基于地質(zhì)雷達(dá)和便攜式鉆機(jī)勘察數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模在輸電線路工程中的應(yīng)用

楊鵬程

(湖南經(jīng)研電力設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410007)

1 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理

1.1 基本原理

地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備主要由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由發(fā)射機(jī)(高頻脈沖波)和天線(輻射電磁波)組成，通過天線將電磁波以60°～90°的角度向地下發(fā)射，電磁波在傳播過程中遇到電性分界面將發(fā)生反射。反射波被接收天線接收，電磁波的傳播路徑、電磁場強(qiáng)度、波形等隨所通過巖土層的電性質(zhì)及幾何形態(tài)差異發(fā)生變化。因此，根據(jù)天線接收波的時(shí)間(雙程走時(shí))、幅度與波形等，可大致推斷地下介質(zhì)的分布情況。

1.2 典型地質(zhì)體的雷達(dá)圖像特征

各種典型地質(zhì)體如完整巖石、裂隙帶、破碎帶、富水帶、巖溶洞穴等具有不同的波形特征，其大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表1。

表1 典型地質(zhì)體與地質(zhì)雷達(dá)波形圖像特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 地質(zhì)雷達(dá)在輸變電工程中的應(yīng)用

2.1 勘察方法

先采用便攜式鉆機(jī)對(duì)桿塔區(qū)域進(jìn)行鉆探，再利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)桿塔周邊區(qū)域進(jìn)行探測，不但可查明鉆孔位置的地質(zhì)情況，還可查明塔腿位置及桿塔周邊一定范圍內(nèi)的的巖土種類、地下水位埋深、上覆土層厚度、基巖面埋藏深度等。

2.2 野外勘察工作的布置原則及工作量

根據(jù)規(guī)范要求，在野外布置勘探點(diǎn)，先采用便攜式鉆機(jī)對(duì)勘探點(diǎn)進(jìn)行鉆探，再利用地質(zhì)雷達(dá)擴(kuò)大范圍進(jìn)行地下探測。

2.2.1 布置測線

先建立測區(qū)坐標(biāo)，再確定測線的平面位置。

2.2.2 雷達(dá)探測方法及工作參數(shù)選擇

地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集工作可采用剖面法，即發(fā)射天線和接收天線以固定間距沿探測剖面同步移動(dòng)。

3 基于地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模

3.1 三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)來源

先利用便攜式鉆機(jī)和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)場地的原始地層數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再將位于雷達(dá)測線上的鉆孔數(shù)據(jù)與該測點(diǎn)的反射波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定各地層界面的反射波特征后，將地層分界面提取出來，對(duì)探測區(qū)域進(jìn)行地層劃分。提取各測線交點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為虛擬鉆孔，地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，可沿測線加密虛擬鉆孔。利用虛擬鉆孔的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地質(zhì)建模，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，避開不良地質(zhì)區(qū)域。

3.2 格網(wǎng)的構(gòu)建與虛擬鉆孔的布設(shè)

從反射波形數(shù)據(jù)中提取各地層分界面后，為利用其參與分界面格網(wǎng)的構(gòu)建，可按一定的比率將其轉(zhuǎn)化為虛擬鉆孔。通過本方法獲得的數(shù)據(jù)分布不均勻——數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布在初始網(wǎng)格線上，可采用適當(dāng)加密格網(wǎng)或進(jìn)行插值的方法來適應(yīng)建模的要求，使新格網(wǎng)更貼合實(shí)際地層分界面。

圖1 格網(wǎng)構(gòu)建及虛擬鉆孔布置圖

3.3 三維地質(zhì)模型

利用三維地質(zhì)模型可將各種不良地質(zhì)作用(如溶洞、地裂縫、構(gòu)造帶等)、特殊性巖土(如風(fēng)化巖層、淤泥質(zhì)土等)作為單獨(dú)的地質(zhì)體模型進(jìn)行單獨(dú)展示，從而直觀其發(fā)育規(guī)模、空間分布規(guī)律等。

3.3.1 丘陵地貌段

一般上覆土層較薄，如何準(zhǔn)確查明基巖面的埋深就成為了線路勘察的重點(diǎn)，準(zhǔn)確查明基巖面埋深不但可合理減少基礎(chǔ)埋深，降低工程造價(jià)，還可避免基礎(chǔ)位于不同的風(fēng)化巖層上留下工程隱患。

圖2 桿塔區(qū)域基巖面的分布形態(tài)

3.3.2 沖積平原地貌段

一般地質(zhì)條件較復(fù)雜，查明特殊性巖土的分布規(guī)律、確定地下水位埋深是本地貌單元的勘察重點(diǎn)，避開淤泥質(zhì)土、流沙發(fā)育地段，可降低施工難度。

圖3 桿塔區(qū)域的淤泥質(zhì)土分布形態(tài)

4 不同勘察手段的質(zhì)量效率費(fèi)用對(duì)比

4.1 與傳統(tǒng)勘察手段的質(zhì)量對(duì)比

先采用便攜式鉆機(jī)進(jìn)行鉆探，再利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行大范圍的探查，可準(zhǔn)確查明桿塔位及周邊一定區(qū)域的巖土種類、分布范圍、埋藏深度等，如果結(jié)合塔腿方向布置測線，可精確取得各桿塔位的地質(zhì)資料，為優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、確定合理的基礎(chǔ)施工方案提供基礎(chǔ)資料。

表2 勘察質(zhì)量對(duì)比表

4.2 與傳統(tǒng)勘察手段的效率對(duì)比

采用便攜式鉆機(jī)結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行勘探時(shí)，由于便攜式鉆機(jī)、地質(zhì)雷達(dá)攜帶輕便，組裝簡單，可節(jié)約大量搬運(yùn)、拆卸時(shí)間，較采用傳統(tǒng)鉆機(jī)大大縮短了工期。

表3 野外作業(yè)時(shí)間對(duì)比表

4.3 與傳統(tǒng)勘察手段的成本費(fèi)用對(duì)比

采用便攜式鉆機(jī)結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行勘察時(shí)，僅需考慮勘察設(shè)計(jì)人員及民工的工資、伙食、住宿費(fèi)用以及儀器設(shè)備的折舊費(fèi)用。

表4 成本費(fèi)用對(duì)比表

綜上所述，采用便攜式鉆機(jī)+地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行線路工程野外勘察作業(yè)，可大幅度提高巖土工程勘察質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益較好。

5 結(jié) 語

采用地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合便攜式鉆機(jī)進(jìn)行線路勘察較傳統(tǒng)鉆機(jī)鉆探具有質(zhì)量高、工期短、費(fèi)用低、勘察范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜地段，更能體現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)準(zhǔn)確、高效的優(yōu)勢(shì)，值得在線路工程勘察中進(jìn)行推廣。根據(jù)多年來的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)，不同地區(qū)的工程地質(zhì)勘察，利用地質(zhì)雷達(dá)特征圖像與典型地質(zhì)現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合鉆探和其它物探資料對(duì)各地質(zhì)體進(jìn)行解釋是比較準(zhǔn)確的。