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

侯鴻霄

（滄州水利勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，河北 滄州 061000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，我國(guó)的水利水電工程建設(shè)也引入了許多先進(jìn)技術(shù)，其中，在地質(zhì)勘探方面，地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。地質(zhì)雷達(dá)具有勘察效率高，儀器易攜帶的優(yōu)點(diǎn)，在水利水電工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。但實(shí)際應(yīng)用過程中，還存在一些問題需要進(jìn)行深入分析與研究。

1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是利用電磁波進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)的一種手段，它在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用非常廣泛。電磁波在地下傳播時(shí)，遇到各種各樣的地下介質(zhì)，相遇后電磁波便會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，反射波會(huì)被雷達(dá)接收，從而收集到相應(yīng)的地質(zhì)信息，最終通過數(shù)據(jù)分析和處理，然后儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而可以判斷出地下的介質(zhì)具體是什么物質(zhì)，并且能夠準(zhǔn)確地獲知物質(zhì)的大小和位置[1]。地質(zhì)雷達(dá)的工作原理主要是依靠天線進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)，天線中心頻率影響著電磁波的穿透能力，一般來說，如果為了讓電磁波的勘測(cè)深度更深，則會(huì)將中心頻率調(diào)低，以此來對(duì)地下進(jìn)行深入勘測(cè)。借助地下雷達(dá)的勘測(cè)技術(shù)，幫助工作人員對(duì)地下介質(zhì)進(jìn)行較為準(zhǔn)確地判斷，有利于后續(xù)水利水電工程建設(shè)施工的開展。地質(zhì)雷達(dá)的具體工作原理見圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)收發(fā)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)在工作時(shí)，發(fā)射機(jī)會(huì)發(fā)出電磁波信號(hào)，此時(shí)電磁波信號(hào)通過天線在巖層中進(jìn)行傳播，如果遇到了不均勻的地質(zhì)介質(zhì)，或者其他的介質(zhì)后，便會(huì)形成反射信號(hào)，發(fā)出的信號(hào)和反射的信號(hào)都會(huì)通過天線再回到接收機(jī)當(dāng)中，這時(shí)接收機(jī)會(huì)對(duì)所有的信號(hào)進(jìn)行調(diào)整和處理，進(jìn)而傳送回主機(jī)中，再由主機(jī)傳送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)主機(jī)傳送的信號(hào)進(jìn)行編碼處理，最終會(huì)以電頻圖或者波形堆積圖的形式顯示，如圖2所示。工作人員就可以根據(jù)圖形進(jìn)行人工分析，了解被測(cè)物體的各項(xiàng)物理參數(shù)。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)技術(shù)經(jīng)過處理后的成像

2 地質(zhì)雷達(dá)的主要勘測(cè)技術(shù)

2.1 寬角法

寬角法在地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用中較為常見，它一般需要先找準(zhǔn)位置，固定天線，然后另一根天線向側(cè)面移動(dòng)，這時(shí)便可以記錄地下電磁波的不同走向，它能夠快速地求出地下反射面的深度以及電磁波的傳播速度，在地下情況較為良好時(shí)，勘測(cè)效果會(huì)比較好，使得勘測(cè)數(shù)據(jù)更為精確[2]。

2.2 剖面法

剖面法是最為常用的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，一般情況下，它會(huì)將發(fā)射和接收天線在固定的距離下向同一側(cè)移動(dòng)，能夠清晰直觀地看到橫縱坐標(biāo)的測(cè)量結(jié)果，其中天線的位置在橫坐標(biāo)上體現(xiàn)，反射波在地下的走向則體現(xiàn)在縱坐標(biāo)上，利用這樣的方法能夠更為直觀且精確地看到地下反射波的變化情況。

2.3 多次覆蓋法

因?yàn)榈叵赂黝惤橘|(zhì)的大小不一，會(huì)在一定程上影響反射波，那么此時(shí)就需要多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射信號(hào)，另一個(gè)接收信號(hào)的天線就能在短時(shí)間內(nèi)收集到更多的數(shù)據(jù)，然后將所得的全部信號(hào)進(jìn)行重疊。

3 地質(zhì)雷達(dá)勘查中存在的問題

3.1 勘測(cè)條件影響問題

在地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用過程中，其勘測(cè)效果會(huì)受到諸多條件的影響。其中高頻率的電磁波在地下傳播時(shí)，會(huì)隨著時(shí)間的流逝而不斷衰減，且對(duì)其影響最大的就是電阻率的問題。當(dāng)電阻率越低，那么勘測(cè)的深度和分辨率便會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，且數(shù)據(jù)的精確度也會(huì)受到嚴(yán)重的影響，故而在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)技術(shù)時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注電阻率、介電常數(shù)與頻率，盡可能地降低環(huán)境對(duì)技術(shù)應(yīng)用上的影響，以此保證勘測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提升勘測(cè)的整體水平[3]。

