地質(zhì)雷達在探測依蘭航電樞紐水下部分中的應用

肖國慶，陳 永

(克東縣宏圖市政工程有限責任公司，黑龍江 克東164800)

1 工作方法與技術(shù)

與探空或通訊雷達技術(shù)相類似，地質(zhì)雷達也是利用高頻電磁脈沖波的反射探測目的體及地質(zhì)現(xiàn)象的，只是它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實現(xiàn)探測的，故亦稱之為地質(zhì)雷達。

地質(zhì)雷達通過發(fā)射天線以脈沖形式把高頻電磁波(1MHz—1GHz) 定向地送入地下。雷達波在地下介質(zhì)中傳播時，當遇到存在電性差異的地下介質(zhì)或目標體時，電磁波便發(fā)生反射，返回地面后由接收天線所接收。在對接收天線所接收到的雷達波進行分析和處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)所接收到的雷達波波形、強度、電性及幾何形態(tài)，從而達到對地下地層目標體的探測。地質(zhì)雷達探測原理見圖1。

圖1 探地雷達探測反射原理圖

在介質(zhì)的交界部位，由于介電常數(shù)的變化，電磁波便發(fā)生類似光學的反射和折射，反射的強弱與介電常數(shù)直接有關(guān)。雷達波從發(fā)射天線發(fā)射到被接收，其行程時間:

式中: Z 為反射界面深度; X 為發(fā)射天線到接收天線間的距離; V 為電磁波在介質(zhì)中傳播的波速; c 為光速( c =0.3 m/ns) ; εr 為介質(zhì)的相對介電常數(shù))

當波速V 已知時，通過對雷達剖面上反射信號行程時間的讀取來計算界面深度Z 值。

本測區(qū)常見巖土介質(zhì)相對介電常數(shù)與地層電磁波傳播速度( 地質(zhì)雷達勘探系統(tǒng)) 具有對應關(guān)系，見表1。

表1 本測區(qū)常見巖土介質(zhì)相對介電常數(shù)與地層電磁波波速

地質(zhì)雷達的野外工作，目前常用的測量方式有剖面法和寬角法兩種，還有某些特殊情況下使用的環(huán)形剖面法和多天線雷達系統(tǒng)所采用的多天線測量方式。

剖面法，即發(fā)射天線( T) 和接收天線( R) 以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。本次探測工作所采用的測量方式即為剖面法。

2 資料解釋

地質(zhì)雷達勘探解釋方法采用SIR3.1 解釋軟件。主要依據(jù)剖面的反射信號特征，特別是反射信號的同相軸變化以及信號的強弱( 幅度) ，一般主要表現(xiàn)為層狀( 線性同相軸) 、管線狀( 雙曲線同相軸) 、洞穴狀( 雙曲線同相軸) 異常特征。

3 工程概況

松花江干流依蘭航電樞紐工程位于黑龍江省松花江干流的中游，處在依蘭縣城附近的牡丹江與松花江匯合口上游約1 km處，是一座以航運、發(fā)電和交通為主，兼顧防洪、灌溉、漁業(yè)和旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。

松花江干流依蘭航電樞紐工程主要包括船閘、泄洪閘、河床式水電站、土壩、壩上公路( 橋) 及水庫區(qū)防護工程等。工程等別為一等，主要建筑物為1 級，次要建筑物為3 級，臨時建筑物為3 級。樞紐壩址以上控制流域面積45.4 ×104km2，水庫正常蓄水位100.00 m，相應庫容7.13 ×108m3。船閘按2000t 級考慮，初步推薦裝機容量176 MW，多年平均發(fā)電量51737 ×104kW·h。工程區(qū)交通較為方便。

4 工作情況

本次勘察工作上、下壩址共布置4 條物探測線，由于工作江段江寬水深，無法開展常規(guī)的淺層折射波法地震勘探，故對部分測線的水下部分采用地質(zhì)雷達勘探，來解決探測其覆蓋層厚度、基巖埋深、風化帶厚度等問題，為工程設計提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

本次工作儀器使用SIR—10B 型地質(zhì)雷達勘探系統(tǒng)，選用35 MHz低頻天線。

5 成果分析

圖2 為上壩址船閘線水中B 2 ～B 4 段的地質(zhì)雷達色譜圖，由此圖我們可對該段做如下分析:

第一層:電磁波波速Ve1 =6.8 ×10－2m/ns ～6.9 ×10－2m/ns，厚度1 m ～2.6 m，解釋巖性為級配良好細礫( 飽水) 。

第二層:電磁波波速Ve2 =1.1 ×10－1m/ns ～1.5 ×10－1m/ns，厚度4.4 m ～7.5 m，解釋巖性為弱風化花崗巖。

第三層:解釋巖性為微風化～新鮮花崗巖。

圖3 為下壩址壩軸線水中C 3－ C 4 段的地質(zhì)雷達色譜圖，由此圖我們可對該段做如下分析:

第一層:電磁波波速Ve1 =6.8 ×10－2m/ns ～6.9 ×10－2m/ns，厚度3.0 m ～4.7 m，解釋巖性為級配良好細礫。

第二層:電磁波波速Ve2 =1.2 ×10－1m/ns ～1.3 ×10－1m/ns，厚度6.7 m ～9.2 m，解釋巖性為炭質(zhì)頁巖和中砂巖互層。

第三層:解釋巖性為炭質(zhì)頁巖和中砂巖互層。

圖2 上壩址船閘線水中B 2－ B 4 段探地雷達色譜圖

圖3 下壩址壩軸線水中C 3－ C 4 段地質(zhì)雷達色譜圖

從實際應用來看，雷達色譜圖直觀地顯示了所在測線的水下層位狀況，效果還是很理想的

6 結(jié)束語

在一般的工程勘察中，陸地上的勘探由于沒有接地性的限制可以施展的方法很多，水上勘探則由于其局限性可供開展的方法很有限，而地質(zhì)雷達作為一種新興的高科技手段，是完全能夠勝任這方面工作的，各種實踐也證明，其應用效果是很不錯的，地質(zhì)雷達，作為物探領(lǐng)域的后起之秀，必將在今后工程勘察的廣闊天地里發(fā)揮越來越重要的作用。

［1］黑龍江省水利水電勘測設計研究院. 松花江干流依蘭航電樞紐工程工程物探報告［R］. 哈爾濱: 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2005:1－12.

［2］鄧一謙，雷宛. 工程與環(huán)境物探［M］. 成都:成都理工大學信息工程學院，2003:276.