水利水電工程勘察中地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

孫彩霞

(山東省德州市樂陵市水利局,山東 樂陵 253600)

0 引言

地質(zhì)雷達(dá)方法具有測試速度快、高精度、低成本、非開挖和可大面積探測的優(yōu)點(diǎn),在巖土工程勘察中取得了廣泛的應(yīng)用[1]。地質(zhì)雷達(dá)法通常應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和巖溶地質(zhì)條件下的巖土工程探測,在測試方法以及應(yīng)用效果上都十分成熟,而且取得了大量的研究成果[2]。而將其應(yīng)用于水利水電工程的探測實(shí)例較少,特別是針對壩基工程中巖體的斷層破碎帶和錯(cuò)動帶的巖土工程勘測解譯,更是鮮見報(bào)道[3-4]。本文嘗試將地質(zhì)雷達(dá)方法應(yīng)用于實(shí)際的高拱壩壩基巖土工程勘測,分析壩基不良地質(zhì)體的電磁波響應(yīng)特征,以研究地質(zhì)雷達(dá)在水利水電地地質(zhì)體探測中的應(yīng)用效果。

1 地質(zhì)雷達(dá)方法的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)方法作為最為重要的工程地質(zhì)探測方法之一,其探測的基本原理是利用各個(gè)地質(zhì)體之間存在介電常數(shù)的差異,通過發(fā)射天線向土體內(nèi)發(fā)射電磁波,電磁波在土體的傳播過程中,受到地質(zhì)體的導(dǎo)電特性的影響,在傳播速度上的發(fā)生不同程度的改變,同時(shí)電場波的振幅也會呈現(xiàn)不同程度的衰減,當(dāng)接收天線采集經(jīng)過地質(zhì)體反射的電磁波后,可以分析電場波在地質(zhì)體內(nèi)的波動規(guī)律以及時(shí)空分布特征,進(jìn)而探明地質(zhì)體的分布情況。地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在土體中的傳播服從麥克斯韋波動方程,具體可以描述為電磁場強(qiáng)的偏微分方程,如公式(1)所示。

(1)

式中:E為電磁波的場強(qiáng),N/C,▽為算子,t為時(shí)間,s,σ為電磁常數(shù),μ為泊松比,ε為介電常數(shù)。

對于高頻電磁波信號,它在地下土體中的傳播規(guī)律具有明顯的大位移電流特征,因此在上述公式(1)中右側(cè)第一項(xiàng)可以忽略,由此可以簡化得到公式(2)

(2)

式中:v為電磁波波度,m/s。

由此可以求解得到電磁波的速度如公式(3)所示。

(3)

式中:c為光速(電磁波在真空中的傳播速度)m/s;εr為相對介電常數(shù)。

同樣地,可以利用公式(2)求解得到電磁波的場強(qiáng)表達(dá)式,如公式(4)～公式(6)所示。

E=E(z,t)=E0e-βzei(wt-αz)

(4)

(5)

(6)

式中:α為相位系數(shù),z為電磁波的傳播方向,t為傳播時(shí)間,s,w為傳播頻率,β為電磁波的衰減系數(shù),i為虛數(shù),E0為初始電磁波場強(qiáng)振幅。

2 工程概況

某水利工程位于高山峽谷中部,壩址區(qū)域內(nèi)山體陡峭,左岸斜坡坡向?yàn)镾E,坡度達(dá)到50°～60°,右岸坡度以陡坡為主,坡度變化范圍為50°～70°,發(fā)育一組巖層面,走向?yàn)镹50°E,傾角為SE,傾角約20°,兩岸坡體內(nèi)植被均較少。壩址區(qū)受到的地震作用強(qiáng)烈,存在著多種地質(zhì)構(gòu)造,比如斷層、層間錯(cuò)動帶和構(gòu)造裂隙燈,大壩壩址左岸揭露的斷層主要有3條,分別為f9、f15和f20,而右岸揭露的斷層主要有2條,分別為f9和f15。在壩面上可以清晰地識別基巖體內(nèi)的層間錯(cuò)動帶,在大壩壩基左岸存在較大的層間錯(cuò)動帶主要有2條,分別為K3和K5-1,而右岸存在著1條較大的錯(cuò)動帶,即KS675,這些錯(cuò)動帶在基巖巖石,不同程度地切割著巖體,影響著巖體的完整性。

