秦 臻 黃波林 張 鵬

(三峽大學防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室， 宜昌 443002， 中國)

0 引 言

三峽大壩建成蓄水后，庫水對消落帶巖溶岸坡上先前存在的裂隙、斷層破碎帶和軟弱夾層帶等進行沖刷、潛蝕和溶蝕，使得巖體裂隙變寬、變長和變深。裂隙的擴展降低了巖體的強度和完整性，加速了庫岸斜坡不穩(wěn)定演化進程，出現(xiàn)了一些新生的危巖體或軟弱帶，可能會引起巖體崩塌或巖質(zhì)滑坡，直接威脅著長江航道和庫區(qū)蓄水的安全。探測宏觀裂隙的發(fā)育程度、監(jiān)測宏觀裂隙的發(fā)育速度、研究含裂隙巖體的劣化規(guī)律，對于庫區(qū)巖溶岸坡的安全穩(wěn)定和地質(zhì)災(zāi)害防治具有重要意義。

很多研究學者對宏觀裂隙的統(tǒng)計建模、裂隙擴展規(guī)律和地表宏觀裂隙識別開展了大量的研究。鐘志彬等(2017)通過考慮裂隙長度和傾角影響來統(tǒng)計天然復雜裂隙網(wǎng)絡(luò)。韓帥等(2019)研究了離散裂隙網(wǎng)格的建模，來描述巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計分布。魏超等(2019)針對傾斜裂隙和水平裂隙開展了單軸和雙軸壓縮條件下的物理試驗和數(shù)值模擬來分析裂隙的擴展和貫通規(guī)律。袁小清等(2015)研究了宏細觀損傷耦合的非貫通裂隙巖體本構(gòu)模型，來描述其在受荷過程中的細觀損傷演化與宏觀損傷行為。張文等(2020)開展了高陡巖質(zhì)斜坡的結(jié)構(gòu)面非接觸式采集技術(shù)與三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬研究。李麗慧等(2019)對鄂爾多斯盆地頁巖儲層中的紋層和天然裂縫進行了多尺度研究，并構(gòu)建了三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，其與研究區(qū)域的真實參數(shù)一致。張誠成等(2019)以張拉破壞模式地裂縫為例，結(jié)合傳感光纜應(yīng)變的特點，提出了基于線應(yīng)變的地裂縫形成判定準則。曾慶魯?shù)?2017)基于三維激光掃描技術(shù)、配合高分辨率數(shù)碼照片和人工實測裂隙信息對巖體表面裂隙的發(fā)育規(guī)律和控制因素進行了研究。趙明宇等(2018)、侯恩科等(2019)、肖剛等(2019)基于無人機技術(shù)視覺技術(shù)分別對采煤地表裂隙和危巖體表面裂隙進行了檢測。但是，這些研究并沒有涉及如何探測和識別野外米級尺度巖體內(nèi)部裂隙的位置、尺寸和分布等信息。

近些年來，物探無損檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用到調(diào)查介質(zhì)內(nèi)部不同尺度的裂隙，其中比較常用的技術(shù)有高密度電法、超聲波法、彈性法和探地雷達法等。畢鵬程等(2020)成功實現(xiàn)了復雜地形條件下240道電極的三維電法數(shù)據(jù)采集，用于復雜地質(zhì)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)面的識別。汪子洋等(2019)利用超聲波傳播經(jīng)過裂隙時傳播速度減慢和能量逸散導致聲時變大、波幅衰減的原理，對鋼管混凝土裂隙寬度檢測進行了試驗研究。劉平等(2018)使用沖擊彈性波法和超聲波法對混凝土裂隙深度進行了無損檢測比較。高密度電法用于識別裂縫的分辨率很低，而超聲波法和彈性波法主要利用傳播時間和幅頻特性，要求檢測表面平整、裂隙分布單一，限制了在復雜裂隙調(diào)查中的應(yīng)用。

