地质雷达探测技术及其在填方区中的应用
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￡ ｏ ￣２
（ ３ ）
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ０—０ ８—１ ６
作者简介 ： 刘志辉（ １ ９ ７ ６一） ， 男， 湖南新化人 ， 工程师 ， 主要从事工程质量检测工作。 ５ ７
＼ ＼ 介 质 １ ７ ／
０ ｏ
介质 ２
折射波
丁２
图３ 电磁 波 在 介 质 分 界 面 上 的反 射 和 折 射
１ ， —— 波 速 ， ｍ／ ｎ ｓ ；
１ 前
言
△ —— 脉 冲双程 旅行 时 间 ， ｎ ｓ 。
目前 ， 地 质雷 达 探 测 在工 程 建 设 中得 到 了越来
越广 泛 的应用 ， 最 典型 的应 用是 探测 混凝 土厚 度 、 缺
陷（ 如空 洞 和不 密 实 ） 和 钢 筋 分 布 等 。 由 于 地 质 雷 达 方法 在混凝 土 质 量检 测 中 的准 确 性 及 高 效 性 ， 铁 道部 在 Ｔ Ｂ１ ０ ２ ２ ３— ２ ０ ０ ４ （ （ 铁 路 隧道 衬 砌 质 量 无 损 检 测规 程 》 中将 地质 雷 达 检 测列 为 基 本 检 测方 法 。 目
玄武岩
素 ： 探 测深 度 和 分 辨 率 。在很 多情 况 下 二
者是矛 盾 的 。低 频天线 探测 深度 大 ， 但 分辨 率差 ； 高
地 质 雷达 是 一 种无 损 探 测 仪 器 ， 它依 据 电磁 波
研究表明 ， 引起 雷达脉冲反射 的主要原因是各 种 介质 的介 电常数 不 同。这 是 由于各 介质 的物 质结
构 不 同而造 成 的 ， 如石灰 岩 的介 电常数 通 常 在 ７～９
之间（ 见表 １ ） 。根 据 电磁 波理 论 ， 当 电磁 波 穿 过 层 状 介质 时 ， 由于 上 下介 质 的 电磁 特 性不 同而 产 生 折 射 和反 射 （ 见图 ３ ） 。
摘
要： 详细介绍了地质雷达探测 技术 ， 并以填 方区探 测新老 土分界 面及脱 空区为例 ， 说 明地质雷达探测 的有效性 。
关键词 ： 地质雷达 ； 探测技术 ； 填方区 ； 应用
中图 分 类 号 ： Ｐ ６ ３ １ 文献标志码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ０ ０ ３— ９ ８ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ —０ ０ ５ ７一 Ｏ ３
脉 冲在地 下传 播 的原理 进行 工作 。电磁 波脉 冲 由发 射天 线发 出 ， 被地下介质介面 （ 或埋藏物 ） 反射 ， 由 接 收天线 接 收 （ 见图 １ ） 然 后 将 这 些 信 号 记 录下 来 ，
并成 图显 示 出来 （ 见图２ ） 。被反 射 脉 冲旅 行 时间在 单 置式 天 线情 况下 为 ：
Ａｔ ： ２ ｈ ／ ｖ （ １ ）
电磁波 在介 质介 面 的反射 和折 射特 征用 反射 系
数Ｒ ： 和折 射 系数 ： 表 示 。对 于非 磁 性 介 质 ， 当 电
磁波 垂 直入 射 （ ０＝ ０ ） 时， Ｒ 、 Ｔ ： 可 以用下 式表 示 ：
：
式中
ｈ— — 反射界 面 的深度 ， ｍ；
表１ 常 见 介 质 的相 对 介 电常 数
介质类型 相对介电常数 空 气 １
雪 １～ ２
＝
应平 行 布置测 线 ， 测 线方 向垂 直 目标轴 向 ； 三 度体 按
介质类型 花 岗岩
砂 岩
相对介 电常数 ４～ ７
６
网格 状 布设测 线 。 （ ２ ） 探 测 目标水 平尺 度 的 大小 及 要 求 的水 平 分 辨： 测线 的 间距 一 般应 同 时小 于 或 等 于 目标 尺 度 与
对 于 地 质 雷达 所 使 用 的频 段 来 说 ， 地 下 媒 质一 般 可视 为 准 电介 质 ， 波速 可 由下式 近似 求 出 ：
