地质雷达在水利水电工程勘察中的技术应用

【摘要】本文介绍了地质雷达测试技术的基本原理和特征参数，并结合实例对地质雷达技术在水利水电工程的具体应用进行分析，分析结构供参考。

【关键词】地质雷达；水利工程；地质勘查

1、地质雷达的工作原理

利用地质雷达测试技术来勘测地下介质的组成和分布状况。地质雷达勘测仪上有两根天线，是传送和接受信号。一根天线进行高频率宽频带段脉冲电磁波的发射，另一根天线进行地下地质结构反射波信号的接收。实践结果表明，电磁波在地下介质的传播形态受外界因素的影响，正是利用这一原理，可以对电磁波的往返时间、电磁波的形态、幅度等信息进行分析从而估测出该地质的各种物理性质。雷达探测具有极高的分辨率，探测深度可达到50m，而探测效果最好的是中浅层，随着深度的增加探测效果就会越来越差。高频天线的分辨率可精确到毫米。下图1是地质雷达工作的原理示意图：

地质雷达在工作时，由发射机通过发射天线发送周期性的毫微秒脉冲电磁波信号，当发出的讯号在岩层中传播时遇到介质不均匀的岩体或其他介质时，就会产生一个反射信号，发射出和反射回的信号通过接受天线进入接收机中，接收到的信号由接收机进行调整、放大等处理后，再传送到雷达主机进行处理，再传送到微机中。微机会将接收到的信号按幅度大小依次编码，最终以灰色电评图或波形堆积图的形式显示出来，工作人员对图形进行分析，可以掌握探测目标的位置、大小、形状等物理参数。

2、特征参数

2. 1 电磁波脉冲旅行时t（ns）

（1）

当地下介质的电磁波速度v （m/ ns）已知时（Cv可现场测定或按2式估算），可根据实测电磁波反射历时t （ns}，由上式求出反射体的深度z （m}，式中x Cm）为常量。

2.2 电磁波传播速度v

（2）

在这个公式当中，er表示的是介质的相对介电常数，c表示的是在真空环境下电磁波的传播速度，即：0. 3m/ ns，ur表示的是介质的相对磁导率，它的值大约在1左右。

2. 3 电磁波反射系数

在介质中传播的电磁波如果碰到相对介电常数变化较大的物体时，会发生发射和透射的现象，而反射和透射的能量大小分配和引起异常改变的电磁波反射系数有关。

2. 4 地质雷达的探测深度

水不仅是生命体的主要组成物质，还能起到低通滤波器的作用。所以，地质雷达进行探测工作时探测深度直接受中心频率和介质的吸收特性的影响。 有相关资料显示，探测深度、中心频率分别为20 ～ 50 m、25 ～ 50 MHz；当中心频率处于100至400 MHz的时候，探测深度通常处于3至10米；当中心频率是1000MHz的时候，探测深度往往不足一米。在实践过程中，机已经采用何种中心频率，具体由勘查目的决定。

3、地质雷达技术在水利水电工程中的应用

3. 1 坝体“散浸”勘察

散浸指的是比较分散的浸水现象，通常是间断性的片状渗水。在对某均质土坝坝体的土层分布和“散浸”进行调查分析时，对地表以下9km深的范围进行雷达勘测。勘测结果为：坝体上层1-9m的部分坡护层是灰岩岩块和卵砾石层，9m之下的部分是黄土。

在多次试验之后，发现选天线对为50MHz、天线间距为2m、实时128次叠加、触发间隔为0.5m的雷达测试指标最为合适。出于坝体上层1-9m坡护层的岩体性质和勘测的目的，在雷达勘测时着重突出浅层勘测数据，在处理勘测数据时适当的压制了深层勘测信息。通过（2）式的计算和对钻孔资料的详细分析，得出护坡石和砂卵砾石层的电磁波速是0.1m/ns。雷达勘测对坝体的勘测结果与土工试验资料的相关分析数据保持一致，从而证明了可以用来打勘测技术确定“散浸”范围和“散浸”原因。