3.2 勘測(cè)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確度問題

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)勘測(cè)出的數(shù)據(jù)一般都會(huì)借助石油地震勘測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析。石油地震勘測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的數(shù)據(jù)還是有一定的誤差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)了不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。具體來說，比如勘測(cè)出的速度需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，而這樣一來，數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度就會(huì)受到影響，且在數(shù)據(jù)處理過程中，還需要借助人力對(duì)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)勘測(cè)出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析模擬，最終才能得出較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3.3 地下資料分析不系統(tǒng)的問題

因?yàn)榈叵碌膶?shí)際情況對(duì)于勘測(cè)人員來說都是未知的，且地下介質(zhì)的環(huán)境又相對(duì)復(fù)雜，我國(guó)現(xiàn)階段還沒有較為完整的地下資料分析體系，一般只有表層的地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)情況，使得技術(shù)勘測(cè)人員必須將現(xiàn)有的地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的勘測(cè)手段相結(jié)合，才能得出更為準(zhǔn)確的資料分析。

4 地質(zhì)雷達(dá)勘查中的干擾因素及控制措施

4.1 大樹或樹枝干擾

電磁波的傳輸具有方向性，空氣屬于無損耗介質(zhì)，即使是非常弱的電波也能在空氣中傳播得非常遠(yuǎn)。但是，當(dāng)測(cè)線附近出現(xiàn)一些枝繁葉茂的大樹或者有樹枝、樹干等，電磁波會(huì)受到干擾。普通的大樹或者樹枝在電磁波組上就會(huì)出現(xiàn)較為雜亂的低頻，密度波形上則會(huì)出現(xiàn)大片不規(guī)律的黑色斑痕。而如果是枝繁葉茂的大樹就會(huì)出現(xiàn)雙曲線的波形，且信號(hào)會(huì)變強(qiáng)，一般來說比較容易識(shí)別。為了降低這類影響，可以采用屏蔽天線開展勘測(cè)工作，能夠在一定程度上對(duì)干擾進(jìn)行有效地抑制。

4.2 建筑物干擾

建筑物的干擾可分為兩大類，一類是建筑物走向與天線方向平行，另一種是建筑物走向與天線方向垂直[4]。其中，平行的情況對(duì)電磁波的干擾更為嚴(yán)重。假如測(cè)線附近建筑物的走向與天線的走向保持平行，那么在地質(zhì)雷達(dá)測(cè)出的雷達(dá)記錄上，則會(huì)出現(xiàn)一組同方向的信號(hào)，該組信號(hào)極強(qiáng)且頻率接近測(cè)量主頻的側(cè)面反射波。當(dāng)工作人員對(duì)地下情況未知時(shí)，很可能與地下界面的反射波相混淆。如果兩邊都有建筑物且走向與天線走向保持平行，那么這類干擾就會(huì)更為嚴(yán)重，因?yàn)榇藭r(shí)在雷達(dá)記錄上所反映出來的地層波組就幾乎無法進(jìn)行辨別了。所以使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行勘測(cè)的時(shí)候，應(yīng)該盡量避免這種問題。如果走向是呈垂直的方向，干擾則不會(huì)如此嚴(yán)重。

4.3 類坎狀地形干擾

類坎狀地形中會(huì)引起雷達(dá)記錄出現(xiàn)兩組差別較大的異常特征波形，信號(hào)也會(huì)變得比較強(qiáng)，速度上既不是電磁波在空氣中的速度，也不是在地下介質(zhì)中的速度，而是處在中間值。這種地形對(duì)信號(hào)引起的干擾十分嚴(yán)重，會(huì)使得大量的有效信號(hào)無法辨認(rèn)，從而影響判斷。

4.4 地面不平引起的干擾

局部地形發(fā)生變化，會(huì)使得電磁波出現(xiàn)散射和漫射。一些地面上因出現(xiàn)了溝坎或者石塊等，天線便無法與地面較好地接觸，使天線與地面的阻抗出現(xiàn)較大的差異，能量不能有效地傳入地下，電磁波便會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，不僅會(huì)嚴(yán)重圖像質(zhì)量，有時(shí)還會(huì)因此得不到有效信號(hào)。它的頻率十分接近主頻，且信號(hào)強(qiáng)，很難衰減。如果令天線垂直離開地面，那么干擾會(huì)有所緩解，但會(huì)使得傳輸?shù)降叵碌哪芰坑兴p。

4.5 空中輸電線的干擾

當(dāng)測(cè)線通過輸電線的時(shí)候是以垂直走向完成的，且天線與輸電線的方向保持平行時(shí)，這時(shí)的干擾信號(hào)就會(huì)呈雙曲線分布，在輸電線下方則是其頂點(diǎn)的位置。如果是高壓輸電線，則信號(hào)更強(qiáng)，影響范圍更大。電線的高度可以根據(jù)頂點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間與電磁波在空氣中的速度進(jìn)行測(cè)算。如果是一般的照明線或者通訊線，則線的數(shù)量會(huì)較少且較細(xì)，范圍也沒有高壓線的那么廣。如果天線與輸電線的方向保持垂直，則干擾沒有那么強(qiáng)烈。