雷達波的波場由于具有線性疊加特性，探地雷達技術(shù)可以適用于復雜裂隙分布的情況。劉江平等(2004)從射線理論的角度闡述了公路路面垂直裂隙的反射波同相軸呈現(xiàn)似雙曲線特征。盧成明等(2007)和李修忠(2013)詳細分析了公路路面裂隙的波場特征及其探地雷達檢測方法，在識別裂隙，判斷裂隙的位置、深度及走向等方面具有重要意義。楊成林等(2008)利用探地雷達調(diào)查滑坡裂隙的位置、深度及走向，為后期滑坡治理提供依據(jù)。李遠強(2012)利用探地雷達技術(shù)來調(diào)查地裂縫。王國群(2009)總結(jié)了裂隙的探地雷達圖像基本特征，分析了不同成因地裂隙的探測機理和雷達圖像特征。針對膠結(jié)充填體裂隙模型，何文等(2015)開展了探地雷達技術(shù)的正演研究來指導這類裂隙的識別與探測。前人所做的探地雷達對裂縫的檢測和識別工作主要集中在公路、隧道、地面、緩坡面等檢測面比較平緩的區(qū)域，裂隙種類和分布比較簡單； 對于水庫區(qū)陡峭的消落帶岸坡，由于地形環(huán)境限制不容易開展探地雷達數(shù)據(jù)采集，且很難找到面積較大且平整的檢測平面，故未見到前人將探地雷達技術(shù)應(yīng)用到水庫區(qū)消落帶巖體裂隙的檢測。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，使用探地雷達探測技術(shù)，針對三峽庫岸消落帶巖溶巖體內(nèi)部宏觀裂隙，通過理論分析和數(shù)值模擬，研究裂隙的寬度、長度、埋深、傾角等因素變化時，其波場的動力學特征包括曲線形態(tài)、能量衰減等變化規(guī)律。并通過現(xiàn)場采集的地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)，利用該規(guī)律來解釋巖體裂隙擴展變化。

1 地質(zhì)模型概化

使用探地雷達主機中的發(fā)射天線向巖體內(nèi)部發(fā)射高頻(一般從50MHz到2000MHz)的脈沖電磁波，該電磁波遇到介電常數(shù)和電導率發(fā)生變化的裂隙時將產(chǎn)生反射的電磁波并被雷達主機中的接收天線所接收。對接收到的電磁波信號進行識別、處理和解譯，就可以達到探測巖體內(nèi)部裂隙的目的。但是，巖體內(nèi)部任意一個巖性變化點都將產(chǎn)生一個反射的電磁脈沖，所有這些電磁脈沖都將進行波的干涉與疊加，導致了雷達回波信號的解譯變得困難； 另外，巖體表面的凸凹不平將會使電磁波的干涉與疊加進一步復雜化。如果裂隙的形狀比較規(guī)則且?guī)r體表面比較平整光滑時，雷達回波的干涉與疊加將呈現(xiàn)較好的規(guī)律性，就有可能尋找出反射雷達回波與巖體裂隙形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。因此，有必要對現(xiàn)場的巖體內(nèi)部裂隙進行模型簡化，來方便研究對應(yīng)的探地雷達響應(yīng)規(guī)律，基于這些認識規(guī)律來指導現(xiàn)場巖體內(nèi)部裂隙的解譯。

三峽庫區(qū)巫峽巖溶岸坡廣泛分布，孔隙、裂隙、溶隙和溶洞等不連續(xù)介質(zhì)不同程度地發(fā)育。本文選擇三峽庫區(qū)巫山縣青石水文站典型順向巖溶岸坡作為探地雷達探測巖體內(nèi)部裂隙的研究區(qū)域(圖1)。2008年以來，庫水位在145m到175m之間周期性漲落，消落帶巖體在高頻次的溫度循環(huán)、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、庫水溶蝕掏蝕作用下發(fā)生巖體質(zhì)量劣化，使得裂隙的擴張速度加劇，嚴重影響了庫岸淺表層斜坡的穩(wěn)定性。

