标：Φ=20，C=0.05MPa；根据裂缝探测调查结论，建议软弱夹层倾角按45°；合理选取计算参数后，对边坡的稳定性进行演算。

（2）因滑动体体积不大，建议部分挖除，并采用抗滑桩和锚索对边坡进行抗滑加固处理，保证边坡稳定，确保下水库库区安全和电站的安全运行。

（3）为保证下水库进/出水口构筑物的安全，建议根据工程构筑物的布置情况，适当调整下水库进/出水口建筑物的位置，避免裂缝可能对其造成的危害。

图7 边坡裂缝深度及滑坡体示意图

4 实际处理措施

根据对该开裂体的调查结果，设计单位基本采纳了我们的建议，对开裂体提出了专项处理方案。

主要是将边坡开挖面整体向山体方向推移近20m，将整个开裂体挖除，坡脚最低开挖高程基本保持原设计高程 1408.3m。边坡支护除保持原设计方案外，另增加了30m深的预应力锚索加强边坡支护。并对水库进/出水口建筑物的位置和走向进行了适当调整。

5 结 语

地质雷达最早用于工程场地的勘查，包括重要工程场地、铁路与公路路基，用于解决松散层分层和厚度分层、基岩风化层分布、以及节理断带层等问题。应用该技术选用 RTA50MHZ屏蔽天线，对浅地表裂缝进行探测调查，取得了比较理想的效果。

地质雷达以其非破坏性实时检测、抗干扰性强、分辨率高，操作简单等特点，在超前地质预报、工程检测、工程勘察中被迅速推广应用。

[1]李大心.地质雷达方法及应用.北京:地质出版社,1994.[4]

[2]李大心.地球物理方法综合应用与解释[M].武汉:中国地质大学,1999

[3]曾昭发,刘四新,王者江,等.探地雷达方法原理及应用[M].北京:科学出版社,2006