崔雙利，潘紹財(cái)，孔繁友，劉元鋒

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003）

1 孔中雷達(dá)技術(shù)原理

孔中雷達(dá)可以用單孔反射或跨孔層析成像。對(duì)于單孔反射，雷達(dá)提供鉆孔周圍地層的不連續(xù)圖像。對(duì)于跨孔層析，發(fā)射和接收在不同的孔中，雷達(dá)提供鉆孔間的平面圖像，在此次探測應(yīng)用中采用了該種探測方式。

跨孔層析成像用于對(duì)兩孔間二維模型的物理特性進(jìn)行處理。層析成像探測時(shí)，發(fā)射天線在一個(gè)鉆孔中，接收天線在另一個(gè)鉆孔中，發(fā)射天線在一個(gè)固定位置，接收天線在另一個(gè)鉆孔中沿固定間隔向下移動(dòng)，掃描整個(gè)長度；然后，發(fā)射天線往下移動(dòng)0.5 m，接收天線再掃描整個(gè)長度。該步驟重復(fù)進(jìn)行，直到發(fā)射天線覆蓋整個(gè)鉆孔為止。對(duì)每一個(gè)掃描，測量從發(fā)射天線到接收天線傳播的時(shí)間和振幅，這些數(shù)據(jù)用于創(chuàng)立兩孔之間電磁波傳播速度的層析成像和衰減特性圖。通過直達(dá)波振幅、速度和衰減的變化用來解釋破碎帶，不同巖性的界面和空洞，確定兩鉆孔中間高含水量區(qū)域（如充水的斷裂帶或管涌）。探測孔的間距取決于天線的頻率和介質(zhì)的電導(dǎo)率，對(duì)于一個(gè)中心頻率為100 MHz的天線，在富含水砂礫石層中，探測孔間距一般為 4～8 m。

2 探測過程

2.1 工程概況

位于遼寧的某水庫是一座以灌溉為主、兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的小型水庫。樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水洞組成。水庫壩型為均質(zhì)壩，壩體為壤土，壩長630 m，壩頂寬5.0 m，最大壩高10.7 m。壩基主要由礫石、夾雜粗砂構(gòu)成，該層厚度為4.90～17.30 m，為強(qiáng)透水層。大壩存在問題為壩基滲漏較嚴(yán)重，致使壩后存在大面積沼澤區(qū)，最嚴(yán)重處壩后某戶居民水井水位一直高出地面0.2 m左右，需進(jìn)行防滲處理。為查清導(dǎo)致壩基滲漏位置區(qū)域，尤其是壩后水井較高水位的來源，處理前進(jìn)行孔中雷達(dá)探測。

2.2 測孔布置

該探測項(xiàng)目在大壩基礎(chǔ)灌漿之前進(jìn)行。測孔位置基本以壩后村子老鄉(xiāng)家高水位水井為中心，對(duì)應(yīng)壩后滲漏嚴(yán)重區(qū)域80～100 m范圍內(nèi)，并在區(qū)域外選擇一處測孔進(jìn)行對(duì)比探測試驗(yàn)。具體測孔布置如下：在壩頂對(duì)應(yīng)滲漏嚴(yán)重區(qū)（樁號(hào)：0+156～0+236）選擇待灌漿的連續(xù)鉆孔作為雷達(dá)測孔，孔徑110 mm，孔深18～19 m，每兩個(gè)測孔孔間距暫定為8 m，探測總長度為80 m。在距離滲漏區(qū)邊緣測孔70 m處布置對(duì)比試驗(yàn)兩測孔（樁號(hào)0+306～0+310），詳見雷達(dá)測孔布置見圖1。為防止探測期間塌孔，在雷達(dá)桿放入孔內(nèi)前，先將直徑90 mm的PVC硬質(zhì)塑料管下到孔底護(hù)壁，該P(yáng)VC管對(duì)雷達(dá)波在介質(zhì)中傳播影響很小，待探測數(shù)據(jù)采集完成后取出進(jìn)行孔內(nèi)灌漿。

圖1 雷達(dá)測孔布置圖

2.3 測孔數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場采用引進(jìn)瑞典MALA公司孔中雷達(dá)天線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主機(jī)為ProEx，采用的主要技術(shù)參數(shù)為：天線發(fā)射和接收頻率均為100 MHz，天線間距即為兩孔間距8 m，采樣頻率設(shè)置為天線頻率的10倍，采樣點(diǎn)數(shù)為500左右，采樣點(diǎn)間隔為0.3 m，后三種參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整。由于電磁波信號(hào)在導(dǎo)電環(huán)境中（如水，砂礫石或粘土等介質(zhì)）衰減較快，實(shí)際探測中發(fā)現(xiàn)原來設(shè)計(jì)采樣孔間距8 m過大，多數(shù)孔收不到直達(dá)波信號(hào)。遂通過逐漸縮短采樣孔間隔辦法，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，當(dāng)孔間距縮減為4～5 m時(shí)，取得完整直達(dá)波信號(hào)?？紤]到后期灌漿不再重復(fù)鉆孔，確定采樣孔間距為4 m。共獲取21組孔完整采樣數(shù)據(jù)。

3 探測結(jié)果分析

對(duì)跨孔采集原始數(shù)據(jù)采用瑞典MALA公司的WinTomo跨孔層析成像軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到電磁波在兩探測孔間介質(zhì)傳播速度或振幅圖像。

