地質(zhì)雷達(dá)勘探在某導(dǎo)流洞襯砌空腔檢測(cè)的實(shí)例分析

龔元元

摘 要：本文通過(guò)簡(jiǎn)述地質(zhì)雷達(dá)的工作原理，借助雷達(dá)資料的解釋思路，探討了地質(zhì)雷達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提供相應(yīng)的解決方案，同時(shí)以案例證明地質(zhì)雷達(dá)是襯砌空腔檢測(cè)的有效方法。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá) 空腔檢測(cè) 導(dǎo)流洞襯砌

1.前言

地質(zhì)雷達(dá)是一種勘探地下目的物的方法，和很多常規(guī)勘探方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是，探測(cè)速度快，費(fèi)用低，分辨率高，實(shí)時(shí)成像等等。地質(zhì)雷達(dá)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)防、公安、城市建設(shè)、礦山、隧道、考古等熱點(diǎn)領(lǐng)域。本文以新疆某水電站導(dǎo)流洞空腔檢測(cè)為例，說(shuō)明地質(zhì)雷達(dá)在水電站空腔檢測(cè)中的應(yīng)用情況。

2.基本原理

地質(zhì)雷達(dá)使用的電磁波的波段主頻是106—109HZ，發(fā)射電磁波的特性是脈沖短、頻帶寬。地質(zhì)雷達(dá)將發(fā)射天線和接收天線均架設(shè)在地面，現(xiàn)在很多儀器已經(jīng)將發(fā)射與接受天線集成在儀器，不用分開(kāi)架設(shè)，發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播，不同的介質(zhì)有不同的波阻抗，電磁波會(huì)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(hào)越強(qiáng)烈，通過(guò)對(duì)接收的反射電磁波信號(hào)進(jìn)行處理和分析，輸出雷達(dá)成果圖，判斷地下的異常目的地質(zhì)體。

不同的地下介質(zhì)對(duì)于電磁波的衰減是不同的，其對(duì)電磁波被吸收的程度也不一樣。電磁波被雷達(dá)發(fā)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(zhì)的體現(xiàn)下電磁波方面的物理信息，如反射時(shí)間變化、波幅減小、頻率降低、相位變化等等信息，對(duì)波形進(jìn)行分析及處理，提取波形中包含的地下信息，通過(guò)分析，建立地下介質(zhì)模型結(jié)構(gòu)。

雷達(dá)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(fā)天線封裝在一起，收發(fā)天線可以近似看成一個(gè)點(diǎn)，接收到的回波通常垂直于入射平面，認(rèn)為電磁波做法向入射，反射回波信號(hào)的強(qiáng)弱，收到若干因素的影響，主要決定因素是界面的放射系數(shù)，穿透介質(zhì)的衰減系數(shù)。電流分為電子傳導(dǎo)電流和位移電流，大多數(shù)巖石介質(zhì)屬于位移電流，通常滿足σ/ωε<=1，得到衰減系數(shù)（β）的近似值：

式中，t為目的層電磁波的反射時(shí)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(duì)介電常數(shù)。

3.工程實(shí)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(dǎo)流洞位于河流右岸，基巖巖性為斜長(zhǎng)二云母石英片巖、黑云母石英片巖，巖體呈片理結(jié)構(gòu)，產(chǎn)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(fēng)化～新鮮巖體內(nèi)，完整性較好，該段斷裂構(gòu)造不發(fā)育，洞身段以Ⅲ類圍巖為主。本次工作主要針對(duì)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(zhì)雷達(dá)進(jìn)行導(dǎo)流洞洞頂空腔檢測(cè)條件。

3.2測(cè)試技術(shù)及資料處理

雷達(dá)測(cè)線沿導(dǎo)流洞洞頂軸線布置，使用GSSI公司的SIR-30地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，使用500M中心頻率的天線，收發(fā)天線一體化，天線沿測(cè)線移動(dòng)。疊加次數(shù)8，記錄時(shí)窗30 ns ，每一米掃描200個(gè)點(diǎn)，每秒300個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的采樣512次。

電磁波是震蕩的電場(chǎng)和震蕩的磁場(chǎng)交互感應(yīng)產(chǎn)生的一種波，傳播形式與機(jī)械波有所差異，但是還是具備機(jī)械波的基本特性，發(fā)收電磁波的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法與傳統(tǒng)的聲波、地震勘探方法有很多共同之處：設(shè)置濾波器，濾除干擾波；對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻變換；疊加信號(hào)，壓制干擾波；設(shè)置合適的信號(hào)增益；

