地質雷達在水利水電工程勘察中的技術應用

【摘要】本文介紹了地質雷達測試技術的基本原理和特征參數，并結合實例對地質雷達技術在水利水電工程的具體應用進行分析，分析結構供參考。

【關鍵詞】地質雷達；水利工程；地質勘查

1、地質雷達的工作原理

利用地質雷達測試技術來勘測地下介質的組成和分布狀況。地質雷達勘測儀上有兩根天線，是傳送和接受信號。一根天線進行高頻率寬頻帶段脈沖電磁波的發射，另一根天線進行地下地質結構反射波信號的接收。實踐結果表明，電磁波在地下介質的傳播形態受外界因素的影響，正是利用這一原理，可以對電磁波的往返時間、電磁波的形態、幅度等信息進行分析從而估測出該地質的各種物理性質。雷達探測具有極高的分辨率，探測深度可達到50m，而探測效果最好的是中淺層，隨著深度的增加探測效果就會越來越差。高頻天線的分辨率可精確到毫米。下圖1是地質雷達工作的原理示意圖：

地質雷達在工作時，由發射機通過發射天線發送周期性的毫微秒脈沖電磁波信號，當發出的訊號在巖層中傳播時遇到介質不均勻的巖體或其他介質時，就會產生一個反射信號，發射出和反射回的信號通過接受天線進入接收機中，接收到的信號由接收機進行調整、放大等處理后，再傳送到雷達主機進行處理，再傳送到微機中。微機會將接收到的信號按幅度大小依次編碼，最終以灰色電評圖或波形堆積圖的形式顯示出來，工作人員對圖形進行分析，可以掌握探測目標的位置、大小、形狀等物理參數。

2、特征參數

2. 1 電磁波脈沖旅行時t（ns）

（1）

當地下介質的電磁波速度v （m/ ns）已知時（Cv可現場測定或按2式估算），可根據實測電磁波反射歷時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）

在這個公式當中，er表示的是介質的相對介電常數，c表示的是在真空環境下電磁波的傳播速度，即：0. 3m/ ns，ur表示的是介質的相對磁導率，它的值大約在1左右。

2. 3 電磁波反射系數

在介質中傳播的電磁波如果碰到相對介電常數變化較大的物體時，會發生發射和透射的現象，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有關。

2. 4 地質雷達的探測深度

水不僅是生命體的主要組成物質，還能起到低通濾波器的作用。所以，地質雷達進行探測工作時探測深度直接受中心頻率和介質的吸收特性的影響。 有相關資料顯示，探測深度、中心頻率分別為20 ～ 50 m、25 ～ 50 MHz；當中心頻率處于100至400 MHz的時候，探測深度通常處于3至10米；當中心頻率是1000MHz的時候，探測深度往往不足一米。在實踐過程中，機已經采用何種中心頻率，具體由勘查目的決定。

3、地質雷達技術在水利水電工程中的應用

3. 1 壩體“散浸”勘察

散浸指的是比較分散的浸水現象，通常是間斷性的片狀滲水。在對某均質土壩壩體的土層分布和“散浸”進行調查分析時，對地表以下9km深的范圍進行雷達勘測?？睖y結果為：壩體上層1-9m的部分坡護層是灰巖巖塊和卵礫石層，9m之下的部分是黃土。

在多次試驗之后，發現選天線對為50MHz、天線間距為2m、實時128次疊加、觸發間隔為0.5m的雷達測試指標最為合適。出于壩體上層1-9m坡護層的巖體性質和勘測的目的，在雷達勘測時著重突出淺層勘測數據，在處理勘測數據時適當的壓制了深層勘測信息。通過（2）式的計算和對鉆孔資料的詳細分析，得出護坡石和砂卵礫石層的電磁波速是0.1m/ns。雷達勘測對壩體的勘測結果與土工試驗資料的相關分析數據保持一致，從而證明了可以用來打勘測技術確定“散浸”范圍和“散浸”原因。

