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摘 要：地质雷达是一种具有高精度、高效率的地球物理新技术，近年来在工程地质领域得到了越来越广泛的应用。本文将简要的介绍地质雷达的基本原理和方法，机器在溶洞、断层、破碎带检测中的应用。
关键词：地质雷达 介电常数 溶洞 断层 破碎带塌陷区 脱空 不密实
近年来，随着我国水利水电开发事业的蓬勃发展，对水利水电勘察精度的要求越来越高。贵州省地处喀斯特强发育地区，地质条件复杂，常规的工程物探方法（如电法勘探、浅层地震勘探等）由于受到各种因素的制约，在使用范围和精度等方面越来越无法满足工程地质勘察的要求。地质雷达作为一种具有高精度、高效率的地球物理新技术，在一定程度上可弥补这方面的不足。
地质雷达的工作原理和方法
地质雷达是一种用于确定地下介质分布的广谱（兆赫至吉赫）电磁波技术，它利用一个天线发射高频率宽频带短脉冲电磁波，另一个天线接收来至地下介质界面的反射波。电磁波在地下介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电磁特征及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时（双程时）、幅度与波形等资料，可探测介质的结构、构造与埋设物体的深度及其规模。雷达探测分辨率高，适用于中浅层高分辨率探测，探测深度0-50m，高频天线（浅表）分辨率可达几毫米。
所采用仪器为美国地球物理探测公司生产的SIR20型地质雷达仪器。地质雷达探测工作方法有连测和点测两种方式,为提高数据的信噪比,一般采用32次数据叠加技术，仪器使用的参数根据现场试验结果确定。
2 原始资料解释
2.1求取目标体深度
资料处理是在微机上完成的，处理流程为：数据传输到计算机建立坐标系形成雷达输入数据RADAN软件反演雷达解释图。
计算机反演计算目的体的深度公式如下：
R0=A0/A=（-1）/（+1） （1）
式中：A为起始发射脉冲振幅
A0为第一层介质界面反射回来的讯号振幅
ε1为第一层介质的介电常数
由式（1）可算出第一层介质的介电常数，即
ε1=[（1+ R0）/（1-R0）]2（2）
由此可算出雷达波在第一层介质中的传播速度
V1=C/ （3）
式中C为电磁波在真空中的传播速度，即光速，为0.3m/ns
由雷达数据读出第一层目的体的双程反射时t1，就可计算出第一层目的体的深度，即
h1= t1 V1/2（4）
按（3）式可求出第一层深度，第二层的反射系数要乘上一个穿透损失系数（1-R02），它表示从下面第二层底部反射回地面的电磁波讯号在穿进穿出第一层底部界面时的损耗，所以：
A1/A=R1（1-R0）（5）
由此：
R1=A1/A（1-R02）= A1 A/（A2- R02） （6）
获得第二层的介电常数ε2
ε2=ε1[（1+ R1）/（1-R1）]2 （7）
雷达波在第二层介质中的传播速度：
V1=C/ （8）
最后得出第二层的厚度h2
h2= t2 V2/2
依此类推，可以求出多层目的层的深度。
2.2 求取目标体规模
（1） 渐进线法
设目标体为一球体，雷达记录图像为典型的双曲线形态，渐近线就法就是根据双曲线的渐近线求取地下洞穴的洞径的。如图2，设地下有一半径为r的洞穴（球状体），埋深为h，观测点Q至洞面反射点P的距离为ρ，记录点为P’，显然有QP=QP’,即：y=ρ，由△Qoo’可得:
[-x2/(h2+r2)]+[(y+r) 2/(h+r) 2]=1 （9）
上式为一虚,实轴相等的双曲线方程,其中心在(0,-r)处，其渐近线方程为：
y=±x-r (10)
据此作图3，图中虚线为雷达记录的双曲线，根据（9）及（10）式可知：
① 图像的渐近线是斜率为1的两条相互垂直的直线；
② 渐近线与轴交点至原点的距离为洞径r；
③ 洞径加大时，S点上移，双曲线弧形增大，洞径减小时，，S点下移，双曲线弧形减小；
④ 埋深加大时，t点下移，双曲线弧形增大，埋深减小时t点上移，双曲线弧形减小。
利用上述双曲线特征，有异常明显的双曲线时，即可计算其洞径，根据（10）式，在双曲线的渐近线上显然有：
r=|x|-y（11）
