水利水电工程勘察中地质雷达技术的应用

2024-03-08孙彩霞

地下水 2024年1期

孙彩霞

(山东省德州市乐陵市水利局,山东乐陵 253600)

0 引言

地质雷达方法具有测试速度快、高精度、低成本、非开挖和可大面积探测的优点,在岩土工程勘察中取得了广泛的应用[1]。地质雷达法通常应用于隧道超前地质预报和岩溶地质条件下的岩土工程探测,在测试方法以及应用效果上都十分成熟,而且取得了大量的研究成果[2]。而将其应用于水利水电工程的探测实例较少,特别是针对坝基工程中岩体的断层破碎带和错动带的岩土工程勘测解译,更是鲜见报道[3-4]。本文尝试将地质雷达方法应用于实际的高拱坝坝基岩土工程勘测,分析坝基不良地质体的电磁波响应特征,以研究地质雷达在水利水电地地质体探测中的应用效果。

1 地质雷达方法的基本原理

地质雷达方法作为最为重要的工程地质探测方法之一,其探测的基本原理是利用各个地质体之间存在介电常数的差异,通过发射天线向土体内发射电磁波,电磁波在土体的传播过程中,受到地质体的导电特性的影响,在传播速度上的发生不同程度的改变,同时电场波的振幅也会呈现不同程度的衰减,当接收天线采集经过地质体反射的电磁波后,可以分析电场波在地质体内的波动规律以及时空分布特征,进而探明地质体的分布情况。地质雷达发射的电磁波在土体中的传播服从麦克斯韦波动方程,具体可以描述为电磁场强的偏微分方程,如公式(1)所示。

(1)

式中:E为电磁波的场强,N/C,▽为算子,t为时间,s,σ为电磁常数,μ为泊松比,ε为介电常数。

对于高频电磁波信号,它在地下土体中的传播规律具有明显的大位移电流特征,因此在上述公式(1)中右侧第一项可以忽略,由此可以简化得到公式(2)

(2)

式中:v为电磁波波度,m/s。

由此可以求解得到电磁波的速度如公式(3)所示。

(3)

式中:c为光速(电磁波在真空中的传播速度)m/s;εr为相对介电常数。

同样地,可以利用公式(2)求解得到电磁波的场强表达式,如公式(4)～公式(6)所示。

E=E(z,t)=E0e-βzei(wt-αz)

(4)

(5)

(6)

式中:α为相位系数,z为电磁波的传播方向,t为传播时间,s,w为传播频率,β为电磁波的衰减系数,i为虚数,E0为初始电磁波场强振幅。

2 工程概况

某水利工程位于高山峡谷中部,坝址区域内山体陡峭,左岸斜坡坡向为SE,坡度达到50°～60°,右岸坡度以陡坡为主,坡度变化范围为50°～70°,发育一组岩层面,走向为N50°E,倾角为SE,倾角约20°,两岸坡体内植被均较少。坝址区受到的地震作用强烈,存在着多种地质构造,比如断层、层间错动带和构造裂隙灯,大坝坝址左岸揭露的断层主要有3条,分别为f9、f15和f20,而右岸揭露的断层主要有2条,分别为f9和f15。在坝面上可以清晰地识别基岩体内的层间错动带,在大坝坝基左岸存在较大的层间错动带主要有2条,分别为K3和K5-1,而右岸存在着1条较大的错动带,即KS675,这些错动带在基岩岩石,不同程度地切割着岩体,影响着岩体的完整性。

3 地质雷达响应特征

为了更好地探测和识别大坝坝基中的断层破碎带和错动带,运用FDTD时域有限差分方法建立断层破碎带和错动带的二维正演模型,选定的模拟软件为GPRMAX V2.0程序。通过设定不同的介质体之间的电性参数区别不同的地质体,并计算电磁波在模型中的传播过程,识别断层破碎带和错动带的电磁波响应特征,以便在采集的地质雷达图像中,更好地识别和解译这些不良地质现象。计算时,为节约计算时间,减小数据的存储量,按照等比例缩小的原则,将模型的整体尺寸设定为10 m×10 m,地质雷达的发射天线为100 MHz天线,接收天线也为100 MHz天线,拾取的时间窗口为100 ns,雷达天线间隔50 cm采集一次数据。

