地质雷达技术在坝基探测中的应用研究

收稿日期:2006-04-05
作者简介:李宜忠,男,武警水电第二总队第七支队副参谋长,工程师。

文章编号:1001-4179(2006)06-0030-02地质雷达技术在坝基探测中的应用研究
李宜忠　严框宁
(武警水电第二总队第七支队,江西鹰潭338029)
摘要:应用地质雷达技术在山西省五台县境内的西龙池抽水蓄能电站下库区进行了地质勘探,对勘探技术和方法进行了介绍。

勘探前,通过试验比较确定了工作参数,通过地质雷达探测,获取了地质雷达图像,对地层中土质透镜体、碎石架空层等的雷达图像进行了分析。

从地质雷达图像中,可以直观地观察至土质透镜体、碎石土架空层等。

对地质雷达勘探技术的优缺点进行了分析总结。

关　键　词:地质勘察;雷达技术;坝基探测;应用研究
中图分类号:P642 文献标识码:A
西龙池抽水蓄能电站位于山西省五台县境内,其下水库位
于神西乡西河村北600m 大龙池沟的洪积扇上。

冲沟的发育方
向为SW230°,沟谷地形开阔,两侧为陡立的石壁和悬谷。

大坝
坝基分主、次堆石区,面积分别为32342m 2和83850m 2。

坝基
开挖达到设计基面后,为了解覆盖层碎石土深度10m 以内的土
质透镜体、松散碎石土架层的分布情况,对坝基覆盖层进行了分
区地质雷达探测,以便进行掏挖回填处理。

地质雷达探测区为
已进行工程开挖的主、次堆石区人工斜坡和陡坎地形。

1　地质概况
(1)地层、岩性。

据勘探资料显示,测区地层为第四系覆盖
层,厚度20～40m ,局部深达100余米。

第四系覆盖层为洪积和
崩坡积物,洪积物由块石、碎石土组成,夹有碎石、块石、粉质土
的透镜体块石,碎石层发育有架空现象。

崩坡积物主要由块石、
碎石、砾质土组成,局部夹有粘质土、砂质土层。

(2)构造。

本区地质构造以张扭性断层为主,断层带由角
砾岩、碎裂岩和断层泥组成,一般宽0.2～1.0m ,延伸长度0.1
～3.5m 。

2　方法原理我国在20世纪60年代开始研究地质雷达探测技术。

90年代,随着地质雷达仪器研制水平的提高和设施引进,地质雷达技术已在工程地质勘查、基础工程质量检测、灾害地质调查等领域获得越来越多的应用。

地质雷达系统地、高度地集中了现代高新技术领域的最新
成果,并以其经济、无损
、快速而直观的特点成为浅部地球物理
勘察的最主要工具之一。

地质雷达(G round Penetrating Radar ,简
称G PR )方法是以脉冲形式通过发射天线将高频电磁波(10～
1000MH z )定向送入地下。

雷达波在地下介质传播过程中,当遇到存在电性差异的地下目标体(如空洞、碎石土架空层,或其它不连续界面)时,电磁波便发生反射,返回到地面时由接收天线接收。

当发射与接收天线以固定的间距同时沿测线移动时,就可以得到反映测线下不同介质界面分布情况的地质雷达图像。

根据接收到地质雷达波形、强度双程传播时间等,经过数据处理,从而得到各测线下隐蔽目标物的分布情况。

见图1。

图1　地质雷达探测碎石土架空层、土质透镜体等目标物示意3　工作方法和技术3.1　工作布置
依据主、次堆石区要求探测目标物面积的不同(主堆石区要
求探测面积为2m ×2m 、次堆石区要求探测面积为10m ×10m
的土质透镜体和松散碎石土架空层),现场工作布置如下:主堆
石区共敷设雷达剖面线163条,南北向,网度为2m ×1m 。

即剖
面线距2m ,采样点距为1m ;次堆石区共敷设雷达剖面线51
条,南北向,网度为10m ×1m 。

3.2　工作参数本次探测使用加拿大产EKK O -I V 型地质雷达仪。

工作开始之前,选取两条典型剖面进行了不同频率、点距、采样率、叠加次数的参数试探,以确定最佳工作参数。

第37卷第6期
人　民　长　江V ol.37,N o.62006年6月
Y angtze River June ,　2006
试验中选用的工作参数分别是:1m 和2m 的对比,迭加次数32次和64次的对比、采样率800ps 和1600ps 的对比,天线中心频率为100MH z 和50MH z 的对比。

通过试验发现:
(1)点距为1m 的雷达图像和2m 的图像对地下介质的反映大体相同;
(2)迭加64次比迭加32次更能消去电磁波的随机干扰;(3)采样率1600ps 能够达到每个测点所需采样点数。

