地质雷达技术在水利水电工程勘察中的应用

侯鸿霄

（沧州水利勘测规划设计院有限公司，河北 沧州 061000）

0 引言

随着科技的发展，我国的水利水电工程建设也引入了许多先进技术，其中，在地质勘探方面，地质雷达勘测技术得到了广泛的应用。地质雷达具有勘察效率高，仪器易携带的优点，在水利水电工程建设中发挥着重要作用。但实际应用过程中，还存在一些问题需要进行深入分析与研究。

1 地质雷达技术的工作原理

地质雷达技术是利用电磁波进行地质勘测的一种手段，它在水利水电工程建设中的应用非常广泛。电磁波在地下传播时，遇到各种各样的地下介质，相遇后电磁波便会发生反射现象，反射波会被雷达接收，从而收集到相应的地质信息，最终通过数据分析和处理，然后储存在计算机中。计算机对获得的数据进行分析和处理，从而可以判断出地下的介质具体是什么物质，并且能够准确地获知物质的大小和位置[1]。地质雷达的工作原理主要是依靠天线进行信号的收发，天线中心频率影响着电磁波的穿透能力，一般来说，如果为了让电磁波的勘测深度更深，则会将中心频率调低，以此来对地下进行深入勘测。借助地下雷达的勘测技术，帮助工作人员对地下介质进行较为准确地判断，有利于后续水利水电工程建设施工的开展。地质雷达的具体工作原理见图1所示。

图1 地质雷达信号收发工作原理

地质雷达在工作时，发射机会发出电磁波信号，此时电磁波信号通过天线在岩层中进行传播，如果遇到了不均匀的地质介质，或者其他的介质后，便会形成反射信号，发出的信号和反射的信号都会通过天线再回到接收机当中，这时接收机会对所有的信号进行调整和处理，进而传送回主机中，再由主机传送给计算机。计算机会对主机传送的信号进行编码处理，最终会以电频图或者波形堆积图的形式显示，如图2所示。工作人员就可以根据图形进行人工分析，了解被测物体的各项物理参数。

图2 地质雷达勘测技术经过处理后的成像

2 地质雷达的主要勘测技术

2.1 宽角法

宽角法在地质雷达技术的应用中较为常见，它一般需要先找准位置，固定天线，然后另一根天线向侧面移动，这时便可以记录地下电磁波的不同走向，它能够快速地求出地下反射面的深度以及电磁波的传播速度，在地下情况较为良好时，勘测效果会比较好，使得勘测数据更为精确[2]。

2.2 剖面法

剖面法是最为常用的地质雷达技术，一般情况下，它会将发射和接收天线在固定的距离下向同一侧移动，能够清晰直观地看到横纵坐标的测量结果，其中天线的位置在横坐标上体现，反射波在地下的走向则体现在纵坐标上，利用这样的方法能够更为直观且精确地看到地下反射波的变化情况。

2.3 多次覆盖法

因为地下各类介质的大小不一，会在一定程上影响反射波，那么此时就需要多个天线同时发射信号，另一个接收信号的天线就能在短时间内收集到更多的数据，然后将所得的全部信号进行重叠。

3 地质雷达勘查中存在的问题

3.1 勘测条件影响问题

在地质雷达技术的应用过程中，其勘测效果会受到诸多条件的影响。其中高频率的电磁波在地下传播时，会随着时间的流逝而不断衰减，且对其影响最大的就是电阻率的问题。当电阻率越低，那么勘测的深度和分辨率便会出现较大的误差，且数据的精确度也会受到严重的影响，故而在应用地质雷达勘测技术时，要重点关注电阻率、介电常数与频率，尽可能地降低环境对技术应用上的影响，以此保证勘测数据的准确性，提升勘测的整体水平[3]。

3.2 勘测数据处理的准确度问题

地质雷达技术勘测出的数据一般都会借助石油地震勘测技术进行分析。石油地震勘测技术的数据处理和地质雷达技术的数据还是有一定的误差，导致数据出现了不准确的现象。具体来说，比如勘测出的速度需要对数据进行校对，而这样一来，数据的精准度就会受到影响，且在数据处理过程中，还需要借助人力对地质雷达技术勘测出来的数据进行分析模拟，最终才能得出较为准确的数据。

3.3 地下资料分析不系统的问题

因为地下的实际情况对于勘测人员来说都是未知的，且地下介质的环境又相对复杂，我国现阶段还没有较为完整的地下资料分析体系，一般只有表层的地质雷达勘测情况，使得技术勘测人员必须将现有的地质雷达勘测技术与传统的勘测手段相结合，才能得出更为准确的资料分析。

4 地质雷达勘查中的干扰因素及控制措施

4.1 大树或树枝干扰

电磁波的传输具有方向性，空气属于无损耗介质，即使是非常弱的电波也能在空气中传播得非常远。但是，当测线附近出现一些枝繁叶茂的大树或者有树枝、树干等，电磁波会受到干扰。普通的大树或者树枝在电磁波组上就会出现较为杂乱的低频，密度波形上则会出现大片不规律的黑色斑痕。而如果是枝繁叶茂的大树就会出现双曲线的波形，且信号会变强，一般来说比较容易识别。为了降低这类影响，可以采用屏蔽天线开展勘测工作，能够在一定程度上对干扰进行有效地抑制。