圖1 三峽庫區(qū)巫山縣青石水文站巖溶岸坡巖體裂隙照片

調(diào)查顯示，水文站斜坡坡度約為45°，巖體劣化類型為裂隙擴張型。該處巖體壁面比較平整，大大小小裂隙縱橫交叉分布，裂隙延伸最長的可達30m。主要發(fā)育著3組裂隙：第1組裂隙的產(chǎn)狀約為55°∠50°； 第2組裂隙的產(chǎn)狀約325°∠75°，與第1組裂隙的走向近似正交，且第1組和第2組裂隙面近似垂直于巖體表面； 第3組裂隙的產(chǎn)狀約為235°∠45°，其走向與江水流動方向平行，且為順向坡近似平行于巖體表面的薄層層間脫空裂隙，薄層灰?guī)r的平均厚度約為20cm。裂隙內(nèi)部空間有的張開，部分被黏土或巖屑物質(zhì)充填。大于10cm寬度的裂隙相對較少，厘米級寬度的中等裂隙比較發(fā)育，毫米級及以下寬度級別的裂隙廣泛分布。從巖體露頭發(fā)現(xiàn)，有的裂隙深度跨越多個薄層。

圖1中紅色虛框內(nèi)巖體區(qū)域為具體的調(diào)查與測試區(qū)。該區(qū)巖體裂隙基本組成單元為紫色實線所示的單條裂隙模型。為了探討裂隙的寬度、長度和埋深等對探地雷達回波信號的影響，設(shè)計了如圖2所示的二維簡化地質(zhì)模型(與圖1中的測線O-O′對應(yīng))。該簡化模型不考慮裂隙形態(tài)的不規(guī)則性、多條裂隙及其交叉、充填介質(zhì)狀態(tài)、巖體表面的起伏粗糙不平等因素。根據(jù)調(diào)查測試區(qū)，設(shè)計地質(zhì)模型大小為1.62m×0.65m，由圍巖和裂隙兩部分組成，包括兩層介質(zhì)：上層為空氣介質(zhì)，相對介電常數(shù)為1； 下層為灰?guī)r介質(zhì)，相對介電常數(shù)約為7?；?guī)r介質(zhì)中含有一張開裂隙(空氣填充)，該裂隙用一規(guī)則的矩形來模擬。在巖體表面布置雷達測線時，盡量使得探地雷達的縱測線和橫測線的走向與圖1中第1組裂隙和第2組裂隙的走向互相垂直，此時兩組裂隙就可簡化為圖2中的二維裂隙地質(zhì)模型，且裂隙的寬度遠小于裂隙的埋深，可用一水平方向較窄、深度方向較長的矩形來模擬； 由于第3組裂隙面平行于巖體表面，當簡化為圖2中二維裂隙地質(zhì)模型時，可用一水平方向較長、深度方向較薄的矩形來模擬。

圖2 灰?guī)r內(nèi)部裂隙地質(zhì)模型

2 理論分析

下面基于探地雷達技術(shù)，從理論上來研究雷達回波剖面中裂隙對應(yīng)的時距曲線形態(tài)特征。

假設(shè)裂隙介質(zhì)的寬度變化對雷達回波的影響可以忽略，裂隙的頂端或底端可視為一點狀異物。如圖3所示，D為裂隙頂端或底端端點，S為探地雷達電磁波發(fā)射天線、R為接收天線，P為發(fā)射-接收天線的中點，O′為裂隙端點在地面的投影，設(shè)P到O′的距離為x，發(fā)射-接收天線的距離為d， D到O′的距離為h。當發(fā)射-接收天線一起沿巖體表面向前移動(或距離x變化)時，研究接收天線雷達回波的初至波到達時間t的變化，即時距曲線關(guān)系。

圖3 雷達發(fā)射-接收天線距離固定時裂隙介質(zhì)端點D的散射波時距曲線

雷達電磁波從發(fā)射天線出發(fā)傳播到裂隙端點再傳播到接收天線總共經(jīng)歷的傳播時間tP

(1)

式中：tSD為S點到D點的傳播時間；tDR為D點到R點的傳播時間；v為波在灰?guī)r介質(zhì)中的傳播速度； 當發(fā)射-接收天線的長度d相對x很小或完全重合時，即d≈0，由式(1)可推導出雷達回波對應(yīng)的時距曲線將變成一條標準的雙曲線：

(2)