根据对大坝坝址区岩性的物理性质的测定,各种物性之间存在较大差异,为地质雷达的有效探测提供良好的基础。经过测定,空气的相对节点常数取为1.0,电导率取为0.0 S/m,相对磁导率取为1.0;干燥玄武岩的相对节点常数取为4.0,电导率取为10-9S/m,相对磁导率取为1.0;断层泥的相对节点常数取为15.0,电导率取为0.1 S/m,相对磁导率取为1.0;破碎岩体的相对节点常数取为8.0,电导率取为0.02 S/m,相对磁导率取为1.0。

图1为断层破碎带为水平发育时的地质雷达计算模型和正演计算结果。从图中可以看出,当断层填充断层泥为水平发育时,其采集的到的反射信号也呈水平状,且存在3条同相轴,反射信号的同相轴序列为正反射-负反射-正反射,同相轴峰值出现的时间分别为58 ns、61 ns和64 ns,且正反射和负反射同相轴的能量较强,而64 ns位置处的正反射同相轴的能力相对较弱。

图1 断层破碎带水平发育时的地质雷达计算模型和正演计算结果

图2为断层破碎带为倾斜发育时的地质雷达计算模型和正演计算结果。从图中可以看出,当断层填充断层泥为倾斜发育时,其采集的到的反射信号也呈相同角度的倾斜状态,且存在3条同相轴,反射信号的同相轴序列为正反射-负反射-正反射,正反射和负反射同相轴的能量较强,负反射信号后的正反射同相轴的能力相对较弱。

图2 断层破碎带倾斜发育时的地质雷达计算模型和正演计算结果

一般而言,断层破碎带及错动带有伴生现象,在断层发育的两侧完整岩体中受构造作用存在破碎的岩体。图3为水平发育时断层破碎带及错动带的地质雷达计算模型和正演计算结果。从图中可以看出,当水平泥质土断层两侧发育破碎岩体时,其采集的到的反射信号也呈水平状,且存在4条同相轴,反射信号的同相轴序列为正反射-负反射-正反射-负反射,同相轴峰值出现的时间分别为54 ns、57 ns、60 ns和63 ns,同相轴的能量从上之下依次减弱。

图3 断层破碎带及错动带水平发育时的地质雷达计算模型和正演计算结果

综合以上分析表明,地质雷达的正演电磁波图像能够能很好地反映不同地质体的物性差异,利用电磁波同相轴可以追踪定位断层破碎带和错动带的空间分布;断层破碎带和错动带的电磁波同相轴变化与地层的走向一致,断层破碎带的电磁波同相轴响应特征与错动带的同相轴响应特征存在一定的差异,为利用地质雷达在不良地质体的探测中提供了正演对照。

4 地质雷达探测结果

结合断层破碎带以及错动带的地质雷达方法正演结果,对坝址区的断层破碎带及错动带进行测线布置,以探明大坝坝址左岸揭露的3条断层(f9、f15和f20)、右岸揭露的2条断层(f9和f15)以及大坝坝基左岸2条层间错动带(K3和K5-1)、右岸1条层间错动带(KS675)的走向、埋深和空间分布。表1为断层破碎带以及错动带的地质雷达法探测结果。从表1中可以看出,左岸的f9断层破碎带深度在0.12～10.66 m范围内变化,随着探测方向呈不断减小的变化趋势;左岸的f15断层破碎带深度在0.45～9.30 m范围内变化,随着探测方向则呈不断增加的变化趋势;左岸的f20断层破碎带深度在4.21～8.98 m范围内变化,随着探测方向则呈不断减小的变化趋势;右岸的f9断层破碎带深度相对于左岸的f9断层破碎带深度较大且变化趋势也相反,深度在6.47～20.88 m范围内变化,随着探测方向呈不断增加的变化趋势;右岸的f15断层破碎带深度相对于左岸的f15断层破碎带深度较大且变化趋势也相反,深度在3.13～9.94 m范围内变化,随着探测方向则呈不断减小的变化趋势。K3错动带深度随探测方向不断减小,深度在0.58～13.55 m范围内变化;K5-1错动带深度随探测方向不断增加,深度在5.32～18.67 m范围内变化;KS675错动带深度随探测方向不断增加,深度在3.08～8.36 m范围内变化。