由于有时地质雷达在数据采集时所确定的零点并非真正的地面零点，所以使用上式计算洞径时需根据记录图像作适当的零点调整，确定零点后，方可根据异常的双曲线形态作其渐近线，从而根据上式求得洞径r。
（2）菲涅尔带半径法
根据电磁波传播理论，地质雷达发射的能量主要集中在第一菲涅尔带内：
RF=（λh+λ/4）1/2（12）
式中：RF为菲涅尔带半径，λ为发射波长，λh为目标反射波长。
据此，可认为当记录中出现明显的双曲线异常时说明地下洞穴刚进入第一菲涅尔带，所以可用下式来计算洞径：
r=S-2RF（13）
式中r为洞穴直径，S 为异常范围，RF为菲涅尔带半径。
當异常只有半支双曲线时，可用异常范围减1倍的菲涅尔带半径。
因此雷达异常的规模可根据上述两种方法估算求出，但因其目标体为假设球体，实际工作中目标体不一定为球体，故解释出的异常规模大小存在一定误差。
3工程实例
3. 1 下翁溪水库除险加固工程
下翁溪水库位于贵州省福泉市境内重安江支流乌梅河上游下翁溪河段，最大坝高41m，为双曲细石砼砌块石拱坝。水库蓄水至今，在左岸坝前40-110m库岸范围共发现不规则分布的塌陷坑9个。为查明测区岩溶发育情况，采用地质雷达对水库大坝、左坝肩及河床进行探测，旨在查明坝体密实度、左坝肩及河床岩溶破碎带、节理裂隙发育情况等，结合地质调绘、钻探等查明水库渗漏的原因，为大坝防渗提供详细处理方案。
坝址位于上塘复式背斜西翼单斜岩层上，岩层产状：N10°～30°W/SW∠43°～74°(倾右岸)，未受断层切割破坏。坝址区河床及左岸出露地层为清虚洞组的豹皮状灰岩、细晶白云质灰岩、白云岩。岩溶作用强烈，层面溶蚀宽缝、地表溶沟、溶槽、落水洞、天窗、溶洞等岩溶形态均有发育。地下水类型为岩溶水。
根据测区工程地质条件及需解决的地质问题，在左坝肩布置了两条测线，在拱坝上布置了1条测线，在坝背水面河床布置了多条测线。本次采用0.5米点距，天线距为2米，天线中心频率为20MHZ，现以RD1测线为例分析如下：
图5是RD1测线91.5-120米的雷达图像，在测线上95-105米处，存在强反射界面，且同相轴不连续，杂乱无章，说明该区域介质电磁特性发生变化，因其基岩面反射清晰，推测该区域异常为塌陷区引起，塌陷区周围岩体节理裂隙发育，岩体破碎。该位置正好处于地表所看到的两个大的塌陷坑之间，因此可推断两个塌陷坑是相通的，其下有岩溶管道穿过。
图5 下翁溪水库RD1测线地质雷达探测原始图像
总体来看，通过地质雷达探测，查明了左坝肩及河床岩溶破碎带、节理裂隙发育情况，对坝体的密实度也有了很好的了解，为大坝今后的防渗处理工作提供了良好的指导依据。
3.2 芙蓉江沙阡电站
拟建沙阡电站位于贵州高原北部的芙蓉江中游深切峡谷内，属典型的峡谷型水库。上坝址出露的地层为O2b、O2s、O1m,岩性为灰岩、页岩，覆盖层厚度1-4m。上坝址左坝肩发育一断层，并发育4条近垂直的断层裂隙带。下坝址出露的地层为志留系石牛栏组(S1sh)，岩性为灰岩，坝址左岸上游发育一深大裂隙，顶部宽度达二十几米，纵向切割将近七十米。本次物探工作的主要任务是用地质雷达查明上坝址断层裂隙带延伸发育的情况，以及下坝址大裂隙在坝址位置发育的情况。为此，在上坝址沿断层裂隙带的延伸方向垂直布置了5条测线，在下坝址沿大裂隙的延伸方向垂直布置了2条测线，采用0.5米点距，天线距为2米，天线中心频率为40MHZ，现以RD2测线为例分析如下：
图7为上坝址左坝肩RD2测线地质雷达图像，图中亮点为地层错动导致岩层破碎所引起的强反射，其中16m、28m、36m、44m为断层裂隙面，位置正好与在悬崖上所看到的四条断层裂隙的延伸相吻合。
图7芙蓉江沙阡电站RD2测线地质雷达原始图像
通过地质雷达探测，查明了上坝址左坝肩断层裂隙发育的情况，以及了解了下坝址左坝肩大裂隙的位置和发育情况，很好的达到了預期的效果。
4结束语
经过多个工地的工程实践，表明地质雷达在水利水电勘察与检测中，对探测岩溶、断层破碎带等不良地质体及检测坝体和引水隧道等工民建筑物的施工质量可取得良好的效果，为水利水电工程的设计与施工提供了很好的参考依据。同时，地质雷达的优势在于它能够短时间内获取地下介质体的大量信息，并且通过实践表明，适度的加密点距更有利于确定目标体的规模和位置。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地质雷达 介电常数 溶洞 断层 破碎带塌陷区 脱空 不密实