4.2 建筑物干扰

建筑物的干扰可分为两大类，一类是建筑物走向与天线方向平行，另一种是建筑物走向与天线方向垂直[4]。其中，平行的情况对电磁波的干扰更为严重。假如测线附近建筑物的走向与天线的走向保持平行，那么在地质雷达测出的雷达记录上，则会出现一组同方向的信号，该组信号极强且频率接近测量主频的侧面反射波。当工作人员对地下情况未知时，很可能与地下界面的反射波相混淆。如果两边都有建筑物且走向与天线走向保持平行，那么这类干扰就会更为严重，因为此时在雷达记录上所反映出来的地层波组就几乎无法进行辨别了。所以使用地质雷达进行勘测的时候，应该尽量避免这种问题。如果走向是呈垂直的方向，干扰则不会如此严重。

4.3 类坎状地形干扰

类坎状地形中会引起雷达记录出现两组差别较大的异常特征波形，信号也会变得比较强，速度上既不是电磁波在空气中的速度，也不是在地下介质中的速度，而是处在中间值。这种地形对信号引起的干扰十分严重，会使得大量的有效信号无法辨认，从而影响判断。

4.4 地面不平引起的干扰

局部地形发生变化，会使得电磁波出现散射和漫射。一些地面上因出现了沟坎或者石块等，天线便无法与地面较好地接触，使天线与地面的阻抗出现较大的差异，能量不能有效地传入地下，电磁波便会出现振荡现象，不仅会严重图像质量，有时还会因此得不到有效信号。它的频率十分接近主频，且信号强，很难衰减。如果令天线垂直离开地面，那么干扰会有所缓解，但会使得传输到地下的能量有所衰减。

4.5 空中输电线的干扰

当测线通过输电线的时候是以垂直走向完成的，且天线与输电线的方向保持平行时，这时的干扰信号就会呈双曲线分布，在输电线下方则是其顶点的位置。如果是高压输电线，则信号更强，影响范围更大。电线的高度可以根据顶点出现的时间与电磁波在空气中的速度进行测算。如果是一般的照明线或者通讯线，则线的数量会较少且较细，范围也没有高压线的那么广。如果天线与输电线的方向保持垂直，则干扰没有那么强烈。

5 地质雷达在水利水电工程勘查中的应用要点

5.1 对地质剖面的勘测

因地质雷达自身的优越性，其应用也越来越广泛，人们不断发掘其在水利水电工程勘测中的重要作用。比如它能够确定基岩埋深，对地质的剖面分层进行分析，勘测基岩分化情况。一般来说，地质雷达技术在水利水电工程勘测方面的应用，主要体现在对地质剖面的勘测，它能够对地质剖面进行较为准确地分析，且值得注意的是，它可以利用地质勘测技术对深度、分辨率和精度进行全面地勘测。在对水利水电工程河床部分的地质进行剖面分析后，可以得出相应的准确数据，此时工作人员便能以前期测绘的图纸为依据，结合分析结果对钻孔的位置予以确定，这为水利水电工程的后续建设施工提供了很大的便利。

5.2 对堤坝建设的勘测

地质雷达技术是对水利水电工程地质勘测的有效手段，它能够对地质进行全面勘测，这对堤坝建设有明显的益处。一般情况下，人们凭借肉眼很难直接发现堤坝存在的安全隐患。但地质雷达便可以收集到较为全面的数据，并对可能存在安全隐患的部分提出警示，提升了堤坝建设安全监测的效率，并且在一定程度上保证了堤坝的施工质量[5]。

在勘测堤坝的坝基、坝体以及防洪闸机的地质质量时，可以采用地质雷达勘测技术。因为我国大部分堤防都是土质堤防，所以堤坝内部存在着的松散、软弱和土质不均匀的现象，这在一定程度上对堤坝的安全性和实用性产生了影响，而且堤坝空洞和裂缝对整个水利工程的安全来说影响就更大了。借助地质雷达勘测技术，能够及时、有效地发现堤坝可能存在的安全隐患。

5.3 对地下水资源的勘测

在水利工程建设中，对地下水资源的勘测也是十分重要的内容。随着国内经济的飞速发展，部分企业为了利益而不顾环境污染，将大量的污水不加处理地随意排放，很多地区的水质受到了严重污染。所以，在水利水电工程建筑过程中，借助地质雷达勘测技术，可以得知地下水资源的污染范围，且可以利用其确定污水储藏的最佳位置，并借助一些化学手段处理污水问题，从而提升水利水电工程的水质质量。

5.4 对边坡建设的勘测

边坡工程在水利水电工程建设中起到了稳固的作用，它在一定程度上影响着水利水电工程的质量，而借助地质雷达勘测技术可以对边坡的地质进行勘测，在较短的时间内收集到最为有效的数据，再利用软件对这些数据进行分析，获取边坡工程对水利水电工程产生的影响情况，令边坡工程充分发挥稳固作用，辅助水利水电工程的顺利建设。

5.5 其他应用

除了上述四种常用的勘测应用，在水利水电工程建设中，地质雷达技术还可以具体应用于地下管道的勘测、回填土厚度的勘测以及第四系分层的勘测，另外，针对坝体的“散浸”也有较好的勘测效果[6]。

6 结束语

通过大量的实践得知，在水利水电工程的勘测中，地质雷达技术发挥着十分重要的作用，它可以通过电磁波感应对地下物质进行勘测和分析，还能够结合水利水电工程建设的需求，提出与地下环境和地质结构相匹配的科学建议，有助于水利水电工程施工的科学、合理。地质雷达技术能够在较短的时间内获得更多的信息量，对地下物质进行更为精确的定位，为水利水电工程建设施工提供非常大的帮助。