基于探地雷达检测的岩溶岸坡内部宏观裂隙响应规律研究*

秦 臻 黄波林 张 鹏

(三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室， 宜昌 443002， 中国)

0 引 言

三峡大坝建成蓄水后，库水对消落带岩溶岸坡上先前存在的裂隙、断层破碎带和软弱夹层带等进行冲刷、潜蚀和溶蚀，使得岩体裂隙变宽、变长和变深。裂隙的扩展降低了岩体的强度和完整性，加速了库岸斜坡不稳定演化进程，出现了一些新生的危岩体或软弱带，可能会引起岩体崩塌或岩质滑坡，直接威胁着长江航道和库区蓄水的安全。探测宏观裂隙的发育程度、监测宏观裂隙的发育速度、研究含裂隙岩体的劣化规律，对于库区岩溶岸坡的安全稳定和地质灾害防治具有重要意义。

很多研究学者对宏观裂隙的统计建模、裂隙扩展规律和地表宏观裂隙识别开展了大量的研究。钟志彬等(2017)通过考虑裂隙长度和倾角影响来统计天然复杂裂隙网络。韩帅等(2019)研究了离散裂隙网格的建模，来描述岩体内部结构面的统计分布。魏超等(2019)针对倾斜裂隙和水平裂隙开展了单轴和双轴压缩条件下的物理试验和数值模拟来分析裂隙的扩展和贯通规律。袁小清等(2015)研究了宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型，来描述其在受荷过程中的细观损伤演化与宏观损伤行为。张文等(2020)开展了高陡岩质斜坡的结构面非接触式采集技术与三维裂隙网络模拟研究。李丽慧等(2019)对鄂尔多斯盆地页岩储层中的纹层和天然裂缝进行了多尺度研究，并构建了三维地质结构模型，其与研究区域的真实参数一致。张诚成等(2019)以张拉破坏模式地裂缝为例，结合传感光缆应变的特点，提出了基于线应变的地裂缝形成判定准则。曾庆鲁等(2017)基于三维激光扫描技术、配合高分辨率数码照片和人工实测裂隙信息对岩体表面裂隙的发育规律和控制因素进行了研究。赵明宇等(2018)、侯恩科等(2019)、肖刚等(2019)基于无人机技术视觉技术分别对采煤地表裂隙和危岩体表面裂隙进行了检测。但是，这些研究并没有涉及如何探测和识别野外米级尺度岩体内部裂隙的位置、尺寸和分布等信息。

近些年来，物探无损检测技术被广泛应用到调查介质内部不同尺度的裂隙，其中比较常用的技术有高密度电法、超声波法、弹性法和探地雷达法等。毕鹏程等(2020)成功实现了复杂地形条件下240道电极的三维电法数据采集，用于复杂地质构造和结构面的识别。汪子洋等(2019)利用超声波传播经过裂隙时传播速度减慢和能量逸散导致声时变大、波幅衰减的原理，对钢管混凝土裂隙宽度检测进行了试验研究。刘平等(2018)使用冲击弹性波法和超声波法对混凝土裂隙深度进行了无损检测比较。高密度电法用于识别裂缝的分辨率很低，而超声波法和弹性波法主要利用传播时间和幅频特性，要求检测表面平整、裂隙分布单一，限制了在复杂裂隙调查中的应用。