近年来，随着我国水利水电开发事业的蓬勃发展，对水利水电勘察精度的要求越来越高。贵州省地处喀斯特强发育地区，地质条件复杂，常规的工程物探方法（如电法勘探、浅层地震勘探等）由于受到各种因素的制约，在使用范围和精度等方面越来越无法满足工程地质勘察的要求。地质雷达作为一种具有高精度、高效率的地球物理新技术，在一定程度上可弥补这方面的不足。
地质雷达的工作原理和方法
地质雷达是一种用于确定地下介质分布的广谱（兆赫至吉赫）电磁波技术，它利用一个天线发射高频率宽频带短脉冲电磁波，另一个天线接收来至地下介质界面的反射波。电磁波在地下介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电磁特征及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时（双程时）、幅度与波形等资料，可探测介质的结构、构造与埋设物体的深度及其规模。雷达探测分辨率高，适用于中浅层高分辨率探测，探测深度0-50m，高频天线（浅表）分辨率可达几毫米。
所采用仪器为美国地球物理探测公司生产的SIR20型地质雷达仪器。地质雷达探测工作方法有连测和点测两种方式,为提高数据的信噪比,一般采用32次数据叠加技术，仪器使用的参数根据现场试验结果确定。
2 原始资料解释
2.1求取目标体深度
资料处理是在微机上完成的，处理流程为：数据传输到计算机建立坐标系形成雷达输入数据RADAN软件反演雷达解释图。
计算机反演计算目的体的深度公式如下：
R0=A0/A=（-1）/（+1） （1）
式中：A为起始发射脉冲振幅
A0为第一层介质界面反射回来的讯号振幅
ε1为第一层介质的介电常数
由式（1）可算出第一层介质的介电常数，即
ε1=[（1+ R0）/（1-R0）]2（2）
由此可算出雷达波在第一层介质中的传播速度
V1=C/ （3）
式中C为电磁波在真空中的传播速度，即光速，为0.3m/ns
由雷达数据读出第一层目的体的双程反射时t1，就可计算出第一层目的体的深度，即
h1= t1 V1/2（4）
按（3）式可求出第一层深度，第二层的反射系数要乘上一个穿透损失系数（1-R02），它表示从下面第二层底部反射回地面的电磁波讯号在穿进穿出第一层底部界面时的损耗，所以：
A1/A=R1（1-R0）（5）
由此：
R1=A1/A（1-R02）= A1 A/（A2- R02） （6）
获得第二层的介电常数ε2
ε2=ε1[（1+ R1）/（1-R1）]2 （7）
雷达波在第二层介质中的传播速度：
V1=C/ （8）
最后得出第二层的厚度h2
h2= t2 V2/2
依此类推，可以求出多层目的层的深度。
2.2 求取目标体规模
（1） 渐进线法
设目标体为一球体，雷达记录图像为典型的双曲线形态，渐近线就法就是根据双曲线的渐近线求取地下洞穴的洞径的。如图2，设地下有一半径为r的洞穴（球状体），埋深为h，观测点Q至洞面反射点P的距离为ρ，记录点为P’，显然有QP=QP’,即：y=ρ，由△Qoo’可得:
[-x2/(h2+r2)]+[(y+r) 2/(h+r) 2]=1 （9）
上式为一虚,实轴相等的双曲线方程,其中心在(0,-r)处，其渐近线方程为：
y=±x-r (10)
据此作图3，图中虚线为雷达记录的双曲线，根据（9）及（10）式可知：
① 图像的渐近线是斜率为1的两条相互垂直的直线；
② 渐近线与轴交点至原点的距离为洞径r；
③ 洞径加大时，S点上移，双曲线弧形增大，洞径减小时，，S点下移，双曲线弧形减小；
④ 埋深加大时，t点下移，双曲线弧形增大，埋深减小时t点上移，双曲线弧形减小。
利用上述双曲线特征，有异常明显的双曲线时，即可计算其洞径，根据（10）式，在双曲线的渐近线上显然有：
r=|x|-y（11）
由于有时地质雷达在数据采集时所确定的零点并非真正的地面零点，所以使用上式计算洞径时需根据记录图像作适当的零点调整，确定零点后，方可根据异常的双曲线形态作其渐近线，从而根据上式求得洞径r。
