收稿日期:2007-07-18作者简介:薛桂玉,男,武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,工程师。
文章编号:1001-4179(2008)05-0084-02地质雷达检测技术及应用薛桂玉1 刘道明2 余志雄1 谭 敏2(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072; 2.长江水利委员会设计院,湖北武汉430010)摘要:地质雷达检测技术是一种高精度、连续无损、经济快速、图像直观的高科技检测技术。
在工程地质、岩土工程、地基工程、道路桥梁、混凝土结构无损探伤等领域应用较广。
介绍了地质雷达的工作原理,并对地质雷达检测技术应用于水电工程的滑坡体和库区溶洞探测的效果进行了分析,该技术能快速准确地探明滑坡体覆盖层厚度和库区溶洞分布,且有经济、快速、无损、直观等优点。
关 键 词:地质雷达;无损检测技术;滑坡体;溶洞中图分类号:P225.1 文献标识码:A 地质雷达(又称探地雷达,Ground Penetrating Radar ,简称GPR )检测技术是一种高精度、连续无损、经济快速、图像直观的高科技检测技术。
它是通过地质雷达向物体内部发射高频电磁波并接收相应的反射波来判断物体内部异常情况。
作为目前精度较高的一种物理探测技术,地质雷达检测技术已广泛应用于工程地质、岩土工程、地基工程、道路桥梁、文物考古、混凝土结构探伤等领域。
1 地质雷达的工作原理地质雷达仪器主要由控制单元、发射天线、接收天线、笔记本电脑等部件组成。
工作人员通过操纵笔记本电脑,向控制单元发出命令;控制单元接收到命令后,向发射天线和接收天线同时发出触发信号;发射天线触发后,向地面发射频率为几十至几千兆赫的高频脉冲电磁波;电磁波在地下传播过程中,遇到电性不同的界面、目标或局域介质不均匀体时,一部分电磁波反射回地面,由接收天线接收,并以数据的形式传输到控制单元,再由控制单元传输到笔记本电脑,以图像的方式显示。
对图像进行处理分析,便可得出地下介质分布情况,从而实现检测的目的。
其工作流程如图1所示。
按照现场测量和数据采集技术,地质雷达检测技术可以分为剖面法、宽角法、多天线法等几种方法。
其中最为常用的是剖面法,即发射天线和接收天线以固定间隔距离沿测线同步移动的一种测量方法。
发射天线和接收天线同时移动一次便获得一个记录。
当发射天线与接收天线同步沿测线移动时,就可以获得一系列记录组成的地质雷达时间剖面图像。
其中横坐标为天线在地表测线上的位置,纵坐标为电磁波从发射天线发出经异常介质反射回到接收天线的双程走时。
当发射天线与接收天线之间的距离相对天线与异常介质的距离很小时,可以近似认为双程走时正比于天线与异常介质的距离。
又由于电磁波在介质中的传播速度V 与介质的相对介电常数εr 有如下关系:V =c Πεr(1)式中c 为真空中的电磁波传播速度,一般c =0.3m Πns 。
因此,当异常介质呈面状(如断层)时,在地质雷达剖面图上得到的异常面与实际界面相似;当异常介质呈点状(如洞穴)或线状(钢筋、水管)且走向与测线方向垂直时,在地质雷达剖面图上得到的异常面呈抛物线状(如图2)。
根据这个特征,我们可以判断出异常介质的形状,并确定其位置。
图1 地质雷达工作流程示意2 地质雷达检测技术探测滑坡体2.1 某水电站滑坡体简介某水利枢纽由主坝、副坝、泄洪、引水洞、发电站及竹木过坝等建筑物组成。
滑坡体位于大坝左岸电站进水口上游山坡中部坳坡段。
右下侧边缘距引水洞进口仅20m 左右。
滑坡体顶部边缘高程130～135m ,滑坡脚高程103m 。