雷达波的波场由于具有线性叠加特性，探地雷达技术可以适用于复杂裂隙分布的情况。刘江平等(2004)从射线理论的角度阐述了公路路面垂直裂隙的反射波同相轴呈现似双曲线特征。卢成明等(2007)和李修忠(2013)详细分析了公路路面裂隙的波场特征及其探地雷达检测方法，在识别裂隙，判断裂隙的位置、深度及走向等方面具有重要意义。杨成林等(2008)利用探地雷达调查滑坡裂隙的位置、深度及走向，为后期滑坡治理提供依据。李远强(2012)利用探地雷达技术来调查地裂缝。王国群(2009)总结了裂隙的探地雷达图像基本特征，分析了不同成因地裂隙的探测机理和雷达图像特征。针对胶结充填体裂隙模型，何文等(2015)开展了探地雷达技术的正演研究来指导这类裂隙的识别与探测。前人所做的探地雷达对裂缝的检测和识别工作主要集中在公路、隧道、地面、缓坡面等检测面比较平缓的区域，裂隙种类和分布比较简单； 对于水库区陡峭的消落带岸坡，由于地形环境限制不容易开展探地雷达数据采集，且很难找到面积较大且平整的检测平面，故未见到前人将探地雷达技术应用到水库区消落带岩体裂隙的检测。

本文在前人的研究基础上，使用探地雷达探测技术，针对三峡库岸消落带岩溶岩体内部宏观裂隙，通过理论分析和数值模拟，研究裂隙的宽度、长度、埋深、倾角等因素变化时，其波场的动力学特征包括曲线形态、能量衰减等变化规律。并通过现场采集的地质雷达数据，利用该规律来解释岩体裂隙扩展变化。

1 地质模型概化

使用探地雷达主机中的发射天线向岩体内部发射高频(一般从50MHz到2000MHz)的脉冲电磁波，该电磁波遇到介电常数和电导率发生变化的裂隙时将产生反射的电磁波并被雷达主机中的接收天线所接收。对接收到的电磁波信号进行识别、处理和解译，就可以达到探测岩体内部裂隙的目的。但是，岩体内部任意一个岩性变化点都将产生一个反射的电磁脉冲，所有这些电磁脉冲都将进行波的干涉与叠加，导致了雷达回波信号的解译变得困难； 另外，岩体表面的凸凹不平将会使电磁波的干涉与叠加进一步复杂化。如果裂隙的形状比较规则且岩体表面比较平整光滑时，雷达回波的干涉与叠加将呈现较好的规律性，就有可能寻找出反射雷达回波与岩体裂隙形态的对应关系。因此，有必要对现场的岩体内部裂隙进行模型简化，来方便研究对应的探地雷达响应规律，基于这些认识规律来指导现场岩体内部裂隙的解译。

三峡库区巫峡岩溶岸坡广泛分布，孔隙、裂隙、溶隙和溶洞等不连续介质不同程度地发育。本文选择三峡库区巫山县青石水文站典型顺向岩溶岸坡作为探地雷达探测岩体内部裂隙的研究区域(图1)。2008年以来，库水位在145m到175m之间周期性涨落，消落带岩体在高频次的温度循环、干湿循环、冻融循环、库水溶蚀掏蚀作用下发生岩体质量劣化，使得裂隙的扩张速度加剧，严重影响了库岸浅表层斜坡的稳定性。

图1 三峡库区巫山县青石水文站岩溶岸坡岩体裂隙照片

调查显示，水文站斜坡坡度约为45°，岩体劣化类型为裂隙扩张型。该处岩体壁面比较平整，大大小小裂隙纵横交叉分布，裂隙延伸最长的可达30m。主要发育着3组裂隙：第1组裂隙的产状约为55°∠50°； 第2组裂隙的产状约325°∠75°，与第1组裂隙的走向近似正交，且第1组和第2组裂隙面近似垂直于岩体表面； 第3组裂隙的产状约为235°∠45°，其走向与江水流动方向平行，且为顺向坡近似平行于岩体表面的薄层层间脱空裂隙，薄层灰岩的平均厚度约为20cm。裂隙内部空间有的张开，部分被黏土或岩屑物质充填。大于10cm宽度的裂隙相对较少，厘米级宽度的中等裂隙比较发育，毫米级及以下宽度级别的裂隙广泛分布。从岩体露头发现，有的裂隙深度跨越多个薄层。

