基于探地雷達檢測的巖溶岸坡內部宏觀裂隙響應規律研究*

秦 臻 黃波林 張 鵬

(三峽大學防災減災湖北省重點實驗室， 宜昌 443002， 中國)

0 引 言

三峽大壩建成蓄水后，庫水對消落帶巖溶岸坡上先前存在的裂隙、斷層破碎帶和軟弱夾層帶等進行沖刷、潛蝕和溶蝕，使得巖體裂隙變寬、變長和變深。裂隙的擴展降低了巖體的強度和完整性，加速了庫岸斜坡不穩定演化進程，出現了一些新生的危巖體或軟弱帶，可能會引起巖體崩塌或巖質滑坡，直接威脅著長江航道和庫區蓄水的安全。探測宏觀裂隙的發育程度、監測宏觀裂隙的發育速度、研究含裂隙巖體的劣化規律，對于庫區巖溶岸坡的安全穩定和地質災害防治具有重要意義。

很多研究學者對宏觀裂隙的統計建模、裂隙擴展規律和地表宏觀裂隙識別開展了大量的研究。鐘志彬等(2017)通過考慮裂隙長度和傾角影響來統計天然復雜裂隙網絡。韓帥等(2019)研究了離散裂隙網格的建模，來描述巖體內部結構面的統計分布。魏超等(2019)針對傾斜裂隙和水平裂隙開展了單軸和雙軸壓縮條件下的物理試驗和數值模擬來分析裂隙的擴展和貫通規律。袁小清等(2015)研究了宏細觀損傷耦合的非貫通裂隙巖體本構模型，來描述其在受荷過程中的細觀損傷演化與宏觀損傷行為。張文等(2020)開展了高陡巖質斜坡的結構面非接觸式采集技術與三維裂隙網絡模擬研究。李麗慧等(2019)對鄂爾多斯盆地頁巖儲層中的紋層和天然裂縫進行了多尺度研究，并構建了三維地質結構模型，其與研究區域的真實參數一致。張誠成等(2019)以張拉破壞模式地裂縫為例，結合傳感光纜應變的特點，提出了基于線應變的地裂縫形成判定準則。曾慶魯等(2017)基于三維激光掃描技術、配合高分辨率數碼照片和人工實測裂隙信息對巖體表面裂隙的發育規律和控制因素進行了研究。趙明宇等(2018)、侯恩科等(2019)、肖剛等(2019)基于無人機技術視覺技術分別對采煤地表裂隙和危巖體表面裂隙進行了檢測。但是，這些研究并沒有涉及如何探測和識別野外米級尺度巖體內部裂隙的位置、尺寸和分布等信息。

近些年來，物探無損檢測技術被廣泛應用到調查介質內部不同尺度的裂隙，其中比較常用的技術有高密度電法、超聲波法、彈性法和探地雷達法等。畢鵬程等(2020)成功實現了復雜地形條件下240道電極的三維電法數據采集，用于復雜地質構造和結構面的識別。汪子洋等(2019)利用超聲波傳播經過裂隙時傳播速度減慢和能量逸散導致聲時變大、波幅衰減的原理，對鋼管混凝土裂隙寬度檢測進行了試驗研究。劉平等(2018)使用沖擊彈性波法和超聲波法對混凝土裂隙深度進行了無損檢測比較。高密度電法用于識別裂縫的分辨率很低，而超聲波法和彈性波法主要利用傳播時間和幅頻特性，要求檢測表面平整、裂隙分布單一，限制了在復雜裂隙調查中的應用。