3 地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征

為了更好地探測和識別大壩壩基中的斷層破碎帶和錯(cuò)動帶,運(yùn)用FDTD時(shí)域有限差分方法建立斷層破碎帶和錯(cuò)動帶的二維正演模型,選定的模擬軟件為GPRMAX V2.0程序。通過設(shè)定不同的介質(zhì)體之間的電性參數(shù)區(qū)別不同的地質(zhì)體,并計(jì)算電磁波在模型中的傳播過程,識別斷層破碎帶和錯(cuò)動帶的電磁波響應(yīng)特征,以便在采集的地質(zhì)雷達(dá)圖像中,更好地識別和解譯這些不良地質(zhì)現(xiàn)象。計(jì)算時(shí),為節(jié)約計(jì)算時(shí)間,減小數(shù)據(jù)的存儲量,按照等比例縮小的原則,將模型的整體尺寸設(shè)定為10 m×10 m,地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射天線為100 MHz天線,接收天線也為100 MHz天線,拾取的時(shí)間窗口為100 ns,雷達(dá)天線間隔50 cm采集一次數(shù)據(jù)。

根據(jù)對大壩壩址區(qū)巖性的物理性質(zhì)的測定,各種物性之間存在較大差異,為地質(zhì)雷達(dá)的有效探測提供良好的基礎(chǔ)。經(jīng)過測定,空氣的相對節(jié)點(diǎn)常數(shù)取為1.0,電導(dǎo)率取為0.0 S/m,相對磁導(dǎo)率取為1.0;干燥玄武巖的相對節(jié)點(diǎn)常數(shù)取為4.0,電導(dǎo)率取為10-9S/m,相對磁導(dǎo)率取為1.0;斷層泥的相對節(jié)點(diǎn)常數(shù)取為15.0,電導(dǎo)率取為0.1 S/m,相對磁導(dǎo)率取為1.0;破碎巖體的相對節(jié)點(diǎn)常數(shù)取為8.0,電導(dǎo)率取為0.02 S/m,相對磁導(dǎo)率取為1.0。

圖1為斷層破碎帶為水平發(fā)育時(shí)的地質(zhì)雷達(dá)計(jì)算模型和正演計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出,當(dāng)斷層填充斷層泥為水平發(fā)育時(shí),其采集的到的反射信號也呈水平狀,且存在3條同相軸,反射信號的同相軸序列為正反射-負(fù)反射-正反射,同相軸峰值出現(xiàn)的時(shí)間分別為58 ns、61 ns和64 ns,且正反射和負(fù)反射同相軸的能量較強(qiáng),而64 ns位置處的正反射同相軸的能力相對較弱。

圖1 斷層破碎帶水平發(fā)育時(shí)的地質(zhì)雷達(dá)計(jì)算模型和正演計(jì)算結(jié)果

圖2為斷層破碎帶為傾斜發(fā)育時(shí)的地質(zhì)雷達(dá)計(jì)算模型和正演計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出,當(dāng)斷層填充斷層泥為傾斜發(fā)育時(shí),其采集的到的反射信號也呈相同角度的傾斜狀態(tài),且存在3條同相軸,反射信號的同相軸序列為正反射-負(fù)反射-正反射,正反射和負(fù)反射同相軸的能量較強(qiáng),負(fù)反射信號后的正反射同相軸的能力相對較弱。

圖2 斷層破碎帶傾斜發(fā)育時(shí)的地質(zhì)雷達(dá)計(jì)算模型和正演計(jì)算結(jié)果

一般而言,斷層破碎帶及錯(cuò)動帶有伴生現(xiàn)象,在斷層發(fā)育的兩側(cè)完整巖體中受構(gòu)造作用存在破碎的巖體。圖3為水平發(fā)育時(shí)斷層破碎帶及錯(cuò)動帶的地質(zhì)雷達(dá)計(jì)算模型和正演計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出,當(dāng)水平泥質(zhì)土斷層兩側(cè)發(fā)育破碎巖體時(shí),其采集的到的反射信號也呈水平狀,且存在4條同相軸,反射信號的同相軸序列為正反射-負(fù)反射-正反射-負(fù)反射,同相軸峰值出現(xiàn)的時(shí)間分別為54 ns、57 ns、60 ns和63 ns,同相軸的能量從上之下依次減弱。