式(2)說明裂隙頂端點和底端點對應(yīng)的雷達回波曲線可視為或近似視為一條雙曲線，這可以用來作為識別巖溶裂隙及其頂端和底端的標志。

裂縫對探地雷達響應(yīng)的理論曲線適用于裂隙寬度很窄、入射波為高頻率平面波、單位脈沖信號情形。實際的雷達子波信號往往為具有一定持續(xù)時間且頻率為帶限信號、入射波為球面波、裂隙寬度會發(fā)生較大變化、裂隙的充填介質(zhì)也不相同、介質(zhì)的吸收導致能量損耗以及球面擴散能量衰減、波的干涉疊加等，這時候就需要使用數(shù)值模擬來研究巖溶裂隙的雷達回波響應(yīng)規(guī)律。

3 數(shù)值分析

利用二維電磁波麥克斯韋方程組，采用數(shù)值模擬研究巖溶裂隙介質(zhì)簡化模型的探地雷達響應(yīng)規(guī)律。

(3)

式中：Ey、Hx和Hz分別為電場強度的y分量、磁場強度的x分量和z分量；ε、σ和μ分別為介電常數(shù)、電導率和磁導率；Jy為激勵電流源。式(3)為電場強度和磁場強度關(guān)于時間和空間變量的一階偏導數(shù)方程組，基于C語言編程，使用二階差分來逼近時間偏導數(shù)、高階有限差分來逼近空間偏導數(shù)，通過時間步長變化來顯式遞推模擬電磁波在巖溶巖體中的傳播。

基于圖2建立的巖溶裂隙地質(zhì)模型，在水平x方向上和深度z方向上將模型離散為648×260的均勻正方形網(wǎng)格。灰?guī)r的相對介電常數(shù)設(shè)置為7，空氣的相對介電常數(shù)為1，裂隙的相對介電常數(shù)也設(shè)為1。網(wǎng)格水平方向和豎直方向的間距為0.0025m； 模擬時間步長為0.0002ns，模擬時間總長為18ns，采用900MHz主頻的雷克子波作為震源； 采用PML吸收邊界條件來衰減吸收模型截斷邊界處引起的虛假反射； 發(fā)射天線和接收天線的距離為0.02m，發(fā)射天線和接收天線每次一起向前移動距離為0.02m，總共移動72次產(chǎn)生72道雷達回波記錄(電場強度Ey)成一個雷達回波剖面。發(fā)射-接收天線每移動一次都需要重新進行一次正演模擬。

改變圖2模型中裂隙的寬度、長度、埋深，就可以通過數(shù)值模擬形成不同的雷達回波剖面，來研究裂隙變化時探地雷達回波對應(yīng)的響應(yīng)規(guī)律。通過數(shù)值模擬得到的探地雷達剖面與現(xiàn)場實際采集到的雷達剖面相似，區(qū)別是前者的介質(zhì)情況比較理想、沒有考慮到采集儀器和環(huán)境的影響。

3.1 長度的影響

保持裂隙的頂端位置不變，圖4給出了改變裂隙的長度為30cm和70cm時對應(yīng)的探地雷達剖面。從圖中可以看出，裂隙頂端的雷達回波響應(yīng)時距曲線形態(tài)為一雙曲線形態(tài)，其中間能量強而兩端能量弱； 裂隙底端的雷達回波響應(yīng)時距曲線也近似具有雙曲線形態(tài)，其兩端能量強而中間能量弱，裂隙長度越長，雙曲線的能量越弱。

圖4 不同長度裂隙模型的探地雷達數(shù)值模擬剖面

根據(jù)式(1)，裂隙底端和頂端的雷達回波響應(yīng)雙曲線的頂點(x=0)時間差為：

(4)

式中：l為裂隙的長度；h為裂縫的頂端埋深。如果不考慮發(fā)射天線和接收天線的距離d(≈0)，由式(4)整理，可得：

l=0.5υΔt

(5)

即裂隙的長度l與頂端和底端對應(yīng)雙曲線的頂點時差Δt比。如果預先知道灰?guī)r介質(zhì)電磁波速度v，在圖上判讀出兩條雙曲線頂點的傳播時差，就可以用來確定裂隙長度l。由于裂隙底端對應(yīng)雷達回波雙曲線的頂點能量最弱，可能導致實際工作中難于定位裂隙底端位置，導致裂隙的長度很難確定。

