水利水电工程勘察中地质雷达的应用分析

徐加益

（贵州省水利水电勘测设计研究院贵州贵阳550002）

水利水电工程勘察中地质雷达的应用分析

徐加益

（贵州省水利水电勘测设计研究院贵州贵阳550002）

本文介绍了地质雷达测试技术的基本原理、探测方法、数据处理、资料解释原理和地质雷达技术在水利水电工程中的应用，并结合实例分析其具体的应用情况，供参考。

地质雷达；应用条件；工程应用；分析

1　地质雷达的工作原理和方法

地质雷达的主要作用是确定地下介质的分布情况，其主要通过两个天线完成信号的传输和接收，一个天线负责发射高频率宽频带短脉冲电磁波，另外一个天线接收地下结构界面的反射波信号。［1］经过长期实践发现，电磁波在地下介质传播过程中，其传播形态等都会受到外部环境的影响，所以，依据接收到波的旅行时间、幅度和电磁波形态等多种信息，可以对介质的组织结构、埋设物体的深度和规模等进行估测。雷达探测的分辨率较高，在中浅层高分辨率探测工作的中的应用效果较好，探测的深度在0m～50m左右，高频天线的分辨率可以达到毫米级别。地质雷达的工作原理如图1所示。

1.1求取目标体深度

运用计算机对地质雷达数据进行处理，完成雷达影像的绘制以及相关数据计算，其处理过程如下：

计算机反演计算目的体的深度公式如下：

图1　地质雷达工作原理

式中：A代表的是起始发射脉冲振幅；A0代表的是第一层介质界面反射回来的讯号振幅；ε1代表的是第一层介质的介电常数。

基于上述公式计算可以得知第一层价值的介电常数，为：

按照公式（2）可以计算出雷达波在第一层介质中的传播速度，计算过程如下：

式中：C代表的是电磁波在真空中的传播速度，即光速，为0.3m/ns

由雷达数据读出第一层目的体的双程反射时t1，就可计算出第一层目的体的深度，即：

按（3）式可求出第一层深度，第二层的反射系数要乘上一个穿透损失系数（1-R02），它表示从下面第二层底部反射回地面的电磁波讯号在穿进穿出第一层底部界面时的损耗，所以：

由此：R1=A1/A（1-R02）=A1A/（A2-R02）（6）获得第二层的介电常数ε2

雷达波在第二层介质中的传播速度：

最后得出第二层的厚度h2：

按照此方法可以计算出多层目的层的具体深度数值。

1.2求取目标体规模

1.2.1渐进线法

若目标体呈为球体，那么雷达记录的图像应该呈现为双曲线，根据双曲线的渐近线进行计算，获得地下洞穴的洞泾数据信息，如图2所示，假设地下洞穴的半径为r，该洞穴是球状体，埋深为h，观测点Q和冬眠反射点P之间的间隔距离为ρ，记录点为P’，则QP=QP′，即：y=ρ，由△Qoo’

可得：

上式为一虚、实轴相等的双曲线方程，其中心在（0，-r）处，其渐近线方程为：

据此绘出图3，图中虚线就是雷达记录的双曲线，根据公式（9）和（10）可知：第一，图像的渐近线是斜率为1的两条相互垂直的直线；第二，渐近线和轴交点和原点之间的间隔距离为洞泾r；第三，当洞泾增加时，S点就会向上移动，双曲线的弧度也会增大，洞泾减少时，S点就会向下移动，双曲线的弧度就会减小；第四，当埋深增加时，t点向下移动，双曲线的弧度增加，埋深减小时，t点向上移动，双曲线的弧度减小。

图2　地质雷达探测原理图

图3　渐近线法原理示意

依据上述反馈的双曲线特性，在存在异常双曲线情况下，可以计算出洞泾数据，并且可以根据以上公式进行计算，在双曲线的渐近线上存在：

在地质雷达工作中，其采集数据时会设定一个零点，但是该零点不是真正的地面零点，所以在引用上述公式进行数据计算工程中，需要根据勘察的实际情况对零点进行调整，在确定零点之后，再将异常的双曲线形态看做渐近线，再根据上式进行计算。［2］