雷達波的波場由于具有線性疊加特性，探地雷達技術可以適用于復雜裂隙分布的情況。劉江平等(2004)從射線理論的角度闡述了公路路面垂直裂隙的反射波同相軸呈現似雙曲線特征。盧成明等(2007)和李修忠(2013)詳細分析了公路路面裂隙的波場特征及其探地雷達檢測方法，在識別裂隙，判斷裂隙的位置、深度及走向等方面具有重要意義。楊成林等(2008)利用探地雷達調查滑坡裂隙的位置、深度及走向，為后期滑坡治理提供依據。李遠強(2012)利用探地雷達技術來調查地裂縫。王國群(2009)總結了裂隙的探地雷達圖像基本特征，分析了不同成因地裂隙的探測機理和雷達圖像特征。針對膠結充填體裂隙模型，何文等(2015)開展了探地雷達技術的正演研究來指導這類裂隙的識別與探測。前人所做的探地雷達對裂縫的檢測和識別工作主要集中在公路、隧道、地面、緩坡面等檢測面比較平緩的區域，裂隙種類和分布比較簡單； 對于水庫區陡峭的消落帶岸坡，由于地形環境限制不容易開展探地雷達數據采集，且很難找到面積較大且平整的檢測平面，故未見到前人將探地雷達技術應用到水庫區消落帶巖體裂隙的檢測。

本文在前人的研究基礎上，使用探地雷達探測技術，針對三峽庫岸消落帶巖溶巖體內部宏觀裂隙，通過理論分析和數值模擬，研究裂隙的寬度、長度、埋深、傾角等因素變化時，其波場的動力學特征包括曲線形態、能量衰減等變化規律。并通過現場采集的地質雷達數據，利用該規律來解釋巖體裂隙擴展變化。

1 地質模型概化

使用探地雷達主機中的發射天線向巖體內部發射高頻(一般從50MHz到2000MHz)的脈沖電磁波，該電磁波遇到介電常數和電導率發生變化的裂隙時將產生反射的電磁波并被雷達主機中的接收天線所接收。對接收到的電磁波信號進行識別、處理和解譯，就可以達到探測巖體內部裂隙的目的。但是，巖體內部任意一個巖性變化點都將產生一個反射的電磁脈沖，所有這些電磁脈沖都將進行波的干涉與疊加，導致了雷達回波信號的解譯變得困難； 另外，巖體表面的凸凹不平將會使電磁波的干涉與疊加進一步復雜化。如果裂隙的形狀比較規則且巖體表面比較平整光滑時，雷達回波的干涉與疊加將呈現較好的規律性，就有可能尋找出反射雷達回波與巖體裂隙形態的對應關系。因此，有必要對現場的巖體內部裂隙進行模型簡化，來方便研究對應的探地雷達響應規律，基于這些認識規律來指導現場巖體內部裂隙的解譯。

三峽庫區巫峽巖溶岸坡廣泛分布，孔隙、裂隙、溶隙和溶洞等不連續介質不同程度地發育。本文選擇三峽庫區巫山縣青石水文站典型順向巖溶岸坡作為探地雷達探測巖體內部裂隙的研究區域(圖1)。2008年以來，庫水位在145m到175m之間周期性漲落，消落帶巖體在高頻次的溫度循環、干濕循環、凍融循環、庫水溶蝕掏蝕作用下發生巖體質量劣化，使得裂隙的擴張速度加劇，嚴重影響了庫岸淺表層斜坡的穩定性。

圖1 三峽庫區巫山縣青石水文站巖溶岸坡巖體裂隙照片

調查顯示，水文站斜坡坡度約為45°，巖體劣化類型為裂隙擴張型。該處巖體壁面比較平整，大大小小裂隙縱橫交叉分布，裂隙延伸最長的可達30m。主要發育著3組裂隙：第1組裂隙的產狀約為55°∠50°； 第2組裂隙的產狀約325°∠75°，與第1組裂隙的走向近似正交，且第1組和第2組裂隙面近似垂直于巖體表面； 第3組裂隙的產狀約為235°∠45°，其走向與江水流動方向平行，且為順向坡近似平行于巖體表面的薄層層間脫空裂隙，薄層灰巖的平均厚度約為20cm。裂隙內部空間有的張開，部分被黏土或巖屑物質充填。大于10cm寬度的裂隙相對較少，厘米級寬度的中等裂隙比較發育，毫米級及以下寬度級別的裂隙廣泛分布。從巖體露頭發現，有的裂隙深度跨越多個薄層。

