探測雷達技術(shù)在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中的應用分析

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)濟的發(fā)展與科技的進步，我國地質(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)為當前的地質(zhì)勘察工作提供了技術(shù)支持與保障，推動了我國地質(zhì)勘察工作的開展。20世紀80 年代，西方國家開始對探測雷達勘察技術(shù)進行研究，并在諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全方位應用。雖然我國對該勘察技術(shù)的研究時間略晚于西方國家，并在實際應用水平上存在一定差距，但是在新形勢下，我國加大了對勘察技術(shù)的資金投入，探測雷達技術(shù)得到了全面提升，并在當前的水工環(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、地理條件調(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)，對施工現(xiàn)場的地下水位變化及流動情況進行全面掌握，同時與當?shù)卣峁┑牡刭|(zhì)數(shù)據(jù)信息進行有效結(jié)合，進而對施工現(xiàn)場的水文條件進行客觀精準評估[1]。

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

1）綜合考量施工現(xiàn)場實際情況，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）在對水工環(huán)進行地質(zhì)勘察時，技術(shù)人員需要對其勘察信息進行明確記錄。

3）可以借助電法技術(shù)與探測雷達技術(shù)對施工現(xiàn)場的地下埋藏物、地層巖石裂縫及地下水流速等信息進行勘察，并做好記錄。

4）技術(shù)人員需充分應用勘察設(shè)備，并在實際勘察工作中發(fā)揮出勘察技術(shù)優(yōu)勢，切實提升水工環(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)，在實際應用過程中，電法技術(shù)一般可分為兩類。

3.1.1 高密電法

在實際應用過程中，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勘察現(xiàn)場的地質(zhì)水文情況進行詳細摸排，該方法的操作相對簡單。通常情況下，在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中，技術(shù)人員一般都會以機械自動化技術(shù)來輔助高密電法進行勘察工作，以此來切實提升水工環(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)勘察工作中是相對常見的，其可以對勘察現(xiàn)場的巖石及礦石進行激化，通過對其巖石以及礦石內(nèi)部的激化差異對勘察現(xiàn)場的地質(zhì)水文信息進行分析，以此獲得更精準的地質(zhì)勘察結(jié)果。在實際水工環(huán)地質(zhì)勘察中，激化電法常用于水資源檢測及礦石檢測。除此之外，技術(shù)人員在實際勘察流程中需對其激化電法的勘察流程進行科學管理，以提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的科學性及精準性。

3.2 RTK技術(shù)

RTK 技術(shù)是一種包含GPS 技術(shù)及載波位差點技術(shù)的地質(zhì)勘察技術(shù)，在實際應用中可將地質(zhì)勘察檢測狀態(tài)由靜態(tài)轉(zhuǎn)化為動態(tài)。RTK 技術(shù)可接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進而構(gòu)建標準檢查站及移動式檢查站，切實提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的質(zhì)量及效率。同時，對測量點進行網(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 測量結(jié)果，對當前的地質(zhì)勘察區(qū)域進行虛擬參考設(shè)置，以此擴展移動監(jiān)測區(qū)域及標準檢測距離，降低實際檢測作業(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 遠程探測技術(shù)一般應用于氣象及地質(zhì)探測領(lǐng)域，其可遠程收集信息，應用RS 探測技術(shù)時不受外部天氣影響，同時借助遠程衛(wèi)星對其勘察地區(qū)的圖像信息進行呈現(xiàn)，切實提升其勘察分辨率。在水工環(huán)地質(zhì)勘察中，技術(shù)人員可借助RS 技術(shù)對水工環(huán)進行動態(tài)化監(jiān)測，構(gòu)建完備的地表水及地下水數(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，切實提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作質(zhì)量及水平[2]。

