探測(cè)雷達(dá)技術(shù)在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中的應(yīng)用分析

汪向麗，蘇興榮

（河南省地質(zhì)局生態(tài)環(huán)境地質(zhì)服務(wù)中心，鄭州 450053）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，我國(guó)地質(zhì)勘察領(lǐng)域得到了全面發(fā)展，多元化的地質(zhì)勘察技術(shù)為當(dāng)前的地質(zhì)勘察工作提供了技術(shù)支持與保障，推動(dòng)了我國(guó)地質(zhì)勘察工作的開展。20世紀(jì)80 年代，西方國(guó)家開始對(duì)探測(cè)雷達(dá)勘察技術(shù)進(jìn)行研究，并在諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全方位應(yīng)用。雖然我國(guó)對(duì)該勘察技術(shù)的研究時(shí)間略晚于西方國(guó)家，并在實(shí)際應(yīng)用水平上存在一定差距，但是在新形勢(shì)下，我國(guó)加大了對(duì)勘察技術(shù)的資金投入，探測(cè)雷達(dá)技術(shù)得到了全面提升，并在當(dāng)前的水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中取得了顯著成效。

2 水工環(huán)地質(zhì)勘察工作綜述

為行之有效地滿足當(dāng)前地質(zhì)勘察領(lǐng)域的建設(shè)需要，技術(shù)人員需要利用地質(zhì)勘察技術(shù)做好地質(zhì)勘察調(diào)查，以提升地質(zhì)勘察的精準(zhǔn)度及完整度。通常情況下，調(diào)查內(nèi)容涵蓋地下水工程調(diào)查、地理?xiàng)l件調(diào)查及地下水分布調(diào)查等。在調(diào)查過程中，技術(shù)人員需借助地質(zhì)勘察技術(shù)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的地下水位變化及流動(dòng)情況進(jìn)行全面掌握，同時(shí)與當(dāng)?shù)卣峁┑牡刭|(zhì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效結(jié)合，進(jìn)而對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的水文條件進(jìn)行客觀精準(zhǔn)評(píng)估[1]。

水工環(huán)地質(zhì)勘察工作涵蓋諸多勘察內(nèi)容，導(dǎo)致施工單位所要使用的勘察技術(shù)存在差異。在進(jìn)行水工環(huán)地質(zhì)勘察工作時(shí)，有關(guān)技術(shù)人員需要注意以下4 點(diǎn)。

1）綜合考量施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，甄選合適的勘察技術(shù)，勘察方案需在全面調(diào)查結(jié)束后方可制訂。

2）在對(duì)水工環(huán)進(jìn)行地質(zhì)勘察時(shí)，技術(shù)人員需要對(duì)其勘察信息進(jìn)行明確記錄。

3）可以借助電法技術(shù)與探測(cè)雷達(dá)技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的地下埋藏物、地層巖石裂縫及地下水流速等信息進(jìn)行勘察，并做好記錄。

4）技術(shù)人員需充分應(yīng)用勘察設(shè)備，并在實(shí)際勘察工作中發(fā)揮出勘察技術(shù)優(yōu)勢(shì)，切實(shí)提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的質(zhì)量及水平。

3 水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)

3.1 電法技術(shù)

電法技術(shù)是水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中較常見的一種勘察技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，電法技術(shù)一般可分為兩類。

3.1.1 高密電法

在實(shí)際應(yīng)用過程中，高密電法主要的呈現(xiàn)形式為列陣式勘察。技術(shù)人員借助高密電法可對(duì)勘察現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)水文情況進(jìn)行詳細(xì)摸排，該方法的操作相對(duì)簡(jiǎn)單。通常情況下，在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中，技術(shù)人員一般都會(huì)以機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)來輔助高密電法進(jìn)行勘察工作，以此來切實(shí)提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的質(zhì)量及效率。