3.2 堤防质量探测

在测评堤坝的坝基、坝体、防洪泄洪闸机的混凝土质量时可以采用提拔质量探测技术。堤坝的松散层、软弱夹层和土质不均匀下沉等水利工程的造成的影响非常大，而堤坝裂缝、空洞等对水利工程的影响更大。所以，要加强对堤坝安全隐患区的扩展物探探测，努力保证堤坝的质量，相应的提高物探成果的应用价值势在必行。为了解决上述提到的各种安全隐患，应用地质雷达勘测技术检查、发现堤坝安全隐患。具体方法是选择20%具有代表性的勘测区用地震折射波法求得地下水位上下两部的波速，根据勘测信息对地基密度坝体质量等进行定量、定性的分析和评价。一般利用地质雷达法以及声波测试法来检测闸机混凝土质量，测试效果都非常不错。

在土质比较松散的地方，地质雷达划分的地震波波速在190-240m/s之间；在土质比较密实的地方，地质雷达划分的地震波纵波波速在250m/s以上。对土工的检测结果进行分析可知，土质相对松散的堤段密度不足1.50g/cm3，对应的声波波速也较小。使用地质雷达、地震、电法勘探技术检查堤坝质量时，在土质密度大且有明显裂缝地方的三者的勘探结果都较为突出。钻孔验证结果显示，物探法划分的不均匀地质都属于砂壤土中的纯粘土夹层；对闸护坡和闸室基础的勘测结果也显示混凝土结构中出现脱空、蜂窝洞等情况。不难看出物探的勘测结果较为可靠。

4、工程实例

某水库工程位于某市河流上游，坝体高约41m，由混凝土砌块组成。该水库在1995年汛期内初次蓄水后，在水库近岸处的坝体上发生两处塌陷，在以后的使用过程中坝体左岸40-110m的范围内又相继出现9处崩陷。出于对水库质量和人民群众财产安全的考虑，对该水库进行了一次全面的检测勘察。在对发生崩陷和存在安全隐患的地方进行详细的检验勘察后充分掌握了该水库的地质条件、地质变化趋势以及水库将来的运行状态，确定该水库的地下水为岩溶洞隙水，得出该水库发生渗漏和崩陷的原因，为制定坝体防渗漏方案创造了条件。

根据了解到水库的地质条件和存在的问题，水库维护人员在拱坝上设置一条测线、在坝体左肩设置了两条测线，在坝体背水处的河床上设置了三条侧线，设置的勘测点距是0.5m、天线距是2m、天线中心频率是20MHz，f并使用RD1、RD2、RD3的雷达图像对水库坝体依次进行勘测，以下是勘测结果：

一，根据RD1段测线的雷达图像显示，在14-25m的测线范围内，电磁波的往返时间是200ns、是不规律的双曲线波，同轴但不连续，溶洞顶部以及上层覆盖处在直径为4m的 地方存在着下陷的趋势。

二，根据RD2段测线雷达图像显示，在95-105m的测线范围内有一个强反射界面，反射波同轴但是间断性连接，这说明电磁波在此介质区域内发生特性上的改变。基岩反射面在雷达中图像比较清晰，能初步断定此区域出现岩体崩塌。崩塌处的岩体节理裂缝已经高度发育。崩塌处在地标陷坑的中间位置，表明两处的陷坑是一个整体，底部贯穿的有岩溶管道。

三，根据RD3段测线雷达图像显示，在15-24m的水平测线范围以及垂直方向300-500ns的范围内存在强反射面，这表明该区域介质密度相对较低。对勘测结果进行分析后可知，坝体内部有渗水的现象。

5、总结

综上所述，应用地质雷达探测技术不仅能够得到坝体介质密度的具体信息，还能清楚的掌握坝肩、河床岩溶破碎带以及节理裂性等的变化状态。利用这些勘测数据和分析结果能够针对坝体渗透制定有效的防渗漏方案。

参考文献：

[1]王兴华，富天生. 地质雷达在水毁水利工程现场安全检测中的应用[J].吉林水利. 2012（03）

[2]宋学全.浅析地质勘测在水电工程中的应用[J].中国新技术新产品. 2014（04） 。