4 探測雷達技術(shù)在水工環(huán)地質(zhì)勘測中的應用

4.1 探測雷達技術(shù)原理及系統(tǒng)構(gòu)成

在水工環(huán)地質(zhì)勘測過程中，探測雷達技術(shù)可以對地下勘測目標發(fā)送特定波長的高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，通過均質(zhì)地層介質(zhì)時可實現(xiàn)穩(wěn)定傳播；在傳導過程中遇到存有電性差異的目標體時，會對其進行反射，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別。技術(shù)人員可對接收的信息進行分析與處理，根據(jù)電磁波的傳播時間及波形特征，通過信號振幅強弱對其目標體的基本特征進行推測，如目標體的空間位置、結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)等。

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

圖2 探測雷達技術(shù)工作原理示意圖

4.2 探測雷達技術(shù)參數(shù)

通常情況下，天線中心頻率受探測深度、空間辨識率及雜波干擾3 種因素影響。探測雷達中心頻率越低，其探測深度越大。探測深度與空間分辨率相互制衡，當其滿足探測深度及場地條件時，需要對其空間分辨率的方向進行明確認定。若將探測深度作為首要出發(fā)點，并將探測深度設(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滿足以下計算：

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，表明其空間分辨率與當前的探測深度存在矛盾。天線中心頻率與其地質(zhì)勘察深度對應數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 天線中心頻率與探測深度對應數(shù)據(jù)表

在對時窗進行甄選時，需了解實際探測深度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，時窗W 計算如式（3）：

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

表2 時窗數(shù)據(jù)甄選表

對比當前的探測雷達系統(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，實際采樣數(shù)據(jù)需高于天線中心頻率3 倍，為切實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的計算如式（4）：

探測雷達技術(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 應用分析

探測雷達技術(shù)會發(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)勘察主體的實際情況[3]。探測雷達作為水工環(huán)地質(zhì)勘察方法中的一種，相較于傳統(tǒng)勘察方法，探測雷達具有以下優(yōu)勢。

1）分辨率高，尤其是對淺層地表的探測精度分辨率可達厘米級。

2）工作效率高，探測雷達儀器設(shè)備輕便，操作簡單，充分發(fā)揮了計算機采集和處理數(shù)據(jù)優(yōu)勢，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，探測雷達技術(shù)具有探測無損性特點，即這種探測不會損害、影響被檢測物體未來的使用性能和用途。

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

4.4 實證分析

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)黏土和粉細砂。勘察設(shè)計中，勘察單位利用水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)對工作區(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行了翔實勘察。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，且時間長。因此，勘察單位采用測探雷達技術(shù)對地質(zhì)勘察工作進行輔助。

探測大堤沿線地下水位：現(xiàn)場工作采用探測雷達技術(shù)沿左右岸河堤分別布設(shè)2 條長探測剖面，使用天線中心頻率100～200 MHz，探測地表下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地下水位。對地質(zhì)雷達探測的地下水位進行校準并相互印證，經(jīng)查明，本場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)雷達沿左右岸河堤布置多條縱剖面初步探測土壤含水率，針對探測發(fā)現(xiàn)的河堤浸潤線異常處，再布置橫剖面詳查。使用測探雷達技術(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

本工程在詳細勘察前進行了現(xiàn)場踏勘，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)計位置分別占壓地下車庫及地下商場，因地下車庫及地下商場缺乏準確可靠的建筑物位置坐標，故勘察單位采用探測雷達技術(shù)對地下車庫及地下商場外圍輪廓線及地下管線進行探測。

現(xiàn)場探測雷達使用天線中心頻率50～200 MHz，詳細探測出地面以下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外圍輪廓線位置的坐標深度數(shù)據(jù)，探測成果提交設(shè)計院后，設(shè)計單位在規(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)進步，我國地質(zhì)勘察技術(shù)得到全面的發(fā)展及應用，使我國在資源及能源開發(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前資源及能源開采效率。因此，為提升我國水工環(huán)地質(zhì)勘察工作質(zhì)量及效率，促進我國能源及資源經(jīng)濟全面發(fā)展，水工環(huán)地質(zhì)勘察部門需要對當前的地質(zhì)勘察技術(shù)進行不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，以此提升地質(zhì)勘察工作的精準性及完整性，從而推動我國水工環(huán)地質(zhì)勘察領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展與完善。