圖1中紅色虛框內巖體區域為具體的調查與測試區。該區巖體裂隙基本組成單元為紫色實線所示的單條裂隙模型。為了探討裂隙的寬度、長度和埋深等對探地雷達回波信號的影響，設計了如圖2所示的二維簡化地質模型(與圖1中的測線O-O′對應)。該簡化模型不考慮裂隙形態的不規則性、多條裂隙及其交叉、充填介質狀態、巖體表面的起伏粗糙不平等因素。根據調查測試區，設計地質模型大小為1.62m×0.65m，由圍巖和裂隙兩部分組成，包括兩層介質：上層為空氣介質，相對介電常數為1； 下層為灰巖介質，相對介電常數約為7。灰巖介質中含有一張開裂隙(空氣填充)，該裂隙用一規則的矩形來模擬。在巖體表面布置雷達測線時，盡量使得探地雷達的縱測線和橫測線的走向與圖1中第1組裂隙和第2組裂隙的走向互相垂直，此時兩組裂隙就可簡化為圖2中的二維裂隙地質模型，且裂隙的寬度遠小于裂隙的埋深，可用一水平方向較窄、深度方向較長的矩形來模擬； 由于第3組裂隙面平行于巖體表面，當簡化為圖2中二維裂隙地質模型時，可用一水平方向較長、深度方向較薄的矩形來模擬。

圖2 灰巖內部裂隙地質模型

2 理論分析

下面基于探地雷達技術，從理論上來研究雷達回波剖面中裂隙對應的時距曲線形態特征。

假設裂隙介質的寬度變化對雷達回波的影響可以忽略，裂隙的頂端或底端可視為一點狀異物。如圖3所示，D為裂隙頂端或底端端點，S為探地雷達電磁波發射天線、R為接收天線，P為發射-接收天線的中點，O′為裂隙端點在地面的投影，設P到O′的距離為x，發射-接收天線的距離為d， D到O′的距離為h。當發射-接收天線一起沿巖體表面向前移動(或距離x變化)時，研究接收天線雷達回波的初至波到達時間t的變化，即時距曲線關系。

圖3 雷達發射-接收天線距離固定時裂隙介質端點D的散射波時距曲線

雷達電磁波從發射天線出發傳播到裂隙端點再傳播到接收天線總共經歷的傳播時間tP

(1)

式中：tSD為S點到D點的傳播時間；tDR為D點到R點的傳播時間；v為波在灰巖介質中的傳播速度； 當發射-接收天線的長度d相對x很小或完全重合時，即d≈0，由式(1)可推導出雷達回波對應的時距曲線將變成一條標準的雙曲線：

(2)

式(2)說明裂隙頂端點和底端點對應的雷達回波曲線可視為或近似視為一條雙曲線，這可以用來作為識別巖溶裂隙及其頂端和底端的標志。

裂縫對探地雷達響應的理論曲線適用于裂隙寬度很窄、入射波為高頻率平面波、單位脈沖信號情形。實際的雷達子波信號往往為具有一定持續時間且頻率為帶限信號、入射波為球面波、裂隙寬度會發生較大變化、裂隙的充填介質也不相同、介質的吸收導致能量損耗以及球面擴散能量衰減、波的干涉疊加等，這時候就需要使用數值模擬來研究巖溶裂隙的雷達回波響應規律。

3 數值分析

利用二維電磁波麥克斯韋方程組，采用數值模擬研究巖溶裂隙介質簡化模型的探地雷達響應規律。

(3)

式中：Ey、Hx和Hz分別為電場強度的y分量、磁場強度的x分量和z分量；ε、σ和μ分別為介電常數、電導率和磁導率；Jy為激勵電流源。式(3)為電場強度和磁場強度關于時間和空間變量的一階偏導數方程組，基于C語言編程，使用二階差分來逼近時間偏導數、高階有限差分來逼近空間偏導數，通過時間步長變化來顯式遞推模擬電磁波在巖溶巖體中的傳播。

