龔元元

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

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達 空腔檢測 導流洞襯砌

1.前言

地質(zhì)雷達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)點是，探測速度快，費用低，分辨率高，實時成像等等。地質(zhì)雷達目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國防、公安、城市建設(shè)、礦山、隧道、考古等熱點領(lǐng)域。本文以新疆某水電站導流洞空腔檢測為例，說明地質(zhì)雷達在水電站空腔檢測中的應(yīng)用情況。

2.基本原理

地質(zhì)雷達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，反射的電磁波信號越強烈，通過對接收的反射電磁波信號進行處理和分析，輸出雷達成果圖，判斷地下的異常目的地質(zhì)體。

不同的地下介質(zhì)對于電磁波的衰減是不同的，其對電磁波被吸收的程度也不一樣。電磁波被雷達發(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，如反射時間變化、波幅減小、頻率降低、相位變化等等信息，對波形進行分析及處理，提取波形中包含的地下信息，通過分析，建立地下介質(zhì)模型結(jié)構(gòu)。

雷達波的傳播，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點，接收到的回波通常垂直于入射平面，認為電磁波做法向入射，反射回波信號的強弱，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介電常數(shù)。

3.工程實例

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，導流洞位于河流右岸，基巖巖性為斜長二云母石英片巖、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)雷達進行導流洞洞頂空腔檢測條件。

3.2測試技術(shù)及資料處理

雷達測線沿導流洞洞頂軸線布置，使用GSSI公司的SIR-30地質(zhì)雷達系統(tǒng)，使用500M中心頻率的天線，收發(fā)天線一體化，天線沿測線移動。疊加次數(shù)8，記錄時窗30 ns ，每一米掃描200個點，每秒300個測點，每個測點的采樣512次。

電磁波是震蕩的電場和震蕩的磁場交互感應(yīng)產(chǎn)生的一種波，傳播形式與機械波有所差異，但是還是具備機械波的基本特性，發(fā)收電磁波的地質(zhì)雷達數(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；對信號進行時頻變換；疊加信號，壓制干擾波；設(shè)置合適的信號增益；

通過上述手段，達到增強有效信號，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

對地質(zhì)雷達資料的精確解釋，才能得到地下異常目的地質(zhì)體的準確位置和形態(tài)，地質(zhì)雷達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，介質(zhì)的散射信號，反射信號以及其它環(huán)境干擾信號都包含其中。

對信號的分析是尤為重要的一步。探地雷達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)場探測記錄及淺地層地質(zhì)情況等資料進行。通常是在數(shù)據(jù)處理后所得到的雷達圖像剖面中，通過對同相軸的追蹤，根據(jù)反射波組的波形與波振幅強度特征，來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_圖像剖面是探地雷達資料地質(zhì)解釋的基礎(chǔ)圖件，只要地下介質(zhì)中存在電性差異，就可以在雷達圖像剖面中找到相應(yīng)的反射波。解釋時常根據(jù)波形的相似性和同相軸特征來拾取反射層。

②時間剖面的解釋：根據(jù)地層反射波組特征在與鉆孔對應(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行地層的追蹤與對比。在進行時間剖面的對比之前，要掌握被探測區(qū)域的地質(zhì)資料，根據(jù)探測目的，對比雷達圖像與鉆探結(jié)果，在此基礎(chǔ)上充分利用時間剖面的直觀性和范圍大的特點，掌握其地質(zhì)構(gòu)造特征。

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

圖1為該水庫導流洞洞頂0+000～0+064雷達圖像，該圖縱坐標為雷達波的雙程旅行時間，如圖所示，4.2～6.2ns之間的波形穩(wěn)定，振幅強，反射軸同向，認為該層介質(zhì)襯砌層表層，在10～20ns之間波形不連續(xù)，振幅強，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，反射時間相對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

①在空腔檢測中，探地雷達能發(fā)揮重要作用，具有快速，直觀，準確，經(jīng)濟等優(yōu)點。雷達的精度和天線頻率有關(guān)，天線中心頻率越高，分辨率越高，探測越淺，反之，天線中心頻率越低，分辨率越低，探測深度越深。

②應(yīng)用多種不同頻率天線可以探測不同深度和大小的目的體，進行綜合物探評價。

③襯砌區(qū)內(nèi)物質(zhì)分布不均，導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)對電磁波的多次反射信號很難被徹底壓制，并且在襯砌區(qū)內(nèi)，電磁波有顯著的波動特性，以上特性都會導致地質(zhì)雷達的檢測結(jié)果不精確。

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

參考文獻：

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