當(dāng)解釋雷達(dá)剖面時(shí)，需要知道介質(zhì)的速度，這樣才能準(zhǔn)確知道地下各層和地下物體的深度。影響電磁波在地下傳播的物理參數(shù)是電導(dǎo)率和介電常數(shù)，電導(dǎo)率決定電磁波的衰減，介電常數(shù)決定電磁波的傳播速度。電導(dǎo)率是巖土物性參數(shù)之一，在一般的巖石和土壤中，電導(dǎo)率主要受孔隙率、飽和度和流體的導(dǎo)電性影響，它通過常規(guī)的電阻率和電磁波技術(shù)進(jìn)行測量。一些典型介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率和電磁波速度見表1。

在全部處理的圖像中，選取滲漏區(qū)11號(hào)～12號(hào)孔間和對(duì)比試驗(yàn)，22號(hào)～23號(hào)孔間層析成像作如下解釋。

表1 典型介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率和電磁波速度

1）由11號(hào)～12號(hào)孔間介質(zhì)電磁波傳播速度圖像（圖略），圖像中水平坐標(biāo)為兩孔區(qū)間距離（m），豎直坐標(biāo)為鉆孔深度距離（m）。探測是從孔頂開始（0點(diǎn)位置），終點(diǎn)（孔底）位置在18 m處。從層析成像中，看到色度不同黑白相間區(qū)域，白色區(qū)域代表低電磁波速區(qū)，黑色區(qū)域代表高電磁波速區(qū)。在圖像上部0～8 m深范圍內(nèi)，黑色占據(jù)大部分區(qū)域，介質(zhì)電磁波速一般在80 m/μs以上，說明該區(qū)域電磁波速相對(duì)較高，解釋為這些地方密實(shí)度大或含水量少。圖像下部8～18 m深范圍內(nèi)，白色區(qū)域占比較大，介質(zhì)電磁波速一般在50 m/μs以下，說明該區(qū)域電磁波速較低，地層密實(shí)度小或含水量較大。其中圖像左下角全白處電磁波的速度在40 m/μs左右,已經(jīng)完全接近飽和水（水的電磁波速度為33 m/μs）。因此判斷圖像上部壩體層密實(shí)度較大，含水量較小，而圖像下部砂礫石層密實(shí)度較小，含水量較大。

2）對(duì)比試驗(yàn)22號(hào)～23號(hào)孔間介質(zhì)電磁波速圖像（圖略），從層析圖像中，同樣看到色度不同黑白相間區(qū)域，但黑色區(qū)域覆蓋絕大部分，說明該位置雷達(dá)電磁波速普遍較高。尤其圖像上部0～7 m深范圍內(nèi)，介質(zhì)電磁波速度在100 m/μs以上，解釋為這些地方密實(shí)度大或含水量很少。圖像下部7～18 m深范圍內(nèi)，電磁波速度值基本在80～100 m/μs區(qū)間內(nèi)，相對(duì)較高，解釋為地層密度較大或含水量小。

將11號(hào)～12號(hào)孔間電磁波速與22號(hào)～23號(hào)孔間，在同一層位的電磁波速相比，前者明顯較低。因此推斷在同一層位，11號(hào)～12號(hào)孔間地層密實(shí)度比22號(hào)～23號(hào)孔間地層密實(shí)度要小，而含水量相比，前者比后者明顯要大。

4 結(jié) 語

1）跨孔雷達(dá)層析成像在含水壩基砂礫石地層，一般孔間距在3～5 m范圍內(nèi)直達(dá)波信號(hào)能夠接收到，距離越近，雷達(dá)波信號(hào)越強(qiáng)。

2）用雷達(dá)波在介質(zhì)中傳播速度來解釋地層透水情況時(shí)，僅能推斷地層的密實(shí)度或含水量大小等靜態(tài)特征，而不能反映地下水流動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征。只有結(jié)合壩體前后水位差產(chǎn)生的滲壓作用，才能進(jìn)一步判定透水的存在。

3）通過對(duì)11號(hào)～12號(hào)孔與22號(hào)～23號(hào)孔跨孔層析圖像對(duì)比，在同一深度層位，電磁波速明顯不同，反映出該層位含水量和密實(shí)度的不同，考慮水庫壩體前后存在滲壓作用，就此推斷含水量大的11號(hào)～12號(hào)孔壩基透水性較強(qiáng)，而含水量較小的22號(hào)～23號(hào)孔壩基透水性較弱。

4）通過對(duì)所有探測孔跨孔層析成像進(jìn)行解釋分析，可以發(fā)現(xiàn)壩體層土質(zhì)密實(shí)，含水量小，質(zhì)量較好。壩基砂礫石層含水量較大，其中含水嚴(yán)重部位集中在探測樁號(hào)0+156～0+236附近，該區(qū)域電磁波速均在50 m/μs左右，接近飽和水，因此判斷在滲壓作用下，壩基產(chǎn)生了滲透，致使壩后形成了沼澤和居民家水井較高水位。

5）依據(jù)探測結(jié)果，對(duì)測得含水嚴(yán)重部位（樁號(hào)0+156～0+236）在灌漿工程實(shí)施中，采取增加灌漿排數(shù)等措施，竣工后觀測取得較好的防滲效果，壩后沼澤區(qū)基本消失，居民高水位水井也恢復(fù)正常水位。因此從側(cè)面證明探測結(jié)果是可靠的。

［1］李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994.