另外，根據(jù)裂隙頂端對應(yīng)的雷達回波雙曲線頂點走時tP確定頂端埋深h為：

h=0.5υtP

(6)

式(6)表明，裂隙頂端對應(yīng)的垂直方向傳播時間與其埋深成正比。裂隙底端的情形也具有相同的規(guī)律。因此，可以將探地雷達時間剖面方便地轉(zhuǎn)換為探地雷達深度剖面，只需將時間軸坐標值乘以灰?guī)r介質(zhì)電磁波傳播速度的一半即可。

3.2 寬度的影響

設(shè)置垂直裂隙的寬度為0.25cm、0.5cm、1cm、2～27cm(依次遞增1cm)、28cm、30cm、32cm、36cm，裂隙的長度皆為20cm，裂隙的頂端埋深皆為10cm進行了數(shù)值模擬試驗，共得到了32個雷達回波剖面。

選取了其中6個典型雷達剖面，裂隙寬度分別對應(yīng)于0.25cm、4cm、8cm、18cm、24cm、36cm(圖5)，來展示寬度變化時雷達回波響應(yīng)規(guī)律。由于直達電磁波的能量很強，為了便于觀察結(jié)果每個剖面中皆消除了直達波信號。根據(jù)前面理論分析，雷達回波擬雙曲線的頂點對應(yīng)于裂隙端點(頂端或底端)位置，將裂隙使用白色的矩形標識在雷達回波剖面上。為了直觀比較不同情形下雷達回波振幅的強弱，圖5中色標的最大值對應(yīng)雷達回波電場強度振幅的最大值。

圖5 不同寬度裂隙模型的探地雷達數(shù)值模擬剖面

首先從圖5來觀看裂隙頂端對應(yīng)的雷達回波曲線形態(tài)。當裂隙寬度較小(圖5a、圖5b和圖5c情形)時，裂隙頂端左邊緣和右邊緣對應(yīng)的雙曲線重合，當裂隙寬度逐漸增大時裂隙頂端對應(yīng)的雙曲線頂點能量逐漸增強和增大，色標最大值分別為5、83、200。當裂隙寬度較大(圖5d、圖5e和圖5f情形)時，隨著裂隙寬度增加裂隙頂端左邊緣和右邊緣對應(yīng)的雙曲線開始拉開一段水平距離并逐漸增長，色標最大值分別為350、330、330。進一步可發(fā)現(xiàn)兩支雙曲線頂點之間的距離與裂隙的寬度基本重合，利用這點可以從雷達剖面上近似計算較大裂隙的寬度。

圖6顯示的是裂隙頂端對應(yīng)雙曲線雷達回波總的最大振幅、裂隙頂端中點雷達回波最大振幅。兩者的共同規(guī)律是：振幅先增大到一最大值后減小趨近于一常數(shù)。大致可分為4個階段：(1)線性變化階段。裂隙寬度從0cm到15cm； (2)上彎階段。裂隙寬度從15cm到18cm； (3)下彎階段； (4)平臺階段。結(jié)合圖5，可以看出，當裂隙寬度小于15cm時，裂隙寬度與振幅的變化近似為線性關(guān)系，裂隙寬度越大對應(yīng)的振幅就越強，適用于垂直的細長裂隙情形； 當裂隙的寬度大于約22cm后，裂隙的寬度可直接在雷達剖面上通過判斷雙峰雙曲線之間的平臺寬度計算出來?？梢?，裂隙寬度的變化與探地雷達回波響應(yīng)的最大振幅之間有著密切的聯(lián)系。