图1中红色虚框内岩体区域为具体的调查与测试区。该区岩体裂隙基本组成单元为紫色实线所示的单条裂隙模型。为了探讨裂隙的宽度、长度和埋深等对探地雷达回波信号的影响，设计了如图2所示的二维简化地质模型(与图1中的测线O-O′对应)。该简化模型不考虑裂隙形态的不规则性、多条裂隙及其交叉、充填介质状态、岩体表面的起伏粗糙不平等因素。根据调查测试区，设计地质模型大小为1.62m×0.65m，由围岩和裂隙两部分组成，包括两层介质：上层为空气介质，相对介电常数为1； 下层为灰岩介质，相对介电常数约为7。灰岩介质中含有一张开裂隙(空气填充)，该裂隙用一规则的矩形来模拟。在岩体表面布置雷达测线时，尽量使得探地雷达的纵测线和横测线的走向与图1中第1组裂隙和第2组裂隙的走向互相垂直，此时两组裂隙就可简化为图2中的二维裂隙地质模型，且裂隙的宽度远小于裂隙的埋深，可用一水平方向较窄、深度方向较长的矩形来模拟； 由于第3组裂隙面平行于岩体表面，当简化为图2中二维裂隙地质模型时，可用一水平方向较长、深度方向较薄的矩形来模拟。

图2 灰岩内部裂隙地质模型

2 理论分析

下面基于探地雷达技术，从理论上来研究雷达回波剖面中裂隙对应的时距曲线形态特征。

假设裂隙介质的宽度变化对雷达回波的影响可以忽略，裂隙的顶端或底端可视为一点状异物。如图3所示，D为裂隙顶端或底端端点，S为探地雷达电磁波发射天线、R为接收天线，P为发射-接收天线的中点，O′为裂隙端点在地面的投影，设P到O′的距离为x，发射-接收天线的距离为d， D到O′的距离为h。当发射-接收天线一起沿岩体表面向前移动(或距离x变化)时，研究接收天线雷达回波的初至波到达时间t的变化，即时距曲线关系。

图3 雷达发射-接收天线距离固定时裂隙介质端点D的散射波时距曲线

雷达电磁波从发射天线出发传播到裂隙端点再传播到接收天线总共经历的传播时间tP

(1)

式中：tSD为S点到D点的传播时间；tDR为D点到R点的传播时间；v为波在灰岩介质中的传播速度； 当发射-接收天线的长度d相对x很小或完全重合时，即d≈0，由式(1)可推导出雷达回波对应的时距曲线将变成一条标准的双曲线：

(2)

式(2)说明裂隙顶端点和底端点对应的雷达回波曲线可视为或近似视为一条双曲线，这可以用来作为识别岩溶裂隙及其顶端和底端的标志。

裂缝对探地雷达响应的理论曲线适用于裂隙宽度很窄、入射波为高频率平面波、单位脉冲信号情形。实际的雷达子波信号往往为具有一定持续时间且频率为带限信号、入射波为球面波、裂隙宽度会发生较大变化、裂隙的充填介质也不相同、介质的吸收导致能量损耗以及球面扩散能量衰减、波的干涉叠加等，这时候就需要使用数值模拟来研究岩溶裂隙的雷达回波响应规律。

3 数值分析

利用二维电磁波麦克斯韦方程组，采用数值模拟研究岩溶裂隙介质简化模型的探地雷达响应规律。

(3)

式中：Ey、Hx和Hz分别为电场强度的y分量、磁场强度的x分量和z分量；ε、σ和μ分别为介电常数、电导率和磁导率；Jy为激励电流源。式(3)为电场强度和磁场强度关于时间和空间变量的一阶偏导数方程组，基于C语言编程，使用二阶差分来逼近时间偏导数、高阶有限差分来逼近空间偏导数，通过时间步长变化来显式递推模拟电磁波在岩溶岩体中的传播。

