探测雷达技术在水工环地质勘察工作中的应用分析

汪向丽，苏兴荣

（河南省地质局生态环境地质服务中心，郑州 450053）

1 引言

随着经济的发展与科技的进步，我国地质勘察领域得到了全面发展，多元化的地质勘察技术为当前的地质勘察工作提供了技术支持与保障，推动了我国地质勘察工作的开展。20世纪80 年代，西方国家开始对探测雷达勘察技术进行研究，并在诸多领域实现了全方位应用。虽然我国对该勘察技术的研究时间略晚于西方国家，并在实际应用水平上存在一定差距，但是在新形势下，我国加大了对勘察技术的资金投入，探测雷达技术得到了全面提升，并在当前的水工环地质勘察工作中取得了显著成效。

2 水工环地质勘察工作综述

为行之有效地满足当前地质勘察领域的建设需要，技术人员需要利用地质勘察技术做好地质勘察调查，以提升地质勘察的精准度及完整度。通常情况下，调查内容涵盖地下水工程调查、地理条件调查及地下水分布调查等。在调查过程中，技术人员需借助地质勘察技术，对施工现场的地下水位变化及流动情况进行全面掌握，同时与当地政府提供的地质数据信息进行有效结合，进而对施工现场的水文条件进行客观精准评估[1]。

水工环地质勘察工作涵盖诸多勘察内容，导致施工单位所要使用的勘察技术存在差异。在进行水工环地质勘察工作时，有关技术人员需要注意以下4 点。

1）综合考量施工现场实际情况，甄选合适的勘察技术，勘察方案需在全面调查结束后方可制订。

2）在对水工环进行地质勘察时，技术人员需要对其勘察信息进行明确记录。

3）可以借助电法技术与探测雷达技术对施工现场的地下埋藏物、地层岩石裂缝及地下水流速等信息进行勘察，并做好记录。

4）技术人员需充分应用勘察设备，并在实际勘察工作中发挥出勘察技术优势，切实提升水工环地质勘察工作的质量及水平。

3 水工环地质勘察技术

3.1 电法技术

电法技术是水工环地质勘察工作中较常见的一种勘察技术，在实际应用过程中，电法技术一般可分为两类。

3.1.1 高密电法

在实际应用过程中，高密电法主要的呈现形式为列阵式勘察。技术人员借助高密电法可对勘察现场的地质水文情况进行详细摸排，该方法的操作相对简单。通常情况下，在水工环地质勘察工作中，技术人员一般都会以机械自动化技术来辅助高密电法进行勘察工作，以此来切实提升水工环地质勘察工作的质量及效率。

3.1.2 激化电法

激化电法在水工环地质勘察工作中是相对常见的，其可以对勘察现场的岩石及矿石进行激化，通过对其岩石以及矿石内部的激化差异对勘察现场的地质水文信息进行分析，以此获得更精准的地质勘察结果。在实际水工环地质勘察中，激化电法常用于水资源检测及矿石检测。除此之外，技术人员在实际勘察流程中需对其激化电法的勘察流程进行科学管理，以提升水工环地质勘察工作的科学性及精准性。

3.2 RTK技术

RTK 技术是一种包含GPS 技术及载波位差点技术的地质勘察技术，在实际应用中可将地质勘察检测状态由静态转化为动态。RTK 技术可接收卫星数据，进而构建标准检查站及移动式检查站，切实提升水工环地质勘察工作的质量及效率。同时，对测量点进行网络优化，有效解决数据衰弱误差。技术人员通过RTK 测量结果，对当前的地质勘察区域进行虚拟参考设置，以此扩展移动监测区域及标准检测距离，降低实际检测作业量。RTK 技术工作原理示意图如图1 所示。

图1 RTK技术工作原理示意图

3.3 RS 技术

RS 远程探测技术一般应用于气象及地质探测领域，其可远程收集信息，应用RS 探测技术时不受外部天气影响，同时借助远程卫星对其勘察地区的图像信息进行呈现，切实提升其勘察分辨率。在水工环地质勘察中，技术人员可借助RS 技术对水工环进行动态化监测，构建完备的地表水及地下水数据资源信息库，为能源及资源开发提供较完善的数据及技术支持，切实提升水工环地质勘察工作质量及水平[2]。

4 探测雷达技术在水工环地质勘测中的应用

4.1 探测雷达技术原理及系统构成

在水工环地质勘测过程中，探测雷达技术可以对地下勘测目标发送特定波长的高频电磁波，电磁波在地下介质传播过程中，通过均质地层介质时可实现稳定传播；在传导过程中遇到存有电性差异的目标体时，会对其进行反射，其反射回电磁波可被外部接收天线接收。通常情况下，介质间的电磁特性差异越大，介质间的界面就越容易被识别。技术人员可对接收的信息进行分析与处理，根据电磁波的传播时间及波形特征，通过信号振幅强弱对其目标体的基本特征进行推测，如目标体的空间位置、结构和几何形态等。

探测雷达技术的工作原理参考了麦克斯韦方程原理，图2为探测雷达技术工作原理示意图。

图2 探测雷达技术工作原理示意图

4.2 探测雷达技术参数

通常情况下，天线中心频率受探测深度、空间辨识率及杂波干扰3 种因素影响。探测雷达中心频率越低，其探测深度越大。探测深度与空间分辨率相互制衡，当其满足探测深度及场地条件时，需要对其空间分辨率的方向进行明确认定。若将探测深度作为首要出发点，并将探测深度设置为D，单位m，水工环地质中的介质电常数为εr，中心天线频率为fCD，其中心频率计算如式（1）：

