地質雷達勘探在某導流洞襯砌空腔檢測的實例分析

龔元元

摘 要：本文通過簡述地質雷達的工作原理，借助雷達資料的解釋思路，探討了地質雷達的優缺點，并提供相應的解決方案，同時以案例證明地質雷達是襯砌空腔檢測的有效方法。

關鍵詞：地質雷達 空腔檢測 導流洞襯砌

1.前言

地質雷達是一種勘探地下目的物的方法，和很多常規勘探方法相比，其優點是，探測速度快，費用低，分辨率高，實時成像等等。地質雷達目前已經廣泛應用于國防、公安、城市建設、礦山、隧道、考古等熱點領域。本文以新疆某水電站導流洞空腔檢測為例，說明地質雷達在水電站空腔檢測中的應用情況。

2.基本原理

地質雷達使用的電磁波的波段主頻是106—109HZ，發射電磁波的特性是脈沖短、頻帶寬。地質雷達將發射天線和接收天線均架設在地面，現在很多儀器已經將發射與接受天線集成在儀器，不用分開架設，發射天線向地下發射電磁波，電磁波在地下介質傳播，不同的介質有不同的波阻抗，電磁波會反彈回地面被接收天線接收，波阻抗差異越大，反射的電磁波信號越強烈，通過對接收的反射電磁波信號進行處理和分析，輸出雷達成果圖，判斷地下的異常目的地質體。

不同的地下介質對于電磁波的衰減是不同的，其對電磁波被吸收的程度也不一樣。電磁波被雷達發射出去，之后回到接收天線被接收，返回的電磁波攜帶了地下介質的體現下電磁波方面的物理信息，如反射時間變化、波幅減小、頻率降低、相位變化等等信息，對波形進行分析及處理，提取波形中包含的地下信息，通過分析，建立地下介質模型結構。

雷達波的傳播，在界面上的反射和透射遵循斯奈爾定律，在該工程中，收發天線封裝在一起，收發天線可以近似看成一個點，接收到的回波通常垂直于入射平面，認為電磁波做法向入射，反射回波信號的強弱，收到若干因素的影響，主要決定因素是界面的放射系數，穿透介質的衰減系數。電流分為電子傳導電流和位移電流，大多數巖石介質屬于位移電流，通常滿足σ/ωε<=1，得到衰減系數（β）的近似值：

式中，t為目的層電磁波的反射時間；C為電磁波在真空中的傳播速度；εr是覆蓋目的層的相對介電常數。

3.工程實例

3.1概況

該水電站工程隸屬新疆和田市，位于玉龍喀什河與布亞河匯合口下游29km的河段上，導流洞位于河流右岸，基巖巖性為斜長二云母石英片巖、黑云母石英片巖，巖體呈片理結構，產狀70°NW∠30°，巖石屬中硬巖，巖層面走向與洞線方向夾角7～40°。洞身段處于微風化～新鮮巖體內，完整性較好，該段斷裂構造不發育，洞身段以Ⅲ類圍巖為主。本次工作主要針對洞身0+000～0+351段。

在理論上，溶洞，溶蝕裂縫帶與圍巖存在明顯物性差壓，電磁波能明顯反映這種物性差異，具備使用地質雷達進行導流洞洞頂空腔檢測條件。

3.2測試技術及資料處理

雷達測線沿導流洞洞頂軸線布置，使用GSSI公司的SIR-30地質雷達系統，使用500M中心頻率的天線，收發天線一體化，天線沿測線移動。疊加次數8，記錄時窗30 ns ，每一米掃描200個點，每秒300個測點，每個測點的采樣512次。

電磁波是震蕩的電場和震蕩的磁場交互感應產生的一種波，傳播形式與機械波有所差異，但是還是具備機械波的基本特性，發收電磁波的地質雷達數據處理方法與傳統的聲波、地震勘探方法有很多共同之處：設置濾波器，濾除干擾波；對信號進行時頻變換；疊加信號，壓制干擾波；設置合適的信號增益；

通過上述手段，達到增強有效信號，濾除或者壓制干擾，提供清晰的易于分析的數據和圖像。

3.3成果分析

對地質雷達資料的精確解釋，才能得到地下異常目的地質體的準確位置和形態，地質雷達生成的圖像資料是綜合信息的反應，包括了可接收頻段范圍內的所有電磁波信號，介質的散射信號，反射信號以及其它環境干擾信號都包含其中。

對信號的分析是尤為重要的一步。探地雷達資料解釋工作必須結合被埋設目的體區域，特性、現場探測記錄及淺地層地質情況等資料進行。通常是在數據處理后所得到的雷達圖像剖面中，通過對同相軸的追蹤，根據反射波組的波形與波振幅強度特征，來確定反射波組的地質含義。

步驟如下：

①反射層拾取：探地雷達圖像剖面是探地雷達資料地質解釋的基礎圖件，只要地下介質中存在電性差異，就可以在雷達圖像剖面中找到相應的反射波。解釋時常根據波形的相似性和同相軸特征來拾取反射層。

②時間剖面的解釋：根據地層反射波組特征在與鉆孔對應的位置劃分反射波組后，就需要依據反射波組的同相性與相似性進行地層的追蹤與對比。在進行時間剖面的對比之前，要掌握被探測區域的地質資料，根據探測目的，對比雷達圖像與鉆探結果，在此基礎上充分利用時間剖面的直觀性和范圍大的特點，掌握其地質構造特征。

根據該水庫導流洞洞頂0+000～0+064雷達圖像可知：4～5.5ns之間的波形穩定，振幅強，反射軸同向，認為該層介質襯砌層表層，在10～20ns之間波形不連續，振幅強，反射軸不同向，推斷為混凝土襯砌內的鋼筋網，20ns附近的強反射推斷為混凝土襯砌層底界面。襯砌底界面與巖層未見明顯空腔反應。

圖1為該水庫導流洞洞頂0+000～0+064雷達圖像，該圖縱坐標為雷達波的雙程旅行時間，如圖所示，4.2～6.2ns之間的波形穩定，振幅強，反射軸同向，認為該層介質襯砌層表層，在10～20ns之間波形不連續，振幅強，反射軸不同向，推斷為混凝土襯砌內的鋼筋網，20ns附近的強反射推斷為混凝土襯砌層底界面。在畫圈處有一處放射信號，反射時間相對附近明顯異常推斷為混凝土界面與巖層界面的空腔。

4.結束語

①在空腔檢測中，探地雷達能發揮重要作用，具有快速，直觀，準確，經濟等優點。雷達的精度和天線頻率有關，天線中心頻率越高，分辨率越高，探測越淺，反之，天線中心頻率越低，分辨率越低，探測深度越深。

②應用多種不同頻率天線可以探測不同深度和大小的目的體，進行綜合物探評價。

③襯砌區內物質分布不均，導致電磁波在襯砌體內的波速有比較大的差異，而且背景噪聲以及襯砌體內的鋼筋結構對電磁波的多次反射信號很難被徹底壓制，并且在襯砌區內，電磁波有顯著的波動特性，以上特性都會導致地質雷達的檢測結果不精確。

④探地雷達受到很多很多因素影響，如介質性質、環境、技術等。在進行地質分析時，要結合多種地質方法，進行綜合判斷。

參考文獻：

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