3.1.2 激化電法

激化電法在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中是相對(duì)常見的，其可以對(duì)勘察現(xiàn)場(chǎng)的巖石及礦石進(jìn)行激化，通過對(duì)其巖石以及礦石內(nèi)部的激化差異對(duì)勘察現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)水文信息進(jìn)行分析，以此獲得更精準(zhǔn)的地質(zhì)勘察結(jié)果。在實(shí)際水工環(huán)地質(zhì)勘察中，激化電法常用于水資源檢測(cè)及礦石檢測(cè)。除此之外，技術(shù)人員在實(shí)際勘察流程中需對(duì)其激化電法的勘察流程進(jìn)行科學(xué)管理，以提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的科學(xué)性及精準(zhǔn)性。

3.2 RTK技術(shù)

RTK 技術(shù)是一種包含GPS 技術(shù)及載波位差點(diǎn)技術(shù)的地質(zhì)勘察技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中可將地質(zhì)勘察檢測(cè)狀態(tài)由靜態(tài)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)。RTK 技術(shù)可接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)檢查站及移動(dòng)式檢查站，切實(shí)提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的質(zhì)量及效率。同時(shí)，對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，有效解決數(shù)據(jù)衰弱誤差。技術(shù)人員通過RTK 測(cè)量結(jié)果，對(duì)當(dāng)前的地質(zhì)勘察區(qū)域進(jìn)行虛擬參考設(shè)置，以此擴(kuò)展移動(dòng)監(jiān)測(cè)區(qū)域及標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)距離，降低實(shí)際檢測(cè)作業(yè)量。RTK 技術(shù)工作原理示意圖如圖1 所示。

圖1 RTK技術(shù)工作原理示意圖

3.3 RS 技術(shù)

RS 遠(yuǎn)程探測(cè)技術(shù)一般應(yīng)用于氣象及地質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域，其可遠(yuǎn)程收集信息，應(yīng)用RS 探測(cè)技術(shù)時(shí)不受外部天氣影響，同時(shí)借助遠(yuǎn)程衛(wèi)星對(duì)其勘察地區(qū)的圖像信息進(jìn)行呈現(xiàn)，切實(shí)提升其勘察分辨率。在水工環(huán)地質(zhì)勘察中，技術(shù)人員可借助RS 技術(shù)對(duì)水工環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，構(gòu)建完備的地表水及地下水?dāng)?shù)據(jù)資源信息庫，為能源及資源開發(fā)提供較完善的數(shù)據(jù)及技術(shù)支持，切實(shí)提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作質(zhì)量及水平[2]。

4 探測(cè)雷達(dá)技術(shù)在水工環(huán)地質(zhì)勘測(cè)中的應(yīng)用

4.1 探測(cè)雷達(dá)技術(shù)原理及系統(tǒng)構(gòu)成

在水工環(huán)地質(zhì)勘測(cè)過程中，探測(cè)雷達(dá)技術(shù)可以對(duì)地下勘測(cè)目標(biāo)發(fā)送特定波長(zhǎng)的高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，通過均質(zhì)地層介質(zhì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳播；在傳導(dǎo)過程中遇到存有電性差異的目標(biāo)體時(shí)，會(huì)對(duì)其進(jìn)行反射，其反射回電磁波可被外部接收天線接收。通常情況下，介質(zhì)間的電磁特性差異越大，介質(zhì)間的界面就越容易被識(shí)別。技術(shù)人員可對(duì)接收的信息進(jìn)行分析與處理，根據(jù)電磁波的傳播時(shí)間及波形特征，通過信號(hào)振幅強(qiáng)弱對(duì)其目標(biāo)體的基本特征進(jìn)行推測(cè)，如目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)等。

探測(cè)雷達(dá)技術(shù)的工作原理參考了麥克斯韋方程原理，圖2為探測(cè)雷達(dá)技術(shù)工作原理示意圖。

圖2 探測(cè)雷達(dá)技術(shù)工作原理示意圖

4.2 探測(cè)雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

通常情況下，天線中心頻率受探測(cè)深度、空間辨識(shí)率及雜波干擾3 種因素影響。探測(cè)雷達(dá)中心頻率越低，其探測(cè)深度越大。探測(cè)深度與空間分辨率相互制衡，當(dāng)其滿足探測(cè)深度及場(chǎng)地條件時(shí)，需要對(duì)其空間分辨率的方向進(jìn)行明確認(rèn)定。若將探測(cè)深度作為首要出發(fā)點(diǎn)，并將探測(cè)深度設(shè)置為D，單位m，水工環(huán)地質(zhì)中的介質(zhì)電常數(shù)為εr，中心天線頻率為fCD，其中心頻率計(jì)算如式（1）：