基于圖2建立的巖溶裂隙地質模型，在水平x方向上和深度z方向上將模型離散為648×260的均勻正方形網格。灰巖的相對介電常數設置為7，空氣的相對介電常數為1，裂隙的相對介電常數也設為1。網格水平方向和豎直方向的間距為0.0025m； 模擬時間步長為0.0002ns，模擬時間總長為18ns，采用900MHz主頻的雷克子波作為震源； 采用PML吸收邊界條件來衰減吸收模型截斷邊界處引起的虛假反射； 發射天線和接收天線的距離為0.02m，發射天線和接收天線每次一起向前移動距離為0.02m，總共移動72次產生72道雷達回波記錄(電場強度Ey)成一個雷達回波剖面。發射-接收天線每移動一次都需要重新進行一次正演模擬。

改變圖2模型中裂隙的寬度、長度、埋深，就可以通過數值模擬形成不同的雷達回波剖面，來研究裂隙變化時探地雷達回波對應的響應規律。通過數值模擬得到的探地雷達剖面與現場實際采集到的雷達剖面相似，區別是前者的介質情況比較理想、沒有考慮到采集儀器和環境的影響。

3.1 長度的影響

保持裂隙的頂端位置不變，圖4給出了改變裂隙的長度為30cm和70cm時對應的探地雷達剖面。從圖中可以看出，裂隙頂端的雷達回波響應時距曲線形態為一雙曲線形態，其中間能量強而兩端能量弱； 裂隙底端的雷達回波響應時距曲線也近似具有雙曲線形態，其兩端能量強而中間能量弱，裂隙長度越長，雙曲線的能量越弱。

圖4 不同長度裂隙模型的探地雷達數值模擬剖面

根據式(1)，裂隙底端和頂端的雷達回波響應雙曲線的頂點(x=0)時間差為：

(4)

式中：l為裂隙的長度；h為裂縫的頂端埋深。如果不考慮發射天線和接收天線的距離d(≈0)，由式(4)整理，可得：

l=0.5υΔt

(5)

即裂隙的長度l與頂端和底端對應雙曲線的頂點時差Δt比。如果預先知道灰巖介質電磁波速度v，在圖上判讀出兩條雙曲線頂點的傳播時差，就可以用來確定裂隙長度l。由于裂隙底端對應雷達回波雙曲線的頂點能量最弱，可能導致實際工作中難于定位裂隙底端位置，導致裂隙的長度很難確定。

另外，根據裂隙頂端對應的雷達回波雙曲線頂點走時tP確定頂端埋深h為：

h=0.5υtP

(6)

式(6)表明，裂隙頂端對應的垂直方向傳播時間與其埋深成正比。裂隙底端的情形也具有相同的規律。因此，可以將探地雷達時間剖面方便地轉換為探地雷達深度剖面，只需將時間軸坐標值乘以灰巖介質電磁波傳播速度的一半即可。

3.2 寬度的影響

設置垂直裂隙的寬度為0.25cm、0.5cm、1cm、2～27cm(依次遞增1cm)、28cm、30cm、32cm、36cm，裂隙的長度皆為20cm，裂隙的頂端埋深皆為10cm進行了數值模擬試驗，共得到了32個雷達回波剖面。

選取了其中6個典型雷達剖面，裂隙寬度分別對應于0.25cm、4cm、8cm、18cm、24cm、36cm(圖5)，來展示寬度變化時雷達回波響應規律。由于直達電磁波的能量很強，為了便于觀察結果每個剖面中皆消除了直達波信號。根據前面理論分析，雷達回波擬雙曲線的頂點對應于裂隙端點(頂端或底端)位置，將裂隙使用白色的矩形標識在雷達回波剖面上。為了直觀比較不同情形下雷達回波振幅的強弱，圖5中色標的最大值對應雷達回波電場強度振幅的最大值。

圖5 不同寬度裂隙模型的探地雷達數值模擬剖面

首先從圖5來觀看裂隙頂端對應的雷達回波曲線形態。當裂隙寬度較小(圖5a、圖5b和圖5c情形)時，裂隙頂端左邊緣和右邊緣對應的雙曲線重合，當裂隙寬度逐漸增大時裂隙頂端對應的雙曲線頂點能量逐漸增強和增大，色標最大值分別為5、83、200。當裂隙寬度較大(圖5d、圖5e和圖5f情形)時，隨著裂隙寬度增加裂隙頂端左邊緣和右邊緣對應的雙曲線開始拉開一段水平距離并逐漸增長，色標最大值分別為350、330、330。進一步可發現兩支雙曲線頂點之間的距離與裂隙的寬度基本重合，利用這點可以從雷達剖面上近似計算較大裂隙的寬度。