ｖ＝ｃ ／ ｃ — — 真空 中光 速 ， ０ ． ３ ｍ ／ ｎ ｓ （ ２ ）
ｓ ， — —地 下介 质 的相对 介 电常数 。
２ 地 质 雷 达 探 测 的基 本 原 理
前地质雷达在越来越 多的领域开展应用 ， 例如岩溶 探测 、 采 空 区探测 、 地 质深 部探测 、 市 政管 线探 测等 。 这主要是随着地质雷达 的用户群体越来越 大 ， 工程 经验 积 累越来 越 多 ， 对 多领 域 的探 测 准 确 性 也 越来 越 高 。本文详 细 介 绍 了地 质 雷 达 检 测 技 术 ， 包 括 其
原理 、 外 业采 集 和 资料 分 析 。通 过对 某 工 地 探 测 的 实例 表 明 ， 地 质 雷 达 在 对 填 挖 方 界 面及 缺 陷 （ 脱 空 或孤 石 ） 等 的探 测 具 有 巨 大 的优 势 ， 表 现 为 图像 简
明清晰 、 探测 时 间短 、 准确 性高 。这 也例证 了地质 雷 达探 测 的有效 性 。 式中
图１ 地 质 雷 达 电 磁 波 脉 冲 传 播 示 意
每发 射一 次脉 冲 ， 就 接 收到一 串反 射讯 号 ， 称为 时间 系列 或扫描 记 录 。随着 天线在 介 质面 上方 平行 移动 ， 得 到 无数 扫描 记 录 （ 大约２ ０ ０次／ ｓ ） ， 即可 合成
一
张完 整 的地 下透 视 图像 。
水 电站 设 计 第２ ９ 卷第１ 期
Ｄ Ｈ Ｐ Ｓ
２ ０ １ ３年 ３月
地 质 雷 达探 测 技 术及 其在 填 方 区 中的应 用
刘志辉 ， 崔长飞 ， 周 中贵 ， 杜青林
（ 中国水电顾问集团成都勘 测设计研 究院 ， 四川 成都 ６ １ ０ ０ ７ ２ ）
分 辨率 尺度 ， 以 防 目标漏 测 。
３ ． ３ 天 线的选 择 天 线选 择 很 关键 ， 因为 它 决定 了探 测 效果 的两
Ｐ Ｖ Ｃ 材 料 沥 青
混 凝 土
３ ３— ５
６～８
页岩 砂（ 干燥 ）
沿岸砂（ 干燥 ）
７ ３～６
１ ０
水
８ １
（ ３ ）
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ０—０ ８—１ ６
作者简介 ： 刘志辉（ １ ９ ７ ６一） ， 男， 湖南新化人 ， 工程师 ， 主要从事工程质量检测工作。 ５ ７
＼ ＼ 介 质 １ ７ ／
０ ｏ
介质 ２
折射波
丁２
图３ 电磁 波 在 介 质 分 界 面 上 的反 射 和 折 射
１ ， —— 波 速 ， ｍ／ ｎ ｓ ；
１ 前
言
△ —— 脉 冲双程 旅行 时 间 ， ｎ ｓ 。
目前 ， 地 质雷 达 探 测 在工 程 建 设 中得 到 了越来
越广 泛 的应用 ， 最 典型 的应 用是 探测 混凝 土厚 度 、 缺
陷（ 如空 洞 和不 密 实 ） 和 钢 筋 分 布 等 。 由 于 地 质 雷 达 方法 在混凝 土 质 量检 测 中 的准 确 性 及 高 效 性 ， 铁 道部 在 Ｔ Ｂ１ ０ ２ ２ ３— ２ ０ ０ ４ （ （ 铁 路 隧道 衬 砌 质 量 无 损 检 测规 程 》 中将 地质 雷 达 检 测列 为 基 本 检 测方 法 。 目
玄武岩
素 ： 探 测深 度 和 分 辨 率 。在很 多情 况 下 二
者是矛 盾 的 。低 频天线 探测 深度 大 ， 但 分辨 率差 ； 高
地 质 雷达 是 一 种无 损 探 测 仪 器 ， 它依 据 电磁 波
研究表明 ， 引起 雷达脉冲反射 的主要原因是各 种 介质 的介 电常数 不 同。这 是 由于各 介质 的物 质结
构 不 同而造 成 的 ， 如石灰 岩 的介 电常数 通 常 在 ７～９
之间（ 见表 １ ） 。根 据 电磁 波理 论 ， 当 电磁 波 穿 过 层 状 介质 时 ， 由于 上 下介 质 的 电磁 特 性不 同而 产 生 折 射 和反 射 （ 见图 ３ ） 。
摘
要： 详细介绍了地质雷达探测 技术 ， 并以填 方区探 测新老 土分界 面及脱 空区为例 ， 说 明地质雷达探测 的有效性 。
关键词 ： 地质雷达 ； 探测技术 ； 填方区 ； 应用
