地質(zhì)雷達(dá)在水利水電工程勘察中的技術(shù)應(yīng)用

【摘要】本文介紹了地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試技術(shù)的基本原理和特征參數(shù)，并結(jié)合實(shí)例對(duì)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在水利水電工程的具體應(yīng)用進(jìn)行分析，分析結(jié)構(gòu)供參考。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)雷達(dá)；水利工程；地質(zhì)勘查

1、地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

利用地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試技術(shù)來勘測(cè)地下介質(zhì)的組成和分布狀況。地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)儀上有兩根天線，是傳送和接受信號(hào)。一根天線進(jìn)行高頻率寬頻帶段脈沖電磁波的發(fā)射，另一根天線進(jìn)行地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)反射波信號(hào)的接收。實(shí)踐結(jié)果表明，電磁波在地下介質(zhì)的傳播形態(tài)受外界因素的影響，正是利用這一原理，可以對(duì)電磁波的往返時(shí)間、電磁波的形態(tài)、幅度等信息進(jìn)行分析從而估測(cè)出該地質(zhì)的各種物理性質(zhì)。雷達(dá)探測(cè)具有極高的分辨率，探測(cè)深度可達(dá)到50m，而探測(cè)效果最好的是中淺層，隨著深度的增加探測(cè)效果就會(huì)越來越差。高頻天線的分辨率可精確到毫米。下圖1是地質(zhì)雷達(dá)工作的原理示意圖：

地質(zhì)雷達(dá)在工作時(shí)，由發(fā)射機(jī)通過發(fā)射天線發(fā)送周期性的毫微秒脈沖電磁波信號(hào)，當(dāng)發(fā)出的訊號(hào)在巖層中傳播時(shí)遇到介質(zhì)不均勻的巖體或其他介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射信號(hào)，發(fā)射出和反射回的信號(hào)通過接受天線進(jìn)入接收機(jī)中，接收到的信號(hào)由接收機(jī)進(jìn)行調(diào)整、放大等處理后，再傳送到雷達(dá)主機(jī)進(jìn)行處理，再傳送到微機(jī)中。微機(jī)會(huì)將接收到的信號(hào)按幅度大小依次編碼，最終以灰色電評(píng)圖或波形堆積圖的形式顯示出來，工作人員對(duì)圖形進(jìn)行分析，可以掌握探測(cè)目標(biāo)的位置、大小、形狀等物理參數(shù)。

2、特征參數(shù)

2. 1 電磁波脈沖旅行時(shí)t（ns）

（1）

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的電磁波速度v （m/ ns）已知時(shí)（Cv可現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定或按2式估算），可根據(jù)實(shí)測(cè)電磁波反射歷時(shí)t （ns}，由上式求出反射體的深度z （m}，式中x Cm）為常量。

2.2 電磁波傳播速度v

（2）

在這個(gè)公式當(dāng)中，er表示的是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，c表示的是在真空環(huán)境下電磁波的傳播速度，即：0. 3m/ ns，ur表示的是介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，它的值大約在1左右。

2. 3 電磁波反射系數(shù)

在介質(zhì)中傳播的電磁波如果碰到相對(duì)介電常數(shù)變化較大的物體時(shí)，會(huì)發(fā)生發(fā)射和透射的現(xiàn)象，而反射和透射的能量大小分配和引起異常改變的電磁波反射系數(shù)有關(guān)。

2. 4 地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度

水不僅是生命體的主要組成物質(zhì)，還能起到低通濾波器的作用。所以，地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)探測(cè)深度直接受中心頻率和介質(zhì)的吸收特性的影響。 有相關(guān)資料顯示，探測(cè)深度、中心頻率分別為20 ～ 50 m、25 ～ 50 MHz；當(dāng)中心頻率處于100至400 MHz的時(shí)候，探測(cè)深度通常處于3至10米；當(dāng)中心頻率是1000MHz的時(shí)候，探測(cè)深度往往不足一米。在實(shí)踐過程中，機(jī)已經(jīng)采用何種中心頻率，具體由勘查目的決定。

3、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

3. 1 壩體“散浸”勘察

散浸指的是比較分散的浸水現(xiàn)象，通常是間斷性的片狀滲水。在對(duì)某均質(zhì)土壩壩體的土層分布和“散浸”進(jìn)行調(diào)查分析時(shí)，對(duì)地表以下9km深的范圍進(jìn)行雷達(dá)勘測(cè)?？睖y(cè)結(jié)果為：壩體上層1-9m的部分坡護(hù)層是灰?guī)r巖塊和卵礫石層，9m之下的部分是黃土。

在多次試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)選天線對(duì)為50MHz、天線間距為2m、實(shí)時(shí)128次疊加、觸發(fā)間隔為0.5m的雷達(dá)測(cè)試指標(biāo)最為合適。出于壩體上層1-9m坡護(hù)層的巖體性質(zhì)和勘測(cè)的目的，在雷達(dá)勘測(cè)時(shí)著重突出淺層勘測(cè)數(shù)據(jù)，在處理勘測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)適當(dāng)?shù)膲褐屏松顚涌睖y(cè)信息。通過（2）式的計(jì)算和對(duì)鉆孔資料的詳細(xì)分析，得出護(hù)坡石和砂卵礫石層的電磁波速是0.1m/ns。雷達(dá)勘測(cè)對(duì)壩體的勘測(cè)結(jié)果與土工試驗(yàn)資料的相關(guān)分析數(shù)據(jù)保持一致，從而證明了可以用來打勘測(cè)技術(shù)確定“散浸”范圍和“散浸”原因。

3.2 堤防質(zhì)量探測(cè)