大致从南西向东北(即向库内)方向滑动,其东西长80～120m ,南北宽70～90m ,分布面积约8000m 2,体积约10万m 3。
滑坡体地段第四纪覆盖层较深,主要为粘土、风化土,部分含碎石,多与下伏母岩有关,局第39卷第5期人 民 长 江Vol.39,No.52008年3月Y angtze River Mar., 2008部是淤泥状,下伏基岩为泥盆系石英砂岩、石英砾岩及部分石炭系灰岩,分布在F 10断层下盘,即滑坡体的西北部,为电站进水口边墙所在地。
此外尚有辉绿岩沿F 10断层侵入。
断层宽5～6m ,致使边坡岩层遭受严重破坏,岩石十分破碎,形成厚达40余米的风化破碎带。
图2 典型点、面状介质地质雷达剖面图像特征2.2 滑坡体地质雷达检测由于表面覆盖层与风化破碎带之间介质电性存在较大的差异,电磁波在这两个不同地质层中传播时会产生不同形态的反射波。
在表面层,由于介质较为均匀,电磁波在其间反射较弱,因而信号较弱;在风化破碎带,介质破碎,电磁波在其间发生较强的反射,同时发生绕射、散射,因而反射波较强且很不规则。
因此,通过分析处理过的地质雷达反射波图像,可以分辨出不同地质层分界面的位置,并利用电磁波传播速度计算出分界面的深度。
本次探测选用瑞典M A LA 公司生产的RAM AC ΠG PR 地质雷达,配置25MH z 天线进行探测,天线距取0.3m 。
根据测区的地形情况,布置了横向和纵向多条测线,组成测网。
将采集到的数据依次进行频率域滤波、增益、偏移归位处理,得到时间剖面图像。
对图像进行分析,同时考虑到电磁波在覆盖层中的传播速度约为0.1m Πns ,可以判断滑坡体覆盖层厚度。
图3、4分别为横向测线H1、H2的探测、处理成果。
其中,横轴表示距测线起点位置,纵轴表示双程走时,单位分别为m 和ns 。
从图3可知,在240～400区段,明显存在一个分界面,在分界面之上,反射波较弱且有规律;在分界面之下,反射波强而且不规则。
把走时折算成深度,约为12～20m 。
同样的,在图4中,可以判断出分界面位于10～11m 处。
对所有探测剖面进行分析,可以判断滑坡体覆盖层厚度大部分为9～15m ,最厚处可达约20m 。
与实际钻孔资料对比,地质雷达探测结果与实际情况基本一致,反映了滑坡体的实际情况。
3 地质雷达检测技术探测库区溶洞3.1 某抽水蓄能电站库区概况某抽水蓄能电站上水库汇流面积小,水量十分珍贵,因此对库区的防渗有较高的要求。
有关地质勘察资料表明,工程区主要出露的地层为上寒武统琅琊山组及车水桶组,其次为下奥陶统上欧冲组及燕山期侵入的闪长岩脉。
工程区处于凤山背斜南东翼与小丰倒转向斜北西翼之间的地块上,为紧闭褶皱区。
本工程区岩溶发育特征主要受控于灰岩岩性、断裂构造的切割及地下水的排泄条件等因素。
图3 测线H 1地质雷达探测、处理成果图4 测线H 2地质雷达探测、处理成果3.2 抽水蓄能电站库区溶洞地质雷达检测比较现有的各种物探方法,地质雷达是在地表上探测岩溶最有效的方法之一。
由于灰岩与溶洞内充填物、水或空气之间存在较大的电性差异,地质雷达电磁波将在岩溶边界产生不同程度的反射,形成地质雷达反射波图像。
通过分析地质雷达反射波的图像特征,达到探测岩溶的目的,并利用电磁波传播速度计算岩溶的埋深。
本次探测选用瑞典M A LA 公司生产的RAM AC ΠG PR 地质雷达,配置25MH z 天线进行探测,天线距取0.3m ,对已知溶洞进(下转第88页)58第5期薛桂玉等:地质雷达检测技术及应用人口核定的结果;在项目规划阶段,对村民座谈会上的决定,如对项目的罗列、项目重要性的排序等等,必须在村公告栏和村民集中活动的地方进行张贴,让更多村民了解规划的每一个决定,做到信息公开,有助于让未能参加座谈会的村民了解后扶规划的进展情况,使项目规划始终在一个透明的环境下开展。
