地質雷達技術在水利水電工程勘察中的應用

侯鴻霄

（滄州水利勘測規劃設計院有限公司，河北 滄州 061000）

0 引言

隨著科技的發展，我國的水利水電工程建設也引入了許多先進技術，其中，在地質勘探方面，地質雷達勘測技術得到了廣泛的應用。地質雷達具有勘察效率高，儀器易攜帶的優點，在水利水電工程建設中發揮著重要作用。但實際應用過程中，還存在一些問題需要進行深入分析與研究。

1 地質雷達技術的工作原理

地質雷達技術是利用電磁波進行地質勘測的一種手段，它在水利水電工程建設中的應用非常廣泛。電磁波在地下傳播時，遇到各種各樣的地下介質，相遇后電磁波便會發生反射現象，反射波會被雷達接收，從而收集到相應的地質信息，最終通過數據分析和處理，然后儲存在計算機中。計算機對獲得的數據進行分析和處理，從而可以判斷出地下的介質具體是什么物質，并且能夠準確地獲知物質的大小和位置[1]。地質雷達的工作原理主要是依靠天線進行信號的收發，天線中心頻率影響著電磁波的穿透能力，一般來說，如果為了讓電磁波的勘測深度更深，則會將中心頻率調低，以此來對地下進行深入勘測。借助地下雷達的勘測技術，幫助工作人員對地下介質進行較為準確地判斷，有利于后續水利水電工程建設施工的開展。地質雷達的具體工作原理見圖1所示。

圖1 地質雷達信號收發工作原理

地質雷達在工作時，發射機會發出電磁波信號，此時電磁波信號通過天線在巖層中進行傳播，如果遇到了不均勻的地質介質，或者其他的介質后，便會形成反射信號，發出的信號和反射的信號都會通過天線再回到接收機當中，這時接收機會對所有的信號進行調整和處理，進而傳送回主機中，再由主機傳送給計算機。計算機會對主機傳送的信號進行編碼處理，最終會以電頻圖或者波形堆積圖的形式顯示，如圖2所示。工作人員就可以根據圖形進行人工分析，了解被測物體的各項物理參數。

圖2 地質雷達勘測技術經過處理后的成像

2 地質雷達的主要勘測技術

2.1 寬角法

寬角法在地質雷達技術的應用中較為常見，它一般需要先找準位置，固定天線，然后另一根天線向側面移動，這時便可以記錄地下電磁波的不同走向，它能夠快速地求出地下反射面的深度以及電磁波的傳播速度，在地下情況較為良好時，勘測效果會比較好，使得勘測數據更為精確[2]。

2.2 剖面法

剖面法是最為常用的地質雷達技術，一般情況下，它會將發射和接收天線在固定的距離下向同一側移動，能夠清晰直觀地看到橫縱坐標的測量結果，其中天線的位置在橫坐標上體現，反射波在地下的走向則體現在縱坐標上，利用這樣的方法能夠更為直觀且精確地看到地下反射波的變化情況。

2.3 多次覆蓋法

因為地下各類介質的大小不一，會在一定程上影響反射波，那么此時就需要多個天線同時發射信號，另一個接收信號的天線就能在短時間內收集到更多的數據，然后將所得的全部信號進行重疊。

3 地質雷達勘查中存在的問題

3.1 勘測條件影響問題

在地質雷達技術的應用過程中，其勘測效果會受到諸多條件的影響。其中高頻率的電磁波在地下傳播時，會隨著時間的流逝而不斷衰減，且對其影響最大的就是電阻率的問題。當電阻率越低，那么勘測的深度和分辨率便會出現較大的誤差，且數據的精確度也會受到嚴重的影響，故而在應用地質雷達勘測技術時，要重點關注電阻率、介電常數與頻率，盡可能地降低環境對技術應用上的影響，以此保證勘測數據的準確性，提升勘測的整體水平[3]。

3.2 勘測數據處理的準確度問題

地質雷達技術勘測出的數據一般都會借助石油地震勘測技術進行分析。石油地震勘測技術的數據處理和地質雷達技術的數據還是有一定的誤差，導致數據出現了不準確的現象。具體來說，比如勘測出的速度需要對數據進行校對，而這樣一來，數據的精準度就會受到影響，且在數據處理過程中，還需要借助人力對地質雷達技術勘測出來的數據進行分析模擬，最終才能得出較為準確的數據。

3.3 地下資料分析不系統的問題

因為地下的實際情況對于勘測人員來說都是未知的，且地下介質的環境又相對復雜，我國現階段還沒有較為完整的地下資料分析體系，一般只有表層的地質雷達勘測情況，使得技術勘測人員必須將現有的地質雷達勘測技術與傳統的勘測手段相結合，才能得出更為準確的資料分析。

4 地質雷達勘查中的干擾因素及控制措施

4.1 大樹或樹枝干擾

電磁波的傳輸具有方向性，空氣屬于無損耗介質，即使是非常弱的電波也能在空氣中傳播得非常遠。但是，當測線附近出現一些枝繁葉茂的大樹或者有樹枝、樹干等，電磁波會受到干擾。普通的大樹或者樹枝在電磁波組上就會出現較為雜亂的低頻，密度波形上則會出現大片不規律的黑色斑痕。而如果是枝繁葉茂的大樹就會出現雙曲線的波形，且信號會變強，一般來說比較容易識別。為了降低這類影響，可以采用屏蔽天線開展勘測工作，能夠在一定程度上對干擾進行有效地抑制。