圖3 斷層破碎帶及錯(cuò)動帶水平發(fā)育時(shí)的地質(zhì)雷達(dá)計(jì)算模型和正演計(jì)算結(jié)果

綜合以上分析表明,地質(zhì)雷達(dá)的正演電磁波圖像能夠能很好地反映不同地質(zhì)體的物性差異,利用電磁波同相軸可以追蹤定位斷層破碎帶和錯(cuò)動帶的空間分布;斷層破碎帶和錯(cuò)動帶的電磁波同相軸變化與地層的走向一致,斷層破碎帶的電磁波同相軸響應(yīng)特征與錯(cuò)動帶的同相軸響應(yīng)特征存在一定的差異,為利用地質(zhì)雷達(dá)在不良地質(zhì)體的探測中提供了正演對照。

4 地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果

結(jié)合斷層破碎帶以及錯(cuò)動帶的地質(zhì)雷達(dá)方法正演結(jié)果,對壩址區(qū)的斷層破碎帶及錯(cuò)動帶進(jìn)行測線布置,以探明大壩壩址左岸揭露的3條斷層(f9、f15和f20)、右岸揭露的2條斷層(f9和f15)以及大壩壩基左岸2條層間錯(cuò)動帶(K3和K5-1)、右岸1條層間錯(cuò)動帶(KS675)的走向、埋深和空間分布。表1為斷層破碎帶以及錯(cuò)動帶的地質(zhì)雷達(dá)法探測結(jié)果。從表1中可以看出,左岸的f9斷層破碎帶深度在0.12～10.66 m范圍內(nèi)變化,隨著探測方向呈不斷減小的變化趨勢;左岸的f15斷層破碎帶深度在0.45～9.30 m范圍內(nèi)變化,隨著探測方向則呈不斷增加的變化趨勢;左岸的f20斷層破碎帶深度在4.21～8.98 m范圍內(nèi)變化,隨著探測方向則呈不斷減小的變化趨勢;右岸的f9斷層破碎帶深度相對于左岸的f9斷層破碎帶深度較大且變化趨勢也相反,深度在6.47～20.88 m范圍內(nèi)變化,隨著探測方向呈不斷增加的變化趨勢;右岸的f15斷層破碎帶深度相對于左岸的f15斷層破碎帶深度較大且變化趨勢也相反,深度在3.13～9.94 m范圍內(nèi)變化,隨著探測方向則呈不斷減小的變化趨勢。K3錯(cuò)動帶深度隨探測方向不斷減小,深度在0.58～13.55 m范圍內(nèi)變化;K5-1錯(cuò)動帶深度隨探測方向不斷增加,深度在5.32～18.67 m范圍內(nèi)變化;KS675錯(cuò)動帶深度隨探測方向不斷增加,深度在3.08～8.36 m范圍內(nèi)變化。

表1 斷層破碎帶以及錯(cuò)動帶的地質(zhì)雷達(dá)法探測結(jié)果 m

5 結(jié)語

以某高拱壩壩基巖土工程勘察為研究對象,運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)對壩基內(nèi)的電磁波數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測分析,得到以下結(jié)論:

(1)地質(zhì)雷達(dá)的正演電磁波圖像可以追蹤定位斷層破碎帶和錯(cuò)動帶的空間分布;斷層破碎帶和錯(cuò)動帶的電磁波同相軸變化與地層的走向一致,斷層破碎帶的電磁波同相軸響應(yīng)特征與錯(cuò)動帶的同相軸響應(yīng)特征存在一定的差異;

(2)基于地質(zhì)雷達(dá)法探明了左岸揭露的3條斷層(f9、f15和f20)、右岸揭露的2條斷層(f9和f15)以及大壩壩基左岸2條層間錯(cuò)動帶(K3和K5-1)、右岸1條層間錯(cuò)動帶(KS675)的走向、埋深和空間分布。