圖6顯示的是裂隙頂端對應雙曲線雷達回波總的最大振幅、裂隙頂端中點雷達回波最大振幅。兩者的共同規律是：振幅先增大到一最大值后減小趨近于一常數。大致可分為4個階段：(1)線性變化階段。裂隙寬度從0cm到15cm； (2)上彎階段。裂隙寬度從15cm到18cm； (3)下彎階段； (4)平臺階段。結合圖5，可以看出，當裂隙寬度小于15cm時，裂隙寬度與振幅的變化近似為線性關系，裂隙寬度越大對應的振幅就越強，適用于垂直的細長裂隙情形； 當裂隙的寬度大于約22cm后，裂隙的寬度可直接在雷達剖面上通過判斷雙峰雙曲線之間的平臺寬度計算出來。可見，裂隙寬度的變化與探地雷達回波響應的最大振幅之間有著密切的聯系。

圖6 垂直裂隙雷達回波最大振幅與裂隙寬度的關系

3.3 傾角的影響

設置裂隙的傾角依次遞減18°，分別為90°、72°、54°、36°、18°、0°共6個模型，裂隙的長度為40cm、寬度為2cm、頂端埋深為20cm。圖7給出了傾角變化時裂隙的探地雷達響應特征。從圖7a、圖7b和圖7c可以看出，對于傾角較大的裂隙，裂隙的頂端點和底端點可以根據雙曲線的頂點來確定，但是傾角越大，裂隙底端點對應雙曲線頂點的雷達回波能量越小，導致很難準確定位裂隙底端點空間位置。從圖7d、圖7e和圖7f可以看出，對于傾角較小的裂隙，雷達剖面上的強能量團方向具有和裂隙傾角一致的趨勢，傾角越小、強能量團與真實裂隙的重合程度越高。比較可以看出，傾角越小、裂隙的形態特別是長度越容易確定； 傾角越大、根據典型的雙曲線形態容易識別地質異常可能為一垂直裂隙。

圖7 不同傾角裂隙模型的探地雷達數值模擬剖面

4 現場測試

4.1 宏觀巖體裂隙探測

使用探地雷達對水庫區消落帶巖體裂隙進行檢測，需要解決的問題主要有：雷達天線主頻的選擇、數據采集環境的搭建、測線的布置、巖體表面起伏對采集數據的影響等。不同天線的主頻對裂縫的寬度、埋深的探測靈敏度不同； 雷達天線主頻越低，雷達體積就越大，在陡峭岸坡上就越難移動，同時需要平整的檢測面積就越大。通過試用不同的雷達天線，發現900MHz的天線最適用。由于岸坡陡峭，坡角常大于45°導致采集人員無法站立或行走在巖體表面，解決辦法是在采集區域上方固定安全繩和人員站立的地方預先向巖體中打入小錨桿。將雷達測線的方向盡量布置與主要的裂隙延伸方向垂直，此時接收來自裂隙反射面的雷達波能量最強。巖體表面的起伏不平常常導致雷達小車的車輪停止轉動或上下顛簸導致雷達數據采集質量變差，為了方便測距輪能在巖體表面滾動，在雷達小車下方墊上較薄的塑料布，雷達小車在墊布中央行進。具體采集數據時，需要一人操作雷達主機、一人將墊布固定在巖體表面、兩人配合雷達小車走過較長的測線距離。與前人工作最大的不同，就是如何解決復雜地質環境下雷達數據的采集。當雷達數據采集完畢，就可以采用常規的雷達處理和解釋軟件來對裂隙進行識別和判定。