基于图2建立的岩溶裂隙地质模型，在水平x方向上和深度z方向上将模型离散为648×260的均匀正方形网格。灰岩的相对介电常数设置为7，空气的相对介电常数为1，裂隙的相对介电常数也设为1。网格水平方向和竖直方向的间距为0.0025m； 模拟时间步长为0.0002ns，模拟时间总长为18ns，采用900MHz主频的雷克子波作为震源； 采用PML吸收边界条件来衰减吸收模型截断边界处引起的虚假反射； 发射天线和接收天线的距离为0.02m，发射天线和接收天线每次一起向前移动距离为0.02m，总共移动72次产生72道雷达回波记录(电场强度Ey)成一个雷达回波剖面。发射-接收天线每移动一次都需要重新进行一次正演模拟。

改变图2模型中裂隙的宽度、长度、埋深，就可以通过数值模拟形成不同的雷达回波剖面，来研究裂隙变化时探地雷达回波对应的响应规律。通过数值模拟得到的探地雷达剖面与现场实际采集到的雷达剖面相似，区别是前者的介质情况比较理想、没有考虑到采集仪器和环境的影响。

3.1 长度的影响

保持裂隙的顶端位置不变，图4给出了改变裂隙的长度为30cm和70cm时对应的探地雷达剖面。从图中可以看出，裂隙顶端的雷达回波响应时距曲线形态为一双曲线形态，其中间能量强而两端能量弱； 裂隙底端的雷达回波响应时距曲线也近似具有双曲线形态，其两端能量强而中间能量弱，裂隙长度越长，双曲线的能量越弱。

图4 不同长度裂隙模型的探地雷达数值模拟剖面

根据式(1)，裂隙底端和顶端的雷达回波响应双曲线的顶点(x=0)时间差为：

(4)

式中：l为裂隙的长度；h为裂缝的顶端埋深。如果不考虑发射天线和接收天线的距离d(≈0)，由式(4)整理，可得：

l=0.5υΔt

(5)

即裂隙的长度l与顶端和底端对应双曲线的顶点时差Δt比。如果预先知道灰岩介质电磁波速度v，在图上判读出两条双曲线顶点的传播时差，就可以用来确定裂隙长度l。由于裂隙底端对应雷达回波双曲线的顶点能量最弱，可能导致实际工作中难于定位裂隙底端位置，导致裂隙的长度很难确定。

另外，根据裂隙顶端对应的雷达回波双曲线顶点走时tP确定顶端埋深h为：

h=0.5υtP

(6)

式(6)表明，裂隙顶端对应的垂直方向传播时间与其埋深成正比。裂隙底端的情形也具有相同的规律。因此，可以将探地雷达时间剖面方便地转换为探地雷达深度剖面，只需将时间轴坐标值乘以灰岩介质电磁波传播速度的一半即可。

3.2 宽度的影响

设置垂直裂隙的宽度为0.25cm、0.5cm、1cm、2～27cm(依次递增1cm)、28cm、30cm、32cm、36cm，裂隙的长度皆为20cm，裂隙的顶端埋深皆为10cm进行了数值模拟试验，共得到了32个雷达回波剖面。

选取了其中6个典型雷达剖面，裂隙宽度分别对应于0.25cm、4cm、8cm、18cm、24cm、36cm(图5)，来展示宽度变化时雷达回波响应规律。由于直达电磁波的能量很强，为了便于观察结果每个剖面中皆消除了直达波信号。根据前面理论分析，雷达回波拟双曲线的顶点对应于裂隙端点(顶端或底端)位置，将裂隙使用白色的矩形标识在雷达回波剖面上。为了直观比较不同情形下雷达回波振幅的强弱，图5中色标的最大值对应雷达回波电场强度振幅的最大值。

图5 不同宽度裂隙模型的探地雷达数值模拟剖面

首先从图5来观看裂隙顶端对应的雷达回波曲线形态。当裂隙宽度较小(图5a、图5b和图5c情形)时，裂隙顶端左边缘和右边缘对应的双曲线重合，当裂隙宽度逐渐增大时裂隙顶端对应的双曲线顶点能量逐渐增强和增大，色标最大值分别为5、83、200。当裂隙宽度较大(图5d、图5e和图5f情形)时，随着裂隙宽度增加裂隙顶端左边缘和右边缘对应的双曲线开始拉开一段水平距离并逐渐增长，色标最大值分别为350、330、330。进一步可发现两支双曲线顶点之间的距离与裂隙的宽度基本重合，利用这点可以从雷达剖面上近似计算较大裂隙的宽度。