3.2 堤防質量探測

在測評堤壩的壩基、壩體、防洪泄洪閘機的混凝土質量時可以采用提拔質量探測技術。堤壩的松散層、軟弱夾層和土質不均勻下沉等水利工程的造成的影響非常大，而堤壩裂縫、空洞等對水利工程的影響更大。所以，要加強對堤壩安全隱患區的擴展物探探測，努力保證堤壩的質量，相應的提高物探成果的應用價值勢在必行。為了解決上述提到的各種安全隱患，應用地質雷達勘測技術檢查、發現堤壩安全隱患。具體方法是選擇20%具有代表性的勘測區用地震折射波法求得地下水位上下兩部的波速，根據勘測信息對地基密度壩體質量等進行定量、定性的分析和評價。一般利用地質雷達法以及聲波測試法來檢測閘機混凝土質量，測試效果都非常不錯。

在土質比較松散的地方，地質雷達劃分的地震波波速在190-240m/s之間；在土質比較密實的地方，地質雷達劃分的地震波縱波波速在250m/s以上。對土工的檢測結果進行分析可知，土質相對松散的堤段密度不足1.50g/cm3，對應的聲波波速也較小。使用地質雷達、地震、電法勘探技術檢查堤壩質量時，在土質密度大且有明顯裂縫地方的三者的勘探結果都較為突出。鉆孔驗證結果顯示，物探法劃分的不均勻地質都屬于砂壤土中的純粘土夾層；對閘護坡和閘室基礎的勘測結果也顯示混凝土結構中出現脫空、蜂窩洞等情況。不難看出物探的勘測結果較為可靠。

4、工程實例

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年汛期內初次蓄水后，在水庫近岸處的壩體上發生兩處塌陷，在以后的使用過程中壩體左岸40-110m的范圍內又相繼出現9處崩陷。出于對水庫質量和人民群眾財產安全的考慮，對該水庫進行了一次全面的檢測勘察。在對發生崩陷和存在安全隱患的地方進行詳細的檢驗勘察后充分掌握了該水庫的地質條件、地質變化趨勢以及水庫將來的運行狀態，確定該水庫的地下水為巖溶洞隙水，得出該水庫發生滲漏和崩陷的原因，為制定壩體防滲漏方案創造了條件。

根據了解到水庫的地質條件和存在的問題，水庫維護人員在拱壩上設置一條測線、在壩體左肩設置了兩條測線，在壩體背水處的河床上設置了三條側線，設置的勘測點距是0.5m、天線距是2m、天線中心頻率是20MHz，f并使用RD1、RD2、RD3的雷達圖像對水庫壩體依次進行勘測，以下是勘測結果：

一，根據RD1段測線的雷達圖像顯示，在14-25m的測線范圍內，電磁波的往返時間是200ns、是不規律的雙曲線波，同軸但不連續，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。

二，根據RD2段測線雷達圖像顯示，在95-105m的測線范圍內有一個強反射界面，反射波同軸但是間斷性連接，這說明電磁波在此介質區域內發生特性上的改變。基巖反射面在雷達中圖像比較清晰，能初步斷定此區域出現巖體崩塌。崩塌處的巖體節理裂縫已經高度發育。崩塌處在地標陷坑的中間位置，表明兩處的陷坑是一個整體，底部貫穿的有巖溶管道。

三，根據RD3段測線雷達圖像顯示，在15-24m的水平測線范圍以及垂直方向300-500ns的范圍內存在強反射面，這表明該區域介質密度相對較低。對勘測結果進行分析后可知，壩體內部有滲水的現象。

5、總結

綜上所述，應用地質雷達探測技術不僅能夠得到壩體介質密度的具體信息，還能清楚的掌握壩肩、河床巖溶破碎帶以及節理裂性等的變化狀態。利用這些勘測數據和分析結果能夠針對壩體滲透制定有效的防滲漏方案。

參考文獻：

[1]王興華，富天生. 地質雷達在水毀水利工程現場安全檢測中的應用[J].吉林水利. 2012（03）

[2]宋學全.淺析地質勘測在水電工程中的應用[J].中國新技術新產品. 2014（04） 。