我們使用中國電波傳播研究所生產的LTD-X1探地雷達系統、選用900MHz主頻的雷達天線，對青石水文站巖溶庫岸典型灰巖裂隙體進行了探測。如圖8所示，共布置了9條縱測線(數字“1”到“9”表示)、16條橫測線(字母“A”到“P”表示)，縱橫測線形成的小方格(紅色虛線單元矩形)邊長為30cm，共計長4.8m、寬2.7m的探測區域。將探測系統的原點放在圖8的左下角，水平方向為X方向，其正交方向為Y方向，垂直巖體表面向內為Z方向。

圖8 青石水文站岸坡巖體探地雷達測線布置

圖9給出了第6條縱測線(6A-6P)對應的探地雷達剖面，在Y方向上分布著至少7條厘米級的裂隙。在圖9a的原始數據剖面中，存在著兩種曲線形態：一種為雙曲線形態； 一種為反射同相軸。它們分別對應兩種形態的裂隙、孔洞或結構面：每條雙曲線形態對應一個異常點狀物，可能為細長裂隙的頂端或底端，也可能為一個孤立的小型孔洞； 反射同相軸可能對應著巖性分界面，包括地面上空氣與巖體表面的接觸面、層理面。如果層理面脫空越嚴重，反射同相軸的能量就越強； 如果層理面脫空時斷時續，則反射同相軸的連續性也時斷時續； 反射波同相軸的長度大致與結構面的長度相同。在Z方向0.8m處和1.4m處，可推斷出層理面的脫空比較斷續，后期的巖體劣化有可能將這些斷續的脫空面進行連通。

圖9 圖8中第6條縱測線(6A-6P)的探地雷達檢測剖面

結合前面數值模擬的規律認識，對第6條縱測線的宏觀垂直裂隙、水平層理面進行了推斷解釋(圖9b)。紫色的矩形指示著解釋的垂直裂隙，裂隙的寬度根據巖體表面裂隙的寬度來量測確定，也可以根據雙曲線頂點最大振幅與裂隙寬度關系曲線來解釋。層間脫空裂隙面的解釋使用紅色的虛線連接，能量團的強弱與脫空程度大小有關系，能量團越強脫空越嚴重。能解釋的宏觀裂隙共有10條，對應著巖體表面最寬的10條裂隙，寬度從0.5cm到7cm不等； 有4組層理面發生了不同程度的脫空，位置在巖體表面以下約0.1m、0.4m、0.85m和1.4m處。

為了能更好地觀測宏觀裂隙在空間的展布，將圖10a中4條綠色的測線所采集的探地雷達剖面進行拼接，形成了圖10b中所示的三維裂隙展布解釋結果。這4條測線分別是：橫測線6C-6J、橫測線7C-7J、縱測線C6-C7、縱測線J6-J7。所解釋的三維區域大小為：長0.7～2.6m、寬1.8～2.1m、深度約0～2.8m。解釋結果表明，在該三維區域有5條主要垂直裂隙，這與巖體表面分布的裂隙完全一致； 另外還有2個不連續的層理脫空面，這在地面無法觀測到的，通過探地雷達技術在巖體表面就能探測到。探地雷達技術不能精確地刻化巖體內部宏觀裂隙的形態，但是它能有效探測到這些宏觀裂隙的存在和空間分布。

圖10 基于探地雷達剖面解釋的宏觀裂隙三維空間展布

4.2 巖體裂隙擴展監測

當巖體內部的宏觀裂隙發生一定程度變化時，在地面上采集的探地雷達剖面也將發生相應的變化，因此，探地雷達技術也可用來對巖體的內部裂隙擴展進行監測。在2018年7月和2018年8月，對前面青石水文站的第7條縱測線剖面對應的巖體內部宏觀裂隙進行了兩期探地雷達檢測。測線長為1.2m、探測深度為1.5m。從圖11中可以看出：該探測區域有兩條明顯的垂直裂隙、兩個連續性較差的脫空層理面； 相隔一年的兩期探地雷達數據剖面非常相似，一方面說明在如此短的時間內巖體劣化程度并不十分顯著，另一方面也說明了探地雷達技術的重復性探測保真度較高； 對兩期探地雷達數據做差值，其圖像上出現了一些能量團異常，指示著該處的巖性在一年期間內發生了變化，這可能是由裂隙的擴展引起的，也可能是裂隙的充填介質發生了變化。