若将其空间分辨率设置为x，则中心天线频率需切实满足以下计算：

从其空间分辨率角度出发，若得到的中心天线频率高于受杂波干扰发射回来的中心频率时，表明其空间分辨率与当前的探测深度存在矛盾。天线中心频率与其地质勘察深度对应数据如表1 所示。

表1 天线中心频率与探测深度对应数据表

在对时窗进行甄选时，需了解实际探测深度D 与水工环地质地层电磁波速度V（单位m/ns）之间的关系，时窗W 计算如式（3）：

在对时窗的选用值进行明确时，其最后结果需比预期值提高30%，以此预留出地层速度与勘查主体深度的变化量，水工环地质勘测中不同勘测介质的时窗数据选择如表2 所示。

表2 时窗数据甄选表

对比当前的探测雷达系统天线频带宽度与其中心频率，其频带宽度需高于中心频率。根据奎斯特（Nyquist）理论，实际采样数据需高于天线中心频率3 倍，为切实保证完整的波形记录，通常情况下，采样数据的频率被设置为天线中心频率的6 倍，若其天线中心频率以f 表示，单位MHz，则采样距离lt的计算如式（4）：

探测雷达技术采样距离与天线中心频率关系如表3 所示。

表3 采样距离及天线中心频率关系表

4.3 应用分析

探测雷达技术会发射一定的脉冲电磁波，并通过专业设备接收脉冲电磁波，之后使用专业软件分析其反馈信息，以此掌握与了解水工环地质勘察主体的实际情况[3]。探测雷达作为水工环地质勘察方法中的一种，相较于传统勘察方法，探测雷达具有以下优势。

1）分辨率高，尤其是对浅层地表的探测精度分辨率可达厘米级。

2）工作效率高，探测雷达仪器设备轻便，操作简单，充分发挥了计算机采集和处理数据优势，极大提高了工作效率，降低了成本。

3）相较于传统勘探手段，探测雷达技术具有探测无损性特点，即这种探测不会损害、影响被检测物体未来的使用性能和用途。

雷达的电磁波频率一般集中于100 万～10 亿Hz，这对特殊特质环境具有较好的地质勘测效果，在水工环地质勘测工作中表现良好。随着技术的不断发展，探测雷达技术在水工环地质勘察中可应用于浅表地质调查、地质灾害勘查、地下管线调查、地基及路基病害检测、隧道衬砌检测、隧道地质超前预报、水库堤坝检测、土壤含水率调查、有机污染调查等领域。

4.4 实证分析

4.4.1 巩义市某河道治理工程勘察

工作区划属于华北地层区——华北平原分区的豫东地层小区。与工程关系密切的地层主要为上更新统冲洪积地层和全新统地层。场区勘探深度范围内揭露地层主要为第四系全新统上段冲积层，地层岩性主要为粉土、粉质黏土和粉细砂。勘察设计中，勘察单位利用水工环地质勘察技术对工作区地下水位、河堤内部孔洞、裂缝、软弱带和堤基渗水通道等进行了翔实勘察。受沿河道设备通行条件限制，全部采用传统勘察方法不仅成本高，且时间长。因此，勘察单位采用测探雷达技术对地质勘察工作进行辅助。

探测大堤沿线地下水位：现场工作采用探测雷达技术沿左右岸河堤分别布设2 条长探测剖面，使用天线中心频率100～200 MHz，探测地表下2～7 m 土壤含水率及地下水位，并控制性布置少量传统钻探孔以查看地层情况并直接量测地下水位。对地质雷达探测的地下水位进行校准并相互印证，经查明，本场地地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水，赋存于第四系全新统砂层、粉土层中，场区地下水位埋深约2.45 m。

为查明河堤堤基渗水通道，采用地质雷达沿左右岸河堤布置多条纵剖面初步探测土壤含水率，针对探测发现的河堤浸润线异常处，再布置横剖面详查。使用测探雷达技术在本工程中发现多处隐患，证明勘察效果良好，这为堤坝隐患修复工作提供了专业的数据支持。

4.4.2 郑州市农业路快速通道工程农业路—中州大道互通立交地下埋藏物勘察

本工程在详细勘察前进行了现场踏勘，发现互通立交的西向南北方向2 条匝道WS、WN，匝道桥墩规划设计位置分别占压地下车库及地下商场，因地下车库及地下商场缺乏准确可靠的建筑物位置坐标，故勘察单位采用探测雷达技术对地下车库及地下商场外围轮廓线及地下管线进行探测。

现场探测雷达使用天线中心频率50～200 MHz，详细探测出地面以下2～10 m 深度范围内地下管线的位置、清晰的地下车库及地下商场外围轮廓线位置的坐标深度数据，探测成果提交设计院后，设计单位在规划匝道位置不变的情况下，迅速调整桥梁跨度及可行桩基位置，为本工程减少拆迁损失、确保施工工期提供了有力保证。

5 结语

随着科技发展及技术进步，我国地质勘察技术得到全面的发展及应用，使我国在资源及能源开发领域获得了行之有效的技术保障。良好的地质勘察技术能最大限度地提升当前资源及能源开采效率。因此，为提升我国水工环地质勘察工作质量及效率，促进我国能源及资源经济全面发展，水工环地质勘察部门需要对当前的地质勘察技术进行不断优化与创新，以此提升地质勘察工作的精准性及完整性，从而推动我国水工环地质勘察领域的可持续发展与完善。