图6显示的是裂隙顶端对应双曲线雷达回波总的最大振幅、裂隙顶端中点雷达回波最大振幅。两者的共同规律是：振幅先增大到一最大值后减小趋近于一常数。大致可分为4个阶段：(1)线性变化阶段。裂隙宽度从0cm到15cm； (2)上弯阶段。裂隙宽度从15cm到18cm； (3)下弯阶段； (4)平台阶段。结合图5，可以看出，当裂隙宽度小于15cm时，裂隙宽度与振幅的变化近似为线性关系，裂隙宽度越大对应的振幅就越强，适用于垂直的细长裂隙情形； 当裂隙的宽度大于约22cm后，裂隙的宽度可直接在雷达剖面上通过判断双峰双曲线之间的平台宽度计算出来。可见，裂隙宽度的变化与探地雷达回波响应的最大振幅之间有着密切的联系。

图6 垂直裂隙雷达回波最大振幅与裂隙宽度的关系

3.3 倾角的影响

设置裂隙的倾角依次递减18°，分别为90°、72°、54°、36°、18°、0°共6个模型，裂隙的长度为40cm、宽度为2cm、顶端埋深为20cm。图7给出了倾角变化时裂隙的探地雷达响应特征。从图7a、图7b和图7c可以看出，对于倾角较大的裂隙，裂隙的顶端点和底端点可以根据双曲线的顶点来确定，但是倾角越大，裂隙底端点对应双曲线顶点的雷达回波能量越小，导致很难准确定位裂隙底端点空间位置。从图7d、图7e和图7f可以看出，对于倾角较小的裂隙，雷达剖面上的强能量团方向具有和裂隙倾角一致的趋势，倾角越小、强能量团与真实裂隙的重合程度越高。比较可以看出，倾角越小、裂隙的形态特别是长度越容易确定； 倾角越大、根据典型的双曲线形态容易识别地质异常可能为一垂直裂隙。

图7 不同倾角裂隙模型的探地雷达数值模拟剖面

4 现场测试

4.1 宏观岩体裂隙探测

使用探地雷达对水库区消落带岩体裂隙进行检测，需要解决的问题主要有：雷达天线主频的选择、数据采集环境的搭建、测线的布置、岩体表面起伏对采集数据的影响等。不同天线的主频对裂缝的宽度、埋深的探测灵敏度不同； 雷达天线主频越低，雷达体积就越大，在陡峭岸坡上就越难移动，同时需要平整的检测面积就越大。通过试用不同的雷达天线，发现900MHz的天线最适用。由于岸坡陡峭，坡角常大于45°导致采集人员无法站立或行走在岩体表面，解决办法是在采集区域上方固定安全绳和人员站立的地方预先向岩体中打入小锚杆。将雷达测线的方向尽量布置与主要的裂隙延伸方向垂直，此时接收来自裂隙反射面的雷达波能量最强。岩体表面的起伏不平常常导致雷达小车的车轮停止转动或上下颠簸导致雷达数据采集质量变差，为了方便测距轮能在岩体表面滚动，在雷达小车下方垫上较薄的塑料布，雷达小车在垫布中央行进。具体采集数据时，需要一人操作雷达主机、一人将垫布固定在岩体表面、两人配合雷达小车走过较长的测线距离。与前人工作最大的不同，就是如何解决复杂地质环境下雷达数据的采集。当雷达数据采集完毕，就可以采用常规的雷达处理和解释软件来对裂隙进行识别和判定。