4.2 建筑物干擾

建筑物的干擾可分為兩大類，一類是建筑物走向與天線方向平行，另一種是建筑物走向與天線方向垂直[4]。其中，平行的情況對電磁波的干擾更為嚴重。假如測線附近建筑物的走向與天線的走向保持平行，那么在地質雷達測出的雷達記錄上，則會出現一組同方向的信號，該組信號極強且頻率接近測量主頻的側面反射波。當工作人員對地下情況未知時，很可能與地下界面的反射波相混淆。如果兩邊都有建筑物且走向與天線走向保持平行，那么這類干擾就會更為嚴重，因為此時在雷達記錄上所反映出來的地層波組就幾乎無法進行辨別了。所以使用地質雷達進行勘測的時候，應該盡量避免這種問題。如果走向是呈垂直的方向，干擾則不會如此嚴重。

4.3 類坎狀地形干擾

類坎狀地形中會引起雷達記錄出現兩組差別較大的異常特征波形，信號也會變得比較強，速度上既不是電磁波在空氣中的速度，也不是在地下介質中的速度，而是處在中間值。這種地形對信號引起的干擾十分嚴重，會使得大量的有效信號無法辨認，從而影響判斷。

4.4 地面不平引起的干擾

局部地形發生變化，會使得電磁波出現散射和漫射。一些地面上因出現了溝坎或者石塊等，天線便無法與地面較好地接觸，使天線與地面的阻抗出現較大的差異，能量不能有效地傳入地下，電磁波便會出現振蕩現象，不僅會嚴重圖像質量，有時還會因此得不到有效信號。它的頻率十分接近主頻，且信號強，很難衰減。如果令天線垂直離開地面，那么干擾會有所緩解，但會使得傳輸到地下的能量有所衰減。

4.5 空中輸電線的干擾

當測線通過輸電線的時候是以垂直走向完成的，且天線與輸電線的方向保持平行時，這時的干擾信號就會呈雙曲線分布，在輸電線下方則是其頂點的位置。如果是高壓輸電線，則信號更強，影響范圍更大。電線的高度可以根據頂點出現的時間與電磁波在空氣中的速度進行測算。如果是一般的照明線或者通訊線，則線的數量會較少且較細，范圍也沒有高壓線的那么廣。如果天線與輸電線的方向保持垂直，則干擾沒有那么強烈。

5 地質雷達在水利水電工程勘查中的應用要點

5.1 對地質剖面的勘測

因地質雷達自身的優越性，其應用也越來越廣泛，人們不斷發掘其在水利水電工程勘測中的重要作用。比如它能夠確定基巖埋深，對地質的剖面分層進行分析，勘測基巖分化情況。一般來說，地質雷達技術在水利水電工程勘測方面的應用，主要體現在對地質剖面的勘測，它能夠對地質剖面進行較為準確地分析，且值得注意的是，它可以利用地質勘測技術對深度、分辨率和精度進行全面地勘測。在對水利水電工程河床部分的地質進行剖面分析后，可以得出相應的準確數據，此時工作人員便能以前期測繪的圖紙為依據，結合分析結果對鉆孔的位置予以確定，這為水利水電工程的后續建設施工提供了很大的便利。

5.2 對堤壩建設的勘測

地質雷達技術是對水利水電工程地質勘測的有效手段，它能夠對地質進行全面勘測，這對堤壩建設有明顯的益處。一般情況下，人們憑借肉眼很難直接發現堤壩存在的安全隱患。但地質雷達便可以收集到較為全面的數據，并對可能存在安全隱患的部分提出警示，提升了堤壩建設安全監測的效率，并且在一定程度上保證了堤壩的施工質量[5]。

在勘測堤壩的壩基、壩體以及防洪閘機的地質質量時，可以采用地質雷達勘測技術。因為我國大部分堤防都是土質堤防，所以堤壩內部存在著的松散、軟弱和土質不均勻的現象，這在一定程度上對堤壩的安全性和實用性產生了影響，而且堤壩空洞和裂縫對整個水利工程的安全來說影響就更大了。借助地質雷達勘測技術，能夠及時、有效地發現堤壩可能存在的安全隱患。

5.3 對地下水資源的勘測

在水利工程建設中，對地下水資源的勘測也是十分重要的內容。隨著國內經濟的飛速發展，部分企業為了利益而不顧環境污染，將大量的污水不加處理地隨意排放，很多地區的水質受到了嚴重污染。所以，在水利水電工程建筑過程中，借助地質雷達勘測技術，可以得知地下水資源的污染范圍，且可以利用其確定污水儲藏的最佳位置，并借助一些化學手段處理污水問題，從而提升水利水電工程的水質質量。

5.4 對邊坡建設的勘測

邊坡工程在水利水電工程建設中起到了穩固的作用，它在一定程度上影響著水利水電工程的質量，而借助地質雷達勘測技術可以對邊坡的地質進行勘測，在較短的時間內收集到最為有效的數據，再利用軟件對這些數據進行分析，獲取邊坡工程對水利水電工程產生的影響情況，令邊坡工程充分發揮穩固作用，輔助水利水電工程的順利建設。

5.5 其他應用

除了上述四種常用的勘測應用，在水利水電工程建設中，地質雷達技術還可以具體應用于地下管道的勘測、回填土厚度的勘測以及第四系分層的勘測，另外，針對壩體的“散浸”也有較好的勘測效果[6]。

6 結束語

通過大量的實踐得知，在水利水電工程的勘測中，地質雷達技術發揮著十分重要的作用，它可以通過電磁波感應對地下物質進行勘測和分析，還能夠結合水利水電工程建設的需求，提出與地下環境和地質結構相匹配的科學建議，有助于水利水電工程施工的科學、合理。地質雷達技術能夠在較短的時間內獲得更多的信息量，對地下物質進行更為精確的定位，為水利水電工程建設施工提供非常大的幫助。