由上述内容可知，地质雷达采集数据时设定的零点不是真正的地面零点，因此需要根据雷达影响对零点进行调整，在确定最终零点之后，根据双曲线中的异常位置计算洞径大小。

1.2.2菲涅尔带半径法

由电磁波传播理论可知，地质雷达发射产生的能量主要集中在第一菲涅尔带内：

式中：RF代表的是菲涅尔带半径，λ代表的是发射波长，λh代表的是目标反射波长。

由上述公式可知记录中出现了较为明显的双曲线异常，那么表明地下洞穴开始进入第一菲涅尔带，因此可以按照如下公式计算洞泾的大小：

式中：r表示的是洞穴的直径大小；S表示的是异常的具体范围；RF为菲涅尔带半径。

当异常为半支双曲线时，则可以缩小异常范围，缩至1倍的菲涅尔带半径。

根据上述两种计算方法可以得知雷达的异常规模，但是因为目标体设置的不同，在实际工作中目标体可能不是球体，所以异常规模的估测结果可能存在偏差。［3］

2　工程实例

下翁溪水库位于贵州省福泉市境内重安江支流乌梅河上游下翁溪河段，坝高大为41m，为双曲细石砼砌块石拱坝。1995年该水库在汛期第一蓄水之后，库首近坝库岸发现有两处出现了塌陷，运行之后，在左岸坝40m～110m库岸范围内陆续发现有9个塌陷坑。为了保证该水库能够稳定运行，需要对其进行全面勘察，查明安全隐患所在位置以及发展情况，并且通过地质条件勘察结构，推测水库的地质发展趋势，和未来水库的运行状况，并且综合应用地质测绘和钻探等多种手段查明水库出现渗漏的具体原因，从而为大坝防渗方案的制定奠定基础。地下水类型为岩溶洞隙水，该层是库首的主要渗漏层位。

根据测区工程地质条件和地质问题的反馈情况，在左坝肩布设了两条测线，并且在拱坝上布设了一条测线，在坝体背水面河床位置也布设了三条测线。该本次测绘，点距设置为0.5m，天线距设置为2m，天线中心频率为20MHz，下面是详细的雷达图像说明：

第一，图4是RD1测线64.5m～95.5m的雷达图像，在测线14m～25m范围内，旅行时为200ns处，波形是双曲线，并且波形不规律，同相轴是不连续的，在直径4m处，溶洞的顶部和上部覆盖层相连，上部覆盖层存在下陷的隐患。

第二，图5反映的是RD2测线91.5m～120m的反馈图形，在95m～105m位置存在强反射界面，并且同相轴是断断续续的，这就表明该区域介质电磁特性发生了改变，由于雷达图像中的基岩反射面图形较为清晰，可以估测该区域的异常情况多为塌陷导致的，塌陷区的岩体节理裂隙发育程度高，岩体破碎比较严重。该位置位于地表塌陷坑的中间，这就说明两个塌陷坑是相连的，底部有岩溶管道穿过。

第三，图6为坝体RD3段测线的雷达影像，由该图可见，测线上水平方向15m～24m范围内和垂直方向300ns～500ns范围内有强反射界面，由此可以推测该区域坝体介质密实度不高。从对坝体的整体观测结果来说，该坝体存在渗水问题，和雷达图像反馈情况一致。

地质雷达探测技术的应用可以深入了解左坝肩、河床岩溶破碎带、节理裂隙的发育情况，还能获得坝体密实度的数据信息，可以基于这些数据信息制定具有针对性的防渗处理方案。

图4　下翁溪水库RD1测线地质雷达探测原始波形图

图5　下翁溪水库RD2测线地质雷达探测原始图像

图6　下翁溪水库RD3测线地质雷达探测原始图像

3　结语

实践证明，在水利水电工程勘察过程中应用地质雷达技术可以取得较好的应用效果，其可以对岩溶、断层破碎带等不良地质体进行监测，并且可以对水利建筑的关键部分进行勘察，其勘测数据准确度较高，可以作为水利水电工程设计和施工方案的制定提供参考依据。另外，地质雷达技术具有较为突出的优势，体现在其工作周期短，获得的数据信息量大，适度的加密点距可以实现目标体的准确定位。陕西水利

［1］壬兴华，富天生.地质雷达在水毁水利工程现场安全检测中的应用［J］.吉林水利，2012（3）：46-47.

［2］张伟.引水隧道工程中地质雷达检测技术应用综述［J］.山西水利科技，2014（3）：42-43.

［3］李镐，仲晓杰，韩煜.地质雷达在隧道富水区超前预报中的应用［J］.土工基础，2010，24（4）：88-90.

（责任编辑：畅妮）

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