采用天线中心频率为100MH z 进行探测时,
虽然提高了分辨率,但达不到本区探测深度的要求,天线中心频率为50MH z 的分辨率有所降低,但能达到所需的探测深度。

时窗W 由最大探测深度d max 和介质中的雷达波速υ确定:
W ≥
2.6d max Πυ,取d max =10m ,雷达波速υ=0.8m Πns ,确定取W =350ns ;当采用分体式发射、接收天线时,适当选取发射天线与接收天线之间的距离,可使来自目的体的回波信号增强。

理论上天线间距S 的选择应使最深目标体相对接收天线与发射天线的
张角为临界角的2倍,即S =2d max Π(εr )
0.5,但在实际测量中,天线距的选择应小于此值,本次测量取S =2m 。

综上所述,本次地质雷达探测方式为反射剖面法,工作参数为:天线中心频率,50MH z ;叠加次数,64次;发射峰—峰电压,1000V ;采样率,1600ps ;天线距,2m ;点距,1m ;平均波速,0.8m Πns ;时窗,350ns 。

4　地质雷达图像特征
下水库坝基地质雷达图像特征可分为以下几种。

(1)组成覆盖层碎石土的碎石、粉质土成分均一性差。

物质组成成分不同,在雷达图像上表现为强反射波,雷达波同相轴呈连续、平行的带状分布,强度大,周期短。

(2)碎石土架空层的雷达图像亦表现为强反射波,但它与碎石粘土的区别在于它与空洞具有相似性(空洞的雷达图像特点是被空洞侧壁的强反射所包围的弱反射空间,空洞底界面的反射则不太明显),在雷达图像上的反射波同相轴具有可追溯性。

(3)土质透镜体为粉质粘土,物质组成成分均一,雷达图像的特点是顶部雷达波组同相轴具有一定的连续性,且波幅大体一致;同相轴下(土质透镜体内)的雷达波为细密的弱反射波区。

5　探测结果
根据以上雷达图像的特征,我们对坝基所有剖面进行了解释:主堆石区共圈定4处松散碎石土架空层和2处土质透镜体;次堆石区共圈定3处松散碎石土架空层和3处土质透镜体。

主堆石区推测的6处目标物均进行了掏挖回填处理,次堆石区选取了3处目标物进行了开挖验证。

除次堆石区72线推测的碎石土架空层开挖后为土质透镜体外,其余目标物开挖结果与地质雷达解释结果基本吻合。

图2、图3是经开挖验证的雷达剖面。

6　结语
(1)地质雷达探测技术具有分辨率高、精度高、效率高、快速经济、灵活方便、剖面直观等优点,在水利工程勘察领域极具发展潜力。

主要缺点是对第四系地层(特别是对碎石土覆盖层)探测一般较浅,最大为30m 左右,其次是地质雷达图像一般不能确定地下目标物(二维或三维体)的横向尺寸。

(2)地质雷达的数据采集是地质雷达技术应用的首要环节,它将直接影响到地质雷达图像的质量,有时甚至决定了地质雷达应用的成败。

而工作参数的选定又是数据采集效果的决定性因素,其中,天线中心频率和发射、接收天线间距是地质雷达数据采集中2个最重要的测量参数,对探测效果具有很大的影响。

我们的经验是,在开展实际探测前,通过设置不同的参数来进行实验性探测,将探测的效果进行对比,选取最优的测量参数,来顺利完成整个工程的探测任务。

图2　54线地质雷达图像(土质透镜体
)
图3　84线地质雷达图像(碎石土架空层)(3)对采集的原始数据进行更多的处理,使地质探测成果图像化、可视化是地质雷达探测发展的方向之一。

(4)若配合其他物探方法如地震映像、瑞雷波法探测等,地质雷达探测效果更好。

另外,采用综合物探方法进行对比分析是提高探测准确度的重要手段。

参考文献:[1]　李大心.探地雷达方法与应用.北京:地质出版社,1994.[2]　余中明.地质雷达探测工程实例评说.岩土工程界,2004.[3]　邓居智.探地雷达在岩溶探测中的应用.物探与化探,2001,(6).[4]　余中明.探地雷达技术在隧道掘进预报中的应用.地质与勘探,1999,(3).
[5]　杨天春.地质雷达探测堤坝隐患试验研究.防震减灾工程理论与实践.2000,(5).[6]　中国地球物理学会工程地球物理专业委员会编著.中国工程地球物理检测技术.北京:地震出版社.2001.[7]　温佩琳主编.湖南省地球物理论丛.长沙:中南大学出版社.2001.(编辑:常汉生)
13第6期李宜忠等:地质雷达技术在坝基探测中的应用研究。