在測(cè)評(píng)堤壩的壩基、壩體、防洪泄洪閘機(jī)的混凝土質(zhì)量時(shí)可以采用提拔質(zhì)量探測(cè)技術(shù)。堤壩的松散層、軟弱夾層和土質(zhì)不均勻下沉等水利工程的造成的影響非常大，而堤壩裂縫、空洞等對(duì)水利工程的影響更大。所以，要加強(qiáng)對(duì)堤壩安全隱患區(qū)的擴(kuò)展物探探測(cè)，努力保證堤壩的質(zhì)量，相應(yīng)的提高物探成果的應(yīng)用價(jià)值勢(shì)在必行。為了解決上述提到的各種安全隱患，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)技術(shù)檢查、發(fā)現(xiàn)堤壩安全隱患。具體方法是選擇20%具有代表性的勘測(cè)區(qū)用地震折射波法求得地下水位上下兩部的波速，根據(jù)勘測(cè)信息對(duì)地基密度壩體質(zhì)量等進(jìn)行定量、定性的分析和評(píng)價(jià)。一般利用地質(zhì)雷達(dá)法以及聲波測(cè)試法來檢測(cè)閘機(jī)混凝土質(zhì)量，測(cè)試效果都非常不錯(cuò)。

在土質(zhì)比較松散的地方，地質(zhì)雷達(dá)劃分的地震波波速在190-240m/s之間；在土質(zhì)比較密實(shí)的地方，地質(zhì)雷達(dá)劃分的地震波縱波波速在250m/s以上。對(duì)土工的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析可知，土質(zhì)相對(duì)松散的堤段密度不足1.50g/cm3，對(duì)應(yīng)的聲波波速也較小。使用地質(zhì)雷達(dá)、地震、電法勘探技術(shù)檢查堤壩質(zhì)量時(shí)，在土質(zhì)密度大且有明顯裂縫地方的三者的勘探結(jié)果都較為突出。鉆孔驗(yàn)證結(jié)果顯示，物探法劃分的不均勻地質(zhì)都屬于砂壤土中的純粘土夾層；對(duì)閘護(hù)坡和閘室基礎(chǔ)的勘測(cè)結(jié)果也顯示混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)脫空、蜂窩洞等情況。不難看出物探的勘測(cè)結(jié)果較為可靠。

4、工程實(shí)例

某水庫工程位于某市河流上游，壩體高約41m，由混凝土砌塊組成。該水庫在1995年汛期內(nèi)初次蓄水后，在水庫近岸處的壩體上發(fā)生兩處塌陷，在以后的使用過程中壩體左岸40-110m的范圍內(nèi)又相繼出現(xiàn)9處崩陷。出于對(duì)水庫質(zhì)量和人民群眾財(cái)產(chǎn)安全的考慮，對(duì)該水庫進(jìn)行了一次全面的檢測(cè)勘察。在對(duì)發(fā)生崩陷和存在安全隱患的地方進(jìn)行詳細(xì)的檢驗(yàn)勘察后充分掌握了該水庫的地質(zhì)條件、地質(zhì)變化趨勢(shì)以及水庫將來的運(yùn)行狀態(tài)，確定該水庫的地下水為巖溶洞隙水，得出該水庫發(fā)生滲漏和崩陷的原因，為制定壩體防滲漏方案創(chuàng)造了條件。

根據(jù)了解到水庫的地質(zhì)條件和存在的問題，水庫維護(hù)人員在拱壩上設(shè)置一條測(cè)線、在壩體左肩設(shè)置了兩條測(cè)線，在壩體背水處的河床上設(shè)置了三條側(cè)線，設(shè)置的勘測(cè)點(diǎn)距是0.5m、天線距是2m、天線中心頻率是20MHz，f并使用RD1、RD2、RD3的雷達(dá)圖像對(duì)水庫壩體依次進(jìn)行勘測(cè)，以下是勘測(cè)結(jié)果：

一，根據(jù)RD1段測(cè)線的雷達(dá)圖像顯示，在14-25m的測(cè)線范圍內(nèi)，電磁波的往返時(shí)間是200ns、是不規(guī)律的雙曲線波，同軸但不連續(xù)，溶洞頂部以及上層覆蓋處在直徑為4m的 地方存在著下陷的趨勢(shì)。

二，根據(jù)RD2段測(cè)線雷達(dá)圖像顯示，在95-105m的測(cè)線范圍內(nèi)有一個(gè)強(qiáng)反射界面，反射波同軸但是間斷性連接，這說明電磁波在此介質(zhì)區(qū)域內(nèi)發(fā)生特性上的改變?；鶐r反射面在雷達(dá)中圖像比較清晰，能初步斷定此區(qū)域出現(xiàn)巖體崩塌。崩塌處的巖體節(jié)理裂縫已經(jīng)高度發(fā)育。崩塌處在地標(biāo)陷坑的中間位置，表明兩處的陷坑是一個(gè)整體，底部貫穿的有巖溶管道。

三，根據(jù)RD3段測(cè)線雷達(dá)圖像顯示，在15-24m的水平測(cè)線范圍以及垂直方向300-500ns的范圍內(nèi)存在強(qiáng)反射面，這表明該區(qū)域介質(zhì)密度相對(duì)較低。對(duì)勘測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析后可知，壩體內(nèi)部有滲水的現(xiàn)象。

5、總結(jié)

綜上所述，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)不僅能夠得到壩體介質(zhì)密度的具體信息，還能清楚的掌握壩肩、河床巖溶破碎帶以及節(jié)理裂性等的變化狀態(tài)。利用這些勘測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果能夠針對(duì)壩體滲透制定有效的防滲漏方案。

參考文獻(xiàn)：

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