圖11 兩期探地雷達檢測數據的剖面對比

圖12對圖11a和圖11b中Y=0.4m和Y=0.8m的兩期單道數據進行了對比。觀察發現：在Y=0.4m處兩期探地雷達數據在多處吻合得不夠好，說明該處深度方向上有些地方的巖性發生了變化，例如深度Z=1.4m處前后兩期數據出現了差異表明該處的層面裂隙的擴展發生了變化； 在Y=0.8m處，前后兩期的監測數據重合得比較好，說明該處深度方向上巖性比較均勻、基本上沒有裂隙存在。因此，使用探地雷達技術來監測巖體內部宏觀裂隙的顯著變化是可行的。

圖12 兩期探地雷達檢測數據的曲線對比

5 討 論

探地雷達的頻率對裂隙的寬度和埋深探測比較敏感。一般來說，大尺度的裂隙主要控制著斜坡的穩定性，較小尺度的裂隙主要控制著局部山體或塊體的穩定性。在研究的水庫區消落帶巖溶岸坡上，通過調查發現：在百米長的岸坡范圍內，常發育著1～3條埋深較大(2m以上)延伸很長(30m以上)的大尺度裂隙，寬度約為幾個厘米； 發育著眾多埋深較淺(10～50cm)、延伸較短(20cm到200cm)、寬度約為幾個厘米的較小尺度裂隙； 發育著大量的正在擴張的小裂隙，其寬度遠小于1個厘米，延伸和埋深較短。可以看出，厘米級寬度的裂隙是比較常見的，其對巖體穩定性的影響也是較大的。對于幾個厘米寬的巖體裂隙，試用了1500MHz、900MHz、400MHz等不同頻率的天線。1500MHz天線對裂隙寬度的響應最敏感，但是背景噪聲也最大，同時探測深度較淺、約為1.0m。另外， 1500MHz天線對巖體表面微小的起伏非常敏感，產生了很多噪聲干擾。900MHz天線對裂隙寬度響應很敏感，背景噪聲較弱，探測深度可以達到1.5m。400MHz的天線已經比較笨重難以在野外斜坡上順利操作，而270MHz、100MHz等天線的體積過于笨重無法置于消落帶斜坡上并移動。因此，對于厘米級裂隙的探測， 900MHz的天線是比較合適的選擇。

對于很寬(分米級及以上)的裂隙，嚴重影響著岸坡穩定性，這樣的裂隙容易被發現并做治理，可以使用低頻天線進行埋深探測，關鍵問題就是解決儀器笨重帶來的在消落帶岸坡上進行數據采集的可操作性。對于軟弱夾層，若分布較淺(1.5m以內)，可使用900MHz雷達天線來探測，若埋藏較深，同樣也涉及到復雜地形環境對采集工作的制約。除此之外，還需要考慮到操作人員在斜坡面上大距離移動的安全問題。

儀器設備的性能和配套裝置會對雷達數據的采集質量產生重要影響。對于某一固定頻率的天線，需要進一步提高其探測深度； 若發射天線和接收天線可以拆分，就可以調整收發天線的距離，將該距離變化作為雷達數據的一個維度來增加采集數據的維度，將會得到大角度的雷達反射波信息，有助于恢復傾斜裂縫的信息； 將主機接收信號的方式由有線接收提升為無線接收，在野外采集時將會提高效率。在現場陡峭岸坡上進行雷達探測時，采用的是在巖體表面用噴漆將測線位置畫好，雷達天線只能在該測線上行進，結合測距輪滾過的距離來確定雷達天線的空間位置，這導致了雷達天線的空間位置定位精度較低，特別是遇到起伏不平的巖體表面時將進一步降低了雷達天線的定位精度，而天線定位精度將顯著影響雷達資料的處理和解釋。可以通過在雷達收發天線上各配置一套激光定位系統來提高雷達收發天線的空間定位精度。