圖6 垂直裂隙雷達回波最大振幅與裂隙寬度的關(guān)系

3.3 傾角的影響

設(shè)置裂隙的傾角依次遞減18°，分別為90°、72°、54°、36°、18°、0°共6個模型，裂隙的長度為40cm、寬度為2cm、頂端埋深為20cm。圖7給出了傾角變化時裂隙的探地雷達響應(yīng)特征。從圖7a、圖7b和圖7c可以看出，對于傾角較大的裂隙，裂隙的頂端點和底端點可以根據(jù)雙曲線的頂點來確定，但是傾角越大，裂隙底端點對應(yīng)雙曲線頂點的雷達回波能量越小，導致很難準確定位裂隙底端點空間位置。從圖7d、圖7e和圖7f可以看出，對于傾角較小的裂隙，雷達剖面上的強能量團方向具有和裂隙傾角一致的趨勢，傾角越小、強能量團與真實裂隙的重合程度越高。比較可以看出，傾角越小、裂隙的形態(tài)特別是長度越容易確定； 傾角越大、根據(jù)典型的雙曲線形態(tài)容易識別地質(zhì)異常可能為一垂直裂隙。

圖7 不同傾角裂隙模型的探地雷達數(shù)值模擬剖面

4 現(xiàn)場測試

4.1 宏觀巖體裂隙探測

使用探地雷達對水庫區(qū)消落帶巖體裂隙進行檢測，需要解決的問題主要有：雷達天線主頻的選擇、數(shù)據(jù)采集環(huán)境的搭建、測線的布置、巖體表面起伏對采集數(shù)據(jù)的影響等。不同天線的主頻對裂縫的寬度、埋深的探測靈敏度不同； 雷達天線主頻越低，雷達體積就越大，在陡峭岸坡上就越難移動，同時需要平整的檢測面積就越大。通過試用不同的雷達天線，發(fā)現(xiàn)900MHz的天線最適用。由于岸坡陡峭，坡角常大于45°導致采集人員無法站立或行走在巖體表面，解決辦法是在采集區(qū)域上方固定安全繩和人員站立的地方預先向巖體中打入小錨桿。將雷達測線的方向盡量布置與主要的裂隙延伸方向垂直，此時接收來自裂隙反射面的雷達波能量最強。巖體表面的起伏不平常常導致雷達小車的車輪停止轉(zhuǎn)動或上下顛簸導致雷達數(shù)據(jù)采集質(zhì)量變差，為了方便測距輪能在巖體表面滾動，在雷達小車下方墊上較薄的塑料布，雷達小車在墊布中央行進。具體采集數(shù)據(jù)時，需要一人操作雷達主機、一人將墊布固定在巖體表面、兩人配合雷達小車走過較長的測線距離。與前人工作最大的不同，就是如何解決復雜地質(zhì)環(huán)境下雷達數(shù)據(jù)的采集。當雷達數(shù)據(jù)采集完畢，就可以采用常規(guī)的雷達處理和解釋軟件來對裂隙進行識別和判定。

我們使用中國電波傳播研究所生產(chǎn)的LTD-X1探地雷達系統(tǒng)、選用900MHz主頻的雷達天線，對青石水文站巖溶庫岸典型灰?guī)r裂隙體進行了探測。如圖8所示，共布置了9條縱測線(數(shù)字“1”到“9”表示)、16條橫測線(字母“A”到“P”表示)，縱橫測線形成的小方格(紅色虛線單元矩形)邊長為30cm，共計長4.8m、寬2.7m的探測區(qū)域。將探測系統(tǒng)的原點放在圖8的左下角，水平方向為X方向，其正交方向為Y方向，垂直巖體表面向內(nèi)為Z方向。

圖8 青石水文站岸坡巖體探地雷達測線布置

圖9給出了第6條縱測線(6A-6P)對應(yīng)的探地雷達剖面，在Y方向上分布著至少7條厘米級的裂隙。在圖9a的原始數(shù)據(jù)剖面中，存在著兩種曲線形態(tài)：一種為雙曲線形態(tài)； 一種為反射同相軸。它們分別對應(yīng)兩種形態(tài)的裂隙、孔洞或結(jié)構(gòu)面：每條雙曲線形態(tài)對應(yīng)一個異常點狀物，可能為細長裂隙的頂端或底端，也可能為一個孤立的小型孔洞； 反射同相軸可能對應(yīng)著巖性分界面，包括地面上空氣與巖體表面的接觸面、層理面。如果層理面脫空越嚴重，反射同相軸的能量就越強； 如果層理面脫空時斷時續(xù)，則反射同相軸的連續(xù)性也時斷時續(xù)； 反射波同相軸的長度大致與結(jié)構(gòu)面的長度相同。在Z方向0.8m處和1.4m處，可推斷出層理面的脫空比較斷續(xù)，后期的巖體劣化有可能將這些斷續(xù)的脫空面進行連通。