(3)对关键提供信息者访谈。
关键信息提供者往往具有对信息掌握较为全面、对问题了解比较透彻并有着自身的看法。
关键信息提供者包括村长、村书记、村文书、移民户主、妇女、老人等。
对村长、村书记和村文书的访谈有助于了解项目村的概况、存在的主要问题,并将这些问题记录,以了解村领导层对项目规划的看法;对移民户的访谈主要了解移民户目前的生产生活状况,以及他们对后扶规划的期望和对项目的需求情况;对妇女和老人的访谈主要了解妇女、老人等脆弱群体在后扶规划中的参与情况,以保障脆弱群体的参与权。
(4)全过程参与。
各县(市)的规划实施单位应该选派工作能力强、村民信任的工作人员负责在项目设计、施工过程中的公众参与,倾听他们的意见和建议,将他们的意见和建议列入设计规划、施工管理中去。
这要形成一种制度,项目实施单位的高管人员要亲自抓,对村民的意见和建议采纳程度,项目主管单位要作为考核本项目主要负责人的主要依据,只有这样,才能够确保村民参与到项目建设中来。
同时必须注意到,公众参与应该是全过程参与,即在项目规划开始直到项目建成的后期管理的整个过程,都必须保证村民能够参与。
在项目规划中,必须做到与村民进行充分协商,让他们反映项目规划存在的问题,提出建议,并根据建议调整规划。
(5)跟踪调查。
对各个移民村进行样本抽样调查,收集后扶项目实施前移民的生产、生活水平指标,以此作为将来评估后扶项目的基础。
此外,可选取样本进行跟踪调查,在基底调查之后,就必须选定样本,确定其为跟踪调查的对象,在以后的评价过程中只对这些被选定为跟踪样本户的村民(样本中移民的数量不少于70%)进行调查,依据对他们的调查,分析项目对库区和移民安置区移民和非移民的生产生活产生的影响及其在项目实施后的变化,这样就能较为客观地评价项目实施的效果。
参考文献:[1] 陈维春,何晖.环境影响评价制度中的公众参与浅析.求实,2006(2),28～29.[2] 包存宽.战略环境评价导论.北京:科学出版社,2003:167～168.[3] 张然,黄小兵,孙莉.城市再生:协调多元利益的规划改造策略.技术经济研究,2007,(7):38～41.[4] 黄海艳.发展项目的公众参与研究.河海大学经济学院.2004(5):61(编辑:刘忠清) (上接第85页)图5 测线R1地质雷达探测处理成果行探测,以检测地质雷达的探测效果。
事先不知溶洞的具体位置,而是在溶洞顶部附近布置测线。
将采集到的数据先后进行频率域滤波、增益恢复和偏移归位处理。
图5、6分别为两条测线的探测、处理成果。
图5中,在点位4～7m、走时30～80ns区间和点位2～8m、走时60～180ns区间,分别有一倾斜的反射波不连续带。
因此可以判断出在该测线附近有两个溶洞,溶洞方向与地面倾斜。
电磁波在灰岩中传播速度约为0.1mΠs,可以计算出测线与溶洞法线距离分别为1.5～4、3～9m。
图6中,在点位5～13m、走时60～150ns区间,地质雷达反射波呈抛物线形状。
因此可以判断该处存在一点状溶洞,或为走向与测线走向垂直的管状溶洞,溶洞距地面3m,洞径约3m。
根据现场观测,探测成果与实际情况基本相符,表明地质雷达能够经济、快速地探测出一定深度的溶洞,而且探测效果较好。
图6 测线R2地质雷达探测、处理成果4 小结应用地质雷达检测技术对某水电站滑坡体和某抽水蓄能电站库区溶洞进行探测,快速准确地探明了滑坡体覆盖层厚度和库区溶洞分布,取得了较好的效果,验证了地质雷达检测技术具有经济、快速、无损、直观等特点,是一种值得推广的勘探技术。