提高雷達數據采集的多樣化將會得到更多的地下介質的信息。同時采用多個頻率的天線，將會得到不同探測精度和探測深度的雷達數據，但是，探測深度的增加將會降低探測精度、顯著增加雷達天線的體積，采用多套天線還意味著數據采集所用時間的成倍增加。將二維采集方式升級為三維采集方式，將能得到巖體內部三維空間內的裂隙信息，一種方式是將多條二維測線組裝成一個三維測線系統，另一種方式是采用一個天線發射雷達電磁波、一個天線陣列接收雷達電磁波，也可以將兩種方式結合來組成三維多方位觀測系統，這將有助于恢復三維空間不規則的、傾斜的裂縫形態。但是，這對天線設計的復雜程度、數據采集的效率提出了挑戰。

雷達數據處理可以進一步地提高裂縫形態的識別程度。裂縫的端點信息在雷達數據剖面上表現為雙曲線形態，多個端點的雙曲線將相互疊加相互干涉導致裂縫端點識別困難。裂縫傾角越大，在雷達剖面上裂縫內部的信息損失越多。可以借鑒地震資料處理中偏移成像技術，將雙曲線形態收斂為一個點、將傾斜的裂縫界面準確歸位，但是，如何獲取好的偏移電磁波速度來進行成像有較大難度，否則會顯著影響裂縫形態的恢復。除此之外，雷達波衰減能量的恢復、去除多種噪聲等技術也需進一步提高。

雷達數據解釋將有助于恢復巖體內部的巖性參數。通過雷達數據處理，裂縫的形態在一定程度上被恢復出來，但是，恢復的裂縫端點信息將是一個具有時間長度的雷達子波信號、巖體內部介質的巖性參數并沒被恢復出來。例如，可以通過子波反褶積技術消除雷達子波的影響、近似恢復裂縫分界面的反射系數，也可以通過全波形反演技術直接恢復巖體內部的相對介電常數、電導率等信息。但是，這些技術的應用都是建立前期雷達數據的采集質量、處理質量之上的，目前成熟應用還受到很多限制。

如果能從儀器設備、數據采集、數據處理、數據解釋等方面進行提高，就有可能更高效、更好地展示巖體內部裂隙結構的分布及其擴展變化。

6 結 論

本文針對三峽庫區巖溶岸坡消落帶巖溶巖體內部宏觀裂隙擴展的探測問題，基于探地雷達探測技術，將復雜的現場裂隙概化為矩形裂隙地質模型，使用理論分析和數值模擬技術研究了裂隙的形態與探地雷達數據之間的聯系和規律，并將該規律用于指導現場巖溶巖體裂隙的探測和裂隙擴展的監測，得到了以下的主要結論：

(1)在陡峭的斜坡上搭建適宜的采集環境、針對厘米級的優勢裂隙采用900MHz的天線頻率，將探地雷達技術應用到水庫區消落帶巖溶巖體內部裂隙的檢測和監測是可行的，為調查和研究巖體內部裂隙的擴展規律提供了一種有效的手段。

(2)探地雷達技術可以在不破壞巖體的情形下，有效探測巖體內部宏觀裂隙的分布。對于近似垂直的裂隙，通過雙曲線形態可以較好識別出裂隙頂端，但是大量干擾和雷達波能量衰減導致裂隙底端難于識別； 對于層理脫空形成的水平裂隙，從探地雷達云圖上可以較好識別。由于裂隙形態的不規則使得雷達剖面上的雙曲線形態畸變和能量團分布不均衡，導致很難刻畫裂隙形態。利用多期雷達數據，比較雷達波能量團強弱和有無的變化，可以監測宏觀裂隙擴展。

(3)為了使探地雷達技術更好地探測和監測巖體內部宏觀裂隙的擴展，需要從儀器設備、數據采集、處理和解釋等4個方面來加強。例如，可采用高密度的測線網來實現三維空間裂隙的探測； 提高雷達波發射位置和接收位置的定位精度； 借鑒地震資料處理技術中的高精度偏移成像技術和全波形反演技術等，來準確恢復巖體內部空間復雜裂隙的形態和充填介質屬性。