5 地質(zhì)雷達(dá)在水利水電工程勘查中的應(yīng)用要點(diǎn)

5.1 對(duì)地質(zhì)剖面的勘測(cè)

因地質(zhì)雷達(dá)自身的優(yōu)越性，其應(yīng)用也越來越廣泛，人們不斷發(fā)掘其在水利水電工程勘測(cè)中的重要作用。比如它能夠確定基巖埋深，對(duì)地質(zhì)的剖面分層進(jìn)行分析，勘測(cè)基巖分化情況。一般來說，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在水利水電工程勘測(cè)方面的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在對(duì)地質(zhì)剖面的勘測(cè)，它能夠?qū)Φ刭|(zhì)剖面進(jìn)行較為準(zhǔn)確地分析，且值得注意的是，它可以利用地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)對(duì)深度、分辨率和精度進(jìn)行全面地勘測(cè)。在對(duì)水利水電工程河床部分的地質(zhì)進(jìn)行剖面分析后，可以得出相應(yīng)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，此時(shí)工作人員便能以前期測(cè)繪的圖紙為依據(jù)，結(jié)合分析結(jié)果對(duì)鉆孔的位置予以確定，這為水利水電工程的后續(xù)建設(shè)施工提供了很大的便利。

5.2 對(duì)堤壩建設(shè)的勘測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是對(duì)水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)的有效手段，它能夠?qū)Φ刭|(zhì)進(jìn)行全面勘測(cè)，這對(duì)堤壩建設(shè)有明顯的益處。一般情況下，人們憑借肉眼很難直接發(fā)現(xiàn)堤壩存在的安全隱患。但地質(zhì)雷達(dá)便可以收集到較為全面的數(shù)據(jù)，并對(duì)可能存在安全隱患的部分提出警示，提升了堤壩建設(shè)安全監(jiān)測(cè)的效率，并且在一定程度上保證了堤壩的施工質(zhì)量[5]。

在勘測(cè)堤壩的壩基、壩體以及防洪閘機(jī)的地質(zhì)質(zhì)量時(shí)，可以采用地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)技術(shù)。因?yàn)槲覈?guó)大部分堤防都是土質(zhì)堤防，所以堤壩內(nèi)部存在著的松散、軟弱和土質(zhì)不均勻的現(xiàn)象，這在一定程度上對(duì)堤壩的安全性和實(shí)用性產(chǎn)生了影響，而且堤壩空洞和裂縫對(duì)整個(gè)水利工程的安全來說影響就更大了。借助地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)技術(shù)，能夠及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)堤壩可能存在的安全隱患。

5.3 對(duì)地下水資源的勘測(cè)

在水利工程建設(shè)中，對(duì)地下水資源的勘測(cè)也是十分重要的內(nèi)容。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，部分企業(yè)為了利益而不顧環(huán)境污染，將大量的污水不加處理地隨意排放，很多地區(qū)的水質(zhì)受到了嚴(yán)重污染。所以，在水利水電工程建筑過程中，借助地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)技術(shù)，可以得知地下水資源的污染范圍，且可以利用其確定污水儲(chǔ)藏的最佳位置，并借助一些化學(xué)手段處理污水問題，從而提升水利水電工程的水質(zhì)質(zhì)量。

5.4 對(duì)邊坡建設(shè)的勘測(cè)

邊坡工程在水利水電工程建設(shè)中起到了穩(wěn)固的作用，它在一定程度上影響著水利水電工程的質(zhì)量，而借助地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)技術(shù)可以對(duì)邊坡的地質(zhì)進(jìn)行勘測(cè)，在較短的時(shí)間內(nèi)收集到最為有效的數(shù)據(jù)，再利用軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取邊坡工程對(duì)水利水電工程產(chǎn)生的影響情況，令邊坡工程充分發(fā)揮穩(wěn)固作用，輔助水利水電工程的順利建設(shè)。

5.5 其他應(yīng)用

除了上述四種常用的勘測(cè)應(yīng)用，在水利水電工程建設(shè)中，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)還可以具體應(yīng)用于地下管道的勘測(cè)、回填土厚度的勘測(cè)以及第四系分層的勘測(cè)，另外，針對(duì)壩體的“散浸”也有較好的勘測(cè)效果[6]。

6 結(jié)束語

通過大量的實(shí)踐得知，在水利水電工程的勘測(cè)中，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)發(fā)揮著十分重要的作用，它可以通過電磁波感應(yīng)對(duì)地下物質(zhì)進(jìn)行勘測(cè)和分析，還能夠結(jié)合水利水電工程建設(shè)的需求，提出與地下環(huán)境和地質(zhì)結(jié)構(gòu)相匹配的科學(xué)建議，有助于水利水電工程施工的科學(xué)、合理。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)獲得更多的信息量，對(duì)地下物質(zhì)進(jìn)行更為精確的定位，為水利水電工程建設(shè)施工提供非常大的幫助。