若將其空間分辨率設(shè)置為x，則中心天線頻率需切實(shí)滿足以下計(jì)算：

從其空間分辨率角度出發(fā)，若得到的中心天線頻率高于受雜波干擾發(fā)射回來的中心頻率時(shí)，表明其空間分辨率與當(dāng)前的探測(cè)深度存在矛盾。天線中心頻率與其地質(zhì)勘察深度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 天線中心頻率與探測(cè)深度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表

在對(duì)時(shí)窗進(jìn)行甄選時(shí)，需了解實(shí)際探測(cè)深度D 與水工環(huán)地質(zhì)地層電磁波速度V（單位m/ns）之間的關(guān)系，時(shí)窗W 計(jì)算如式（3）：

在對(duì)時(shí)窗的選用值進(jìn)行明確時(shí)，其最后結(jié)果需比預(yù)期值提高30%，以此預(yù)留出地層速度與勘查主體深度的變化量，水工環(huán)地質(zhì)勘測(cè)中不同勘測(cè)介質(zhì)的時(shí)窗數(shù)據(jù)選擇如表2 所示。

表2 時(shí)窗數(shù)據(jù)甄選表

對(duì)比當(dāng)前的探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)天線頻帶寬度與其中心頻率，其頻帶寬度需高于中心頻率。根據(jù)奎斯特（Nyquist）理論，實(shí)際采樣數(shù)據(jù)需高于天線中心頻率3 倍，為切實(shí)保證完整的波形記錄，通常情況下，采樣數(shù)據(jù)的頻率被設(shè)置為天線中心頻率的6 倍，若其天線中心頻率以f 表示，單位MHz，則采樣距離lt的計(jì)算如式（4）：

探測(cè)雷達(dá)技術(shù)采樣距離與天線中心頻率關(guān)系如表3 所示。

表3 采樣距離及天線中心頻率關(guān)系表

4.3 應(yīng)用分析

探測(cè)雷達(dá)技術(shù)會(huì)發(fā)射一定的脈沖電磁波，并通過專業(yè)設(shè)備接收脈沖電磁波，之后使用專業(yè)軟件分析其反饋信息，以此掌握與了解水工環(huán)地質(zhì)勘察主體的實(shí)際情況[3]。探測(cè)雷達(dá)作為水工環(huán)地質(zhì)勘察方法中的一種，相較于傳統(tǒng)勘察方法，探測(cè)雷達(dá)具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）分辨率高，尤其是對(duì)淺層地表的探測(cè)精度分辨率可達(dá)厘米級(jí)。

2）工作效率高，探測(cè)雷達(dá)儀器設(shè)備輕便，操作簡(jiǎn)單，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)采集和處理數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，極大提高了工作效率，降低了成本。

3）相較于傳統(tǒng)勘探手段，探測(cè)雷達(dá)技術(shù)具有探測(cè)無損性特點(diǎn)，即這種探測(cè)不會(huì)損害、影響被檢測(cè)物體未來的使用性能和用途。

雷達(dá)的電磁波頻率一般集中于100 萬～10 億Hz，這對(duì)特殊特質(zhì)環(huán)境具有較好的地質(zhì)勘測(cè)效果，在水工環(huán)地質(zhì)勘測(cè)工作中表現(xiàn)良好。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，探測(cè)雷達(dá)技術(shù)在水工環(huán)地質(zhì)勘察中可應(yīng)用于淺表地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害勘查、地下管線調(diào)查、地基及路基病害檢測(cè)、隧道襯砌檢測(cè)、隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、水庫堤壩檢測(cè)、土壤含水率調(diào)查、有機(jī)污染調(diào)查等領(lǐng)域。