通過(guò)上述手段，達(dá)到增強(qiáng)有效信號(hào)，濾除或者壓制干擾，提供清晰的易于分析的數(shù)據(jù)和圖像。

3.3成果分析

對(duì)地質(zhì)雷達(dá)資料的精確解釋，才能得到地下異常目的地質(zhì)體的準(zhǔn)確位置和形態(tài)，地質(zhì)雷達(dá)生成的圖像資料是綜合信息的反應(yīng)，包括了可接收頻段范圍內(nèi)的所有電磁波信號(hào)，介質(zhì)的散射信號(hào)，反射信號(hào)以及其它環(huán)境干擾信號(hào)都包含其中。

對(duì)信號(hào)的分析是尤為重要的一步。探地雷達(dá)資料解釋工作必須結(jié)合被埋設(shè)目的體區(qū)域，特性、現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)記錄及淺地層地質(zhì)情況等資料進(jìn)行。通常是在數(shù)據(jù)處理后所得到的雷達(dá)圖像剖面中，通過(guò)對(duì)同相軸的追蹤，根據(jù)反射波組的波形與波振幅強(qiáng)度特征，來(lái)確定反射波組的地質(zhì)含義。

步驟如下：

①反射層拾?。禾降乩走_(dá)圖像剖面是探地雷達(dá)資料地質(zhì)解釋的基礎(chǔ)圖件，只要地下介質(zhì)中存在電性差異，就可以在雷達(dá)圖像剖面中找到相應(yīng)的反射波。解釋時(shí)常根據(jù)波形的相似性和同相軸特征來(lái)拾取反射層。

②時(shí)間剖面的解釋：根據(jù)地層反射波組特征在與鉆孔對(duì)應(yīng)的位置劃分反射波組后，就需要依據(jù)反射波組的同相性與相似性進(jìn)行地層的追蹤與對(duì)比。在進(jìn)行時(shí)間剖面的對(duì)比之前，要掌握被探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)資料，根據(jù)探測(cè)目的，對(duì)比雷達(dá)圖像與鉆探結(jié)果，在此基礎(chǔ)上充分利用時(shí)間剖面的直觀性和范圍大的特點(diǎn)，掌握其地質(zhì)構(gòu)造特征。

根據(jù)該水庫(kù)導(dǎo)流洞洞頂0+000～0+064雷達(dá)圖像可知：4～5.5ns之間的波形穩(wěn)定，振幅強(qiáng)，反射軸同向，認(rèn)為該層介質(zhì)襯砌層表層，在10～20ns之間波形不連續(xù)，振幅強(qiáng)，反射軸不同向，推斷為混凝土襯砌內(nèi)的鋼筋網(wǎng)，20ns附近的強(qiáng)反射推斷為混凝土襯砌層底界面。襯砌底界面與巖層未見(jiàn)明顯空腔反應(yīng)。

圖1為該水庫(kù)導(dǎo)流洞洞頂0+000～0+064雷達(dá)圖像，該圖縱坐標(biāo)為雷達(dá)波的雙程旅行時(shí)間，如圖所示，4.2～6.2ns之間的波形穩(wěn)定，振幅強(qiáng)，反射軸同向，認(rèn)為該層介質(zhì)襯砌層表層，在10～20ns之間波形不連續(xù)，振幅強(qiáng)，反射軸不同向，推斷為混凝土襯砌內(nèi)的鋼筋網(wǎng)，20ns附近的強(qiáng)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(hào)，反射時(shí)間相對(duì)附近明顯異常推斷為混凝土界面與巖層界面的空腔。

4.結(jié)束語(yǔ)

①在空腔檢測(cè)中，探地雷達(dá)能發(fā)揮重要作用，具有快速，直觀，準(zhǔn)確，經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。雷達(dá)的精度和天線頻率有關(guān)，天線中心頻率越高，分辨率越高，探測(cè)越淺，反之，天線中心頻率越低，分辨率越低，探測(cè)深度越深。

②應(yīng)用多種不同頻率天線可以探測(cè)不同深度和大小的目的體，進(jìn)行綜合物探評(píng)價(jià)。

③襯砌區(qū)內(nèi)物質(zhì)分布不均，導(dǎo)致電磁波在襯砌體內(nèi)的波速有比較大的差異，而且背景噪聲以及襯砌體內(nèi)的鋼筋結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的多次反射信號(hào)很難被徹底壓制，并且在襯砌區(qū)內(nèi)，電磁波有顯著的波動(dòng)特性，以上特性都會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)結(jié)果不精確。

④探地雷達(dá)受到很多很多因素影響，如介質(zhì)性質(zhì)、環(huán)境、技術(shù)等。在進(jìn)行地質(zhì)分析時(shí)，要結(jié)合多種地質(zhì)方法，進(jìn)行綜合判斷。

參考文獻(xiàn)：

[1]時(shí)靜，白明洲.強(qiáng)風(fēng)化巖層中近距離平行管線探測(cè)的地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用研究[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2006（02）：56-59.

[2]徐開(kāi)禮，朱志澄.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1987.endprint