我们使用中国电波传播研究所生产的LTD-X1探地雷达系统、选用900MHz主频的雷达天线，对青石水文站岩溶库岸典型灰岩裂隙体进行了探测。如图8所示，共布置了9条纵测线(数字“1”到“9”表示)、16条横测线(字母“A”到“P”表示)，纵横测线形成的小方格(红色虚线单元矩形)边长为30cm，共计长4.8m、宽2.7m的探测区域。将探测系统的原点放在图8的左下角，水平方向为X方向，其正交方向为Y方向，垂直岩体表面向内为Z方向。

图8 青石水文站岸坡岩体探地雷达测线布置

图9给出了第6条纵测线(6A-6P)对应的探地雷达剖面，在Y方向上分布着至少7条厘米级的裂隙。在图9a的原始数据剖面中，存在着两种曲线形态：一种为双曲线形态； 一种为反射同相轴。它们分别对应两种形态的裂隙、孔洞或结构面：每条双曲线形态对应一个异常点状物，可能为细长裂隙的顶端或底端，也可能为一个孤立的小型孔洞； 反射同相轴可能对应着岩性分界面，包括地面上空气与岩体表面的接触面、层理面。如果层理面脱空越严重，反射同相轴的能量就越强； 如果层理面脱空时断时续，则反射同相轴的连续性也时断时续； 反射波同相轴的长度大致与结构面的长度相同。在Z方向0.8m处和1.4m处，可推断出层理面的脱空比较断续，后期的岩体劣化有可能将这些断续的脱空面进行连通。

图9 图8中第6条纵测线(6A-6P)的探地雷达检测剖面

结合前面数值模拟的规律认识，对第6条纵测线的宏观垂直裂隙、水平层理面进行了推断解释(图9b)。紫色的矩形指示着解释的垂直裂隙，裂隙的宽度根据岩体表面裂隙的宽度来量测确定，也可以根据双曲线顶点最大振幅与裂隙宽度关系曲线来解释。层间脱空裂隙面的解释使用红色的虚线连接，能量团的强弱与脱空程度大小有关系，能量团越强脱空越严重。能解释的宏观裂隙共有10条，对应着岩体表面最宽的10条裂隙，宽度从0.5cm到7cm不等； 有4组层理面发生了不同程度的脱空，位置在岩体表面以下约0.1m、0.4m、0.85m和1.4m处。

为了能更好地观测宏观裂隙在空间的展布，将图10a中4条绿色的测线所采集的探地雷达剖面进行拼接，形成了图10b中所示的三维裂隙展布解释结果。这4条测线分别是：横测线6C-6J、横测线7C-7J、纵测线C6-C7、纵测线J6-J7。所解释的三维区域大小为：长0.7～2.6m、宽1.8～2.1m、深度约0～2.8m。解释结果表明，在该三维区域有5条主要垂直裂隙，这与岩体表面分布的裂隙完全一致； 另外还有2个不连续的层理脱空面，这在地面无法观测到的，通过探地雷达技术在岩体表面就能探测到。探地雷达技术不能精确地刻化岩体内部宏观裂隙的形态，但是它能有效探测到这些宏观裂隙的存在和空间分布。

图10 基于探地雷达剖面解释的宏观裂隙三维空间展布

4.2 岩体裂隙扩展监测

当岩体内部的宏观裂隙发生一定程度变化时，在地面上采集的探地雷达剖面也将发生相应的变化，因此，探地雷达技术也可用来对岩体的内部裂隙扩展进行监测。在2018年7月和2018年8月，对前面青石水文站的第7条纵测线剖面对应的岩体内部宏观裂隙进行了两期探地雷达检测。测线长为1.2m、探测深度为1.5m。从图11中可以看出：该探测区域有两条明显的垂直裂隙、两个连续性较差的脱空层理面； 相隔一年的两期探地雷达数据剖面非常相似，一方面说明在如此短的时间内岩体劣化程度并不十分显著，另一方面也说明了探地雷达技术的重复性探测保真度较高； 对两期探地雷达数据做差值，其图像上出现了一些能量团异常，指示着该处的岩性在一年期间内发生了变化，这可能是由裂隙的扩展引起的，也可能是裂隙的充填介质发生了变化。