4.4 實(shí)證分析

4.4.1 鞏義市某河道治理工程勘察

工作區(qū)劃屬于華北地層區(qū)——華北平原分區(qū)的豫東地層小區(qū)。與工程關(guān)系密切的地層主要為上更新統(tǒng)沖洪積地層和全新統(tǒng)地層。場(chǎng)區(qū)勘探深度范圍內(nèi)揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)上段沖積層，地層巖性主要為粉土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂?？辈煸O(shè)計(jì)中，勘察單位利用水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)對(duì)工作區(qū)地下水位、河堤內(nèi)部孔洞、裂縫、軟弱帶和堤基滲水通道等進(jìn)行了翔實(shí)勘察。受沿河道設(shè)備通行條件限制，全部采用傳統(tǒng)勘察方法不僅成本高，且時(shí)間長(zhǎng)。因此，勘察單位采用測(cè)探雷達(dá)技術(shù)對(duì)地質(zhì)勘察工作進(jìn)行輔助。

探測(cè)大堤沿線地下水位：現(xiàn)場(chǎng)工作采用探測(cè)雷達(dá)技術(shù)沿左右岸河堤分別布設(shè)2 條長(zhǎng)探測(cè)剖面，使用天線中心頻率100～200 MHz，探測(cè)地表下2～7 m 土壤含水率及地下水位，并控制性布置少量傳統(tǒng)鉆探孔以查看地層情況并直接量測(cè)地下水位。對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的地下水位進(jìn)行校準(zhǔn)并相互印證，經(jīng)查明，本場(chǎng)地地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水，賦存于第四系全新統(tǒng)砂層、粉土層中，場(chǎng)區(qū)地下水位埋深約2.45 m。

為查明河堤堤基滲水通道，采用地質(zhì)雷達(dá)沿左右岸河堤布置多條縱剖面初步探測(cè)土壤含水率，針對(duì)探測(cè)發(fā)現(xiàn)的河堤浸潤(rùn)線異常處，再布置橫剖面詳查。使用測(cè)探雷達(dá)技術(shù)在本工程中發(fā)現(xiàn)多處隱患，證明勘察效果良好，這為堤壩隱患修復(fù)工作提供了專業(yè)的數(shù)據(jù)支持。

4.4.2 鄭州市農(nóng)業(yè)路快速通道工程農(nóng)業(yè)路—中州大道互通立交地下埋藏物勘察

本工程在詳細(xì)勘察前進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)踏勘，發(fā)現(xiàn)互通立交的西向南北方向2 條匝道WS、WN，匝道橋墩規(guī)劃設(shè)計(jì)位置分別占?jí)旱叵萝噹旒暗叵律虉?chǎng)，因地下車庫及地下商場(chǎng)缺乏準(zhǔn)確可靠的建筑物位置坐標(biāo)，故勘察單位采用探測(cè)雷達(dá)技術(shù)對(duì)地下車庫及地下商場(chǎng)外圍輪廓線及地下管線進(jìn)行探測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)雷達(dá)使用天線中心頻率50～200 MHz，詳細(xì)探測(cè)出地面以下2～10 m 深度范圍內(nèi)地下管線的位置、清晰的地下車庫及地下商場(chǎng)外圍輪廓線位置的坐標(biāo)深度數(shù)據(jù)，探測(cè)成果提交設(shè)計(jì)院后，設(shè)計(jì)單位在規(guī)劃匝道位置不變的情況下，迅速調(diào)整橋梁跨度及可行樁基位置，為本工程減少拆遷損失、確保施工工期提供了有力保證。

5 結(jié)語

隨著科技發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步，我國(guó)地質(zhì)勘察技術(shù)得到全面的發(fā)展及應(yīng)用，使我國(guó)在資源及能源開發(fā)領(lǐng)域獲得了行之有效的技術(shù)保障。良好的地質(zhì)勘察技術(shù)能最大限度地提升當(dāng)前資源及能源開采效率。因此，為提升我國(guó)水工環(huán)地質(zhì)勘察工作質(zhì)量及效率，促進(jìn)我國(guó)能源及資源經(jīng)濟(jì)全面發(fā)展，水工環(huán)地質(zhì)勘察部門需要對(duì)當(dāng)前的地質(zhì)勘察技術(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，以此提升地質(zhì)勘察工作的精準(zhǔn)性及完整性，從而推動(dòng)我國(guó)水工環(huán)地質(zhì)勘察領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展與完善。