（2）菲涅尔带半径法
根据电磁波传播理论，地质雷达发射的能量主要集中在第一菲涅尔带内：
RF=（λh+λ/4）1/2（12）
式中：RF为菲涅尔带半径，λ为发射波长，λh为目标反射波长。
据此，可认为当记录中出现明显的双曲线异常时说明地下洞穴刚进入第一菲涅尔带，所以可用下式来计算洞径：
r=S-2RF（13）
式中r为洞穴直径，S 为异常范围，RF为菲涅尔带半径。
當异常只有半支双曲线时，可用异常范围减1倍的菲涅尔带半径。
因此雷达异常的规模可根据上述两种方法估算求出，但因其目标体为假设球体，实际工作中目标体不一定为球体，故解释出的异常规模大小存在一定误差。
3工程实例
3. 1 下翁溪水库除险加固工程
下翁溪水库位于贵州省福泉市境内重安江支流乌梅河上游下翁溪河段，最大坝高41m，为双曲细石砼砌块石拱坝。水库蓄水至今，在左岸坝前40-110m库岸范围共发现不规则分布的塌陷坑9个。为查明测区岩溶发育情况，采用地质雷达对水库大坝、左坝肩及河床进行探测，旨在查明坝体密实度、左坝肩及河床岩溶破碎带、节理裂隙发育情况等，结合地质调绘、钻探等查明水库渗漏的原因，为大坝防渗提供详细处理方案。
坝址位于上塘复式背斜西翼单斜岩层上，岩层产状：N10°～30°W/SW∠43°～74°(倾右岸)，未受断层切割破坏。坝址区河床及左岸出露地层为清虚洞组的豹皮状灰岩、细晶白云质灰岩、白云岩。岩溶作用强烈，层面溶蚀宽缝、地表溶沟、溶槽、落水洞、天窗、溶洞等岩溶形态均有发育。地下水类型为岩溶水。
根据测区工程地质条件及需解决的地质问题，在左坝肩布置了两条测线，在拱坝上布置了1条测线，在坝背水面河床布置了多条测线。本次采用0.5米点距，天线距为2米，天线中心频率为20MHZ，现以RD1测线为例分析如下：
图5是RD1测线91.5-120米的雷达图像，在测线上95-105米处，存在强反射界面，且同相轴不连续，杂乱无章，说明该区域介质电磁特性发生变化，因其基岩面反射清晰，推测该区域异常为塌陷区引起，塌陷区周围岩体节理裂隙发育，岩体破碎。该位置正好处于地表所看到的两个大的塌陷坑之间，因此可推断两个塌陷坑是相通的，其下有岩溶管道穿过。
图5 下翁溪水库RD1测线地质雷达探测原始图像
总体来看，通过地质雷达探测，查明了左坝肩及河床岩溶破碎带、节理裂隙发育情况，对坝体的密实度也有了很好的了解，为大坝今后的防渗处理工作提供了良好的指导依据。
3.2 芙蓉江沙阡电站
拟建沙阡电站位于贵州高原北部的芙蓉江中游深切峡谷内，属典型的峡谷型水库。上坝址出露的地层为O2b、O2s、O1m,岩性为灰岩、页岩，覆盖层厚度1-4m。上坝址左坝肩发育一断层，并发育4条近垂直的断层裂隙带。下坝址出露的地层为志留系石牛栏组(S1sh)，岩性为灰岩，坝址左岸上游发育一深大裂隙，顶部宽度达二十几米，纵向切割将近七十米。本次物探工作的主要任务是用地质雷达查明上坝址断层裂隙带延伸发育的情况，以及下坝址大裂隙在坝址位置发育的情况。为此，在上坝址沿断层裂隙带的延伸方向垂直布置了5条测线，在下坝址沿大裂隙的延伸方向垂直布置了2条测线，采用0.5米点距，天线距为2米，天线中心频率为40MHZ，现以RD2测线为例分析如下：
图7为上坝址左坝肩RD2测线地质雷达图像，图中亮点为地层错动导致岩层破碎所引起的强反射，其中16m、28m、36m、44m为断层裂隙面，位置正好与在悬崖上所看到的四条断层裂隙的延伸相吻合。
图7芙蓉江沙阡电站RD2测线地质雷达原始图像
通过地质雷达探测，查明了上坝址左坝肩断层裂隙发育的情况，以及了解了下坝址左坝肩大裂隙的位置和发育情况，很好的达到了預期的效果。
4结束语
经过多个工地的工程实践，表明地质雷达在水利水电勘察与检测中，对探测岩溶、断层破碎带等不良地质体及检测坝体和引水隧道等工民建筑物的施工质量可取得良好的效果，为水利水电工程的设计与施工提供了很好的参考依据。同时，地质雷达的优势在于它能够短时间内获取地下介质体的大量信息，并且通过实践表明，适度的加密点距更有利于确定目标体的规模和位置。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。