中图 分 类 号 ： Ｐ ６ ３ １ 文献标志码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ０ ０ ３— ９ ８ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ —０ ０ ５ ７一 Ｏ ３
脉 冲在地 下传 播 的原理 进行 工作 。电磁 波脉 冲 由发 射天 线发 出 ， 被地下介质介面 （ 或埋藏物 ） 反射 ， 由 接 收天线 接 收 （ 见图 １ ） 然 后 将 这 些 信 号 记 录下 来 ，
并成 图显 示 出来 （ 见图２ ） 。被反 射 脉 冲旅 行 时间在 单 置式 天 线情 况下 为 ：
Ａｔ ： ２ ｈ ／ ｖ （ １ ）
电磁波 在介 质介 面 的反射 和折 射特 征用 反射 系
数Ｒ ： 和折 射 系数 ： 表 示 。对 于非 磁 性 介 质 ， 当 电
磁波 垂 直入 射 （ ０＝ ０ ） 时， Ｒ 、 Ｔ ： 可 以用下 式表 示 ：
：
式中
ｈ— — 反射界 面 的深度 ， ｍ；
表１ 常 见 介 质 的相 对 介 电常 数
介质类型 相对介电常数 空 气 １
雪 １～ ２
＝
应平 行 布置测 线 ， 测 线方 向垂 直 目标轴 向 ； 三 度体 按
介质类型 花 岗岩
砂 岩
相对介 电常数 ４～ ７
６
网格 状 布设测 线 。 （ ２ ） 探 测 目标水 平尺 度 的 大小 及 要 求 的水 平 分 辨： 测线 的 间距 一 般应 同 时小 于 或 等 于 目标 尺 度 与
对 于 地 质 雷达 所 使 用 的频 段 来 说 ， 地 下 媒 质一 般 可视 为 准 电介 质 ， 波速 可 由下式 近似 求 出 ：
ｖ＝ｃ ／ ｃ — — 真空 中光 速 ， ０ ． ３ ｍ ／ ｎ ｓ （ ２ ）
ｓ ， — —地 下介 质 的相对 介 电常数 。
２ 地 质 雷 达 探 测 的基 本 原 理
前地质雷达在越来越 多的领域开展应用 ， 例如岩溶 探测 、 采 空 区探测 、 地 质深 部探测 、 市 政管 线探 测等 。 这主要是随着地质雷达 的用户群体越来越 大 ， 工程 经验 积 累越来 越 多 ， 对 多领 域 的探 测 准 确 性 也 越来 越 高 。本文详 细 介 绍 了地 质 雷 达 检 测 技 术 ， 包 括 其
原理 、 外 业采 集 和 资料 分 析 。通 过对 某 工 地 探 测 的 实例 表 明 ， 地 质 雷 达 在 对 填 挖 方 界 面及 缺 陷 （ 脱 空 或孤 石 ） 等 的探 测 具 有 巨 大 的优 势 ， 表 现 为 图像 简
明清晰 、 探测 时 间短 、 准确 性高 。这 也例证 了地质 雷 达探 测 的有效 性 。 式中
图１ 地 质 雷 达 电 磁 波 脉 冲 传 播 示 意
每发 射一 次脉 冲 ， 就 接 收到一 串反 射讯 号 ， 称为 时间 系列 或扫描 记 录 。随着 天线在 介 质面 上方 平行 移动 ， 得 到 无数 扫描 记 录 （ 大约２ ０ ０次／ ｓ ） ， 即可 合成
一
张完 整 的地 下透 视 图像 。
水 电站 设 计 第２ ９ 卷第１ 期
Ｄ Ｈ Ｐ Ｓ
２ ０ １ ３年 ３月
地 质 雷 达探 测 技 术及 其在 填 方 区 中的应 用
刘志辉 ， 崔长飞 ， 周 中贵 ， 杜青林
（ 中国水电顾问集团成都勘 测设计研 究院 ， 四川 成都 ６ １ ０ ０ ７ ２ ）
分 辨率 尺度 ， 以 防 目标漏 测 。
３ ． ３ 天 线的选 择 天 线选 择 很 关键 ， 因为 它 决定 了探 测 效果 的两
Ｐ Ｖ Ｃ 材 料 沥 青
混 凝 土
３ ３— ５
６～８
页岩 砂（ 干燥 ）
沿岸砂（ 干燥 ）
７ ３～６
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水
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