图11 两期探地雷达检测数据的剖面对比

图12对图11a和图11b中Y=0.4m和Y=0.8m的两期单道数据进行了对比。观察发现：在Y=0.4m处两期探地雷达数据在多处吻合得不够好，说明该处深度方向上有些地方的岩性发生了变化，例如深度Z=1.4m处前后两期数据出现了差异表明该处的层面裂隙的扩展发生了变化； 在Y=0.8m处，前后两期的监测数据重合得比较好，说明该处深度方向上岩性比较均匀、基本上没有裂隙存在。因此，使用探地雷达技术来监测岩体内部宏观裂隙的显著变化是可行的。

图12 两期探地雷达检测数据的曲线对比

5 讨 论

探地雷达的频率对裂隙的宽度和埋深探测比较敏感。一般来说，大尺度的裂隙主要控制着斜坡的稳定性，较小尺度的裂隙主要控制着局部山体或块体的稳定性。在研究的水库区消落带岩溶岸坡上，通过调查发现：在百米长的岸坡范围内，常发育着1～3条埋深较大(2m以上)延伸很长(30m以上)的大尺度裂隙，宽度约为几个厘米； 发育着众多埋深较浅(10～50cm)、延伸较短(20cm到200cm)、宽度约为几个厘米的较小尺度裂隙； 发育着大量的正在扩张的小裂隙，其宽度远小于1个厘米，延伸和埋深较短。可以看出，厘米级宽度的裂隙是比较常见的，其对岩体稳定性的影响也是较大的。对于几个厘米宽的岩体裂隙，试用了1500MHz、900MHz、400MHz等不同频率的天线。1500MHz天线对裂隙宽度的响应最敏感，但是背景噪声也最大，同时探测深度较浅、约为1.0m。另外， 1500MHz天线对岩体表面微小的起伏非常敏感，产生了很多噪声干扰。900MHz天线对裂隙宽度响应很敏感，背景噪声较弱，探测深度可以达到1.5m。400MHz的天线已经比较笨重难以在野外斜坡上顺利操作，而270MHz、100MHz等天线的体积过于笨重无法置于消落带斜坡上并移动。因此，对于厘米级裂隙的探测， 900MHz的天线是比较合适的选择。

对于很宽(分米级及以上)的裂隙，严重影响着岸坡稳定性，这样的裂隙容易被发现并做治理，可以使用低频天线进行埋深探测，关键问题就是解决仪器笨重带来的在消落带岸坡上进行数据采集的可操作性。对于软弱夹层，若分布较浅(1.5m以内)，可使用900MHz雷达天线来探测，若埋藏较深，同样也涉及到复杂地形环境对采集工作的制约。除此之外，还需要考虑到操作人员在斜坡面上大距离移动的安全问题。

仪器设备的性能和配套装置会对雷达数据的采集质量产生重要影响。对于某一固定频率的天线，需要进一步提高其探测深度； 若发射天线和接收天线可以拆分，就可以调整收发天线的距离，将该距离变化作为雷达数据的一个维度来增加采集数据的维度，将会得到大角度的雷达反射波信息，有助于恢复倾斜裂缝的信息； 将主机接收信号的方式由有线接收提升为无线接收，在野外采集时将会提高效率。在现场陡峭岸坡上进行雷达探测时，采用的是在岩体表面用喷漆将测线位置画好，雷达天线只能在该测线上行进，结合测距轮滚过的距离来确定雷达天线的空间位置，这导致了雷达天线的空间位置定位精度较低，特别是遇到起伏不平的岩体表面时将进一步降低了雷达天线的定位精度，而天线定位精度将显著影响雷达资料的处理和解释。可以通过在雷达收发天线上各配置一套激光定位系统来提高雷达收发天线的空间定位精度。

