地質(zhì)雷達檢測技術(shù)在工程地質(zhì)裂縫探測調(diào)查中的應(yīng)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(zhì)雷達在工程勘察、質(zhì)量檢測和地質(zhì)與工程病害的預(yù)報和診斷等環(huán)節(jié)發(fā)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(xiàn)在有了較為成熟的技術(shù)和技術(shù)設(shè)備。

地質(zhì)雷達技術(shù)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(zhì)和位置，以便指導(dǎo)工程施工和管理。

圖1 地質(zhì)雷達系統(tǒng)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(xiàn)兩處明顯的開裂為例，進行了地質(zhì)裂縫探測調(diào)查。為工程提供了比較準確的地質(zhì)裂縫分布，提出了地質(zhì)預(yù)報的結(jié)論和建議，為地質(zhì)災(zāi)害處理和建筑物設(shè)計修改提供了依據(jù)。

1 地質(zhì)雷達設(shè)備系統(tǒng)及工作原理

1.1 地質(zhì)雷達系統(tǒng)

地質(zhì)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(nèi)部傳播時電磁波的運動特點進行探測的。地質(zhì)雷達系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)由控制單元控制著發(fā)射機和接收機，同時跟蹤當前的位置和時間。

（2）發(fā)射機：發(fā)射機根據(jù)控制單元的指令，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電信號并由發(fā)射天線將一定頻率的電信號轉(zhuǎn)換為電磁波信號向地下發(fā)射。其中電磁信號主要能量集中于被研究的介質(zhì)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(zhuǎn)換成電信號并以數(shù)字信息方式進行存貯。

（4）電源、光纜、通訊電纜、觸發(fā)盒、測量輪等輔助元件。

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

1.2 地質(zhì)雷達工作原理

地質(zhì)雷達依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作。發(fā)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(zhì)（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(jù)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(zhì)交界面時，由于上下介質(zhì)的電磁特性不同而產(chǎn)生折射和反射。

使用相應(yīng)雷達資料處理軟件，進行資料處理。對數(shù)據(jù)文件進行了預(yù)處理、增益調(diào)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(xiàn)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(jiān)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(jié)構(gòu)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(zhì)雷達探測調(diào)查成果及分析

3.1 探測調(diào)查內(nèi)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(diào)查成果及分析

（1）采用地質(zhì)雷達在該區(qū)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(shè)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(qū)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(fā)現(xiàn)異常值），初步判斷為一軟弱夾層，厚約50～60cm。

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

（3）在下水庫進/出水口邊坡高程1469，布設(shè)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(diào)查結(jié)論

據(jù)地質(zhì)雷達檢測成果，下水庫進/出水口邊坡裂縫探測結(jié)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(jié)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)裂縫。

（4）根據(jù)邊坡裂縫出現(xiàn)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(zhì)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(zhì)資料。軟弱夾層穩(wěn)定演算參數(shù)建議指標：Φ=20，C=0.05MPa；根據(jù)裂縫探測調(diào)查結(jié)論，建議軟弱夾層傾角按45°；合理選取計算參數(shù)后，對邊坡的穩(wěn)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(wěn)定，確保下水庫庫區(qū)安全和電站的安全運行。

（3）為保證下水庫進/出水口構(gòu)筑物的安全，建議根據(jù)工程構(gòu)筑物的布置情況，適當調(diào)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(jù)對該開裂體的調(diào)查結(jié)果，設(shè)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(shè)計高程 1408.3m。邊坡支護除保持原設(shè)計方案外，另增加了30m深的預(yù)應(yīng)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(diào)整。

5 結(jié) 語

地質(zhì)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(jié)理斷帶層等問題。應(yīng)用該技術(shù)選用 RTA50MHZ屏蔽天線，對淺地表裂縫進行探測調(diào)查，取得了比較理想的效果。

地質(zhì)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(zhì)預(yù)報、工程檢測、工程勘察中被迅速推廣應(yīng)用。

[1]李大心.地質(zhì)雷達方法及應(yīng)用.北京:地質(zhì)出版社,1994.[4]

[2]李大心.地球物理方法綜合應(yīng)用與解釋[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué),1999

[3]曾昭發(fā),劉四新,王者江,等.探地雷達方法原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006