提高雷达数据采集的多样化将会得到更多的地下介质的信息。同时采用多个频率的天线，将会得到不同探测精度和探测深度的雷达数据，但是，探测深度的增加将会降低探测精度、显著增加雷达天线的体积，采用多套天线还意味着数据采集所用时间的成倍增加。将二维采集方式升级为三维采集方式，将能得到岩体内部三维空间内的裂隙信息，一种方式是将多条二维测线组装成一个三维测线系统，另一种方式是采用一个天线发射雷达电磁波、一个天线阵列接收雷达电磁波，也可以将两种方式结合来组成三维多方位观测系统，这将有助于恢复三维空间不规则的、倾斜的裂缝形态。但是，这对天线设计的复杂程度、数据采集的效率提出了挑战。

雷达数据处理可以进一步地提高裂缝形态的识别程度。裂缝的端点信息在雷达数据剖面上表现为双曲线形态，多个端点的双曲线将相互叠加相互干涉导致裂缝端点识别困难。裂缝倾角越大，在雷达剖面上裂缝内部的信息损失越多。可以借鉴地震资料处理中偏移成像技术，将双曲线形态收敛为一个点、将倾斜的裂缝界面准确归位，但是，如何获取好的偏移电磁波速度来进行成像有较大难度，否则会显著影响裂缝形态的恢复。除此之外，雷达波衰减能量的恢复、去除多种噪声等技术也需进一步提高。

雷达数据解释将有助于恢复岩体内部的岩性参数。通过雷达数据处理，裂缝的形态在一定程度上被恢复出来，但是，恢复的裂缝端点信息将是一个具有时间长度的雷达子波信号、岩体内部介质的岩性参数并没被恢复出来。例如，可以通过子波反褶积技术消除雷达子波的影响、近似恢复裂缝分界面的反射系数，也可以通过全波形反演技术直接恢复岩体内部的相对介电常数、电导率等信息。但是，这些技术的应用都是建立前期雷达数据的采集质量、处理质量之上的，目前成熟应用还受到很多限制。

如果能从仪器设备、数据采集、数据处理、数据解释等方面进行提高，就有可能更高效、更好地展示岩体内部裂隙结构的分布及其扩展变化。

6 结 论

本文针对三峡库区岩溶岸坡消落带岩溶岩体内部宏观裂隙扩展的探测问题，基于探地雷达探测技术，将复杂的现场裂隙概化为矩形裂隙地质模型，使用理论分析和数值模拟技术研究了裂隙的形态与探地雷达数据之间的联系和规律，并将该规律用于指导现场岩溶岩体裂隙的探测和裂隙扩展的监测，得到了以下的主要结论：

(1)在陡峭的斜坡上搭建适宜的采集环境、针对厘米级的优势裂隙采用900MHz的天线频率，将探地雷达技术应用到水库区消落带岩溶岩体内部裂隙的检测和监测是可行的，为调查和研究岩体内部裂隙的扩展规律提供了一种有效的手段。

(2)探地雷达技术可以在不破坏岩体的情形下，有效探测岩体内部宏观裂隙的分布。对于近似垂直的裂隙，通过双曲线形态可以较好识别出裂隙顶端，但是大量干扰和雷达波能量衰减导致裂隙底端难于识别； 对于层理脱空形成的水平裂隙，从探地雷达云图上可以较好识别。由于裂隙形态的不规则使得雷达剖面上的双曲线形态畸变和能量团分布不均衡，导致很难刻画裂隙形态。利用多期雷达数据，比较雷达波能量团强弱和有无的变化，可以监测宏观裂隙扩展。

(3)为了使探地雷达技术更好地探测和监测岩体内部宏观裂隙的扩展，需要从仪器设备、数据采集、处理和解释等4个方面来加强。例如，可采用高密度的测线网来实现三维空间裂隙的探测； 提高雷达波发射位置和接收位置的定位精度； 借鉴地震资料处理技术中的高精度偏移成像技术和全波形反演技术等，来准确恢复岩体内部空间复杂裂隙的形态和充填介质属性。