圖9 圖8中第6條縱測線(6A-6P)的探地雷達檢測剖面

結(jié)合前面數(shù)值模擬的規(guī)律認識，對第6條縱測線的宏觀垂直裂隙、水平層理面進行了推斷解釋(圖9b)。紫色的矩形指示著解釋的垂直裂隙，裂隙的寬度根據(jù)巖體表面裂隙的寬度來量測確定，也可以根據(jù)雙曲線頂點最大振幅與裂隙寬度關(guān)系曲線來解釋。層間脫空裂隙面的解釋使用紅色的虛線連接，能量團的強弱與脫空程度大小有關(guān)系，能量團越強脫空越嚴重。能解釋的宏觀裂隙共有10條，對應(yīng)著巖體表面最寬的10條裂隙，寬度從0.5cm到7cm不等； 有4組層理面發(fā)生了不同程度的脫空，位置在巖體表面以下約0.1m、0.4m、0.85m和1.4m處。

為了能更好地觀測宏觀裂隙在空間的展布，將圖10a中4條綠色的測線所采集的探地雷達剖面進行拼接，形成了圖10b中所示的三維裂隙展布解釋結(jié)果。這4條測線分別是：橫測線6C-6J、橫測線7C-7J、縱測線C6-C7、縱測線J6-J7。所解釋的三維區(qū)域大小為：長0.7～2.6m、寬1.8～2.1m、深度約0～2.8m。解釋結(jié)果表明，在該三維區(qū)域有5條主要垂直裂隙，這與巖體表面分布的裂隙完全一致； 另外還有2個不連續(xù)的層理脫空面，這在地面無法觀測到的，通過探地雷達技術(shù)在巖體表面就能探測到。探地雷達技術(shù)不能精確地刻化巖體內(nèi)部宏觀裂隙的形態(tài)，但是它能有效探測到這些宏觀裂隙的存在和空間分布。

圖10 基于探地雷達剖面解釋的宏觀裂隙三維空間展布

4.2 巖體裂隙擴展監(jiān)測

當巖體內(nèi)部的宏觀裂隙發(fā)生一定程度變化時，在地面上采集的探地雷達剖面也將發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，探地雷達技術(shù)也可用來對巖體的內(nèi)部裂隙擴展進行監(jiān)測。在2018年7月和2018年8月，對前面青石水文站的第7條縱測線剖面對應(yīng)的巖體內(nèi)部宏觀裂隙進行了兩期探地雷達檢測。測線長為1.2m、探測深度為1.5m。從圖11中可以看出：該探測區(qū)域有兩條明顯的垂直裂隙、兩個連續(xù)性較差的脫空層理面； 相隔一年的兩期探地雷達數(shù)據(jù)剖面非常相似，一方面說明在如此短的時間內(nèi)巖體劣化程度并不十分顯著，另一方面也說明了探地雷達技術(shù)的重復性探測保真度較高； 對兩期探地雷達數(shù)據(jù)做差值，其圖像上出現(xiàn)了一些能量團異常，指示著該處的巖性在一年期間內(nèi)發(fā)生了變化，這可能是由裂隙的擴展引起的，也可能是裂隙的充填介質(zhì)發(fā)生了變化。

圖11 兩期探地雷達檢測數(shù)據(jù)的剖面對比

圖12對圖11a和圖11b中Y=0.4m和Y=0.8m的兩期單道數(shù)據(jù)進行了對比。觀察發(fā)現(xiàn)：在Y=0.4m處兩期探地雷達數(shù)據(jù)在多處吻合得不夠好，說明該處深度方向上有些地方的巖性發(fā)生了變化，例如深度Z=1.4m處前后兩期數(shù)據(jù)出現(xiàn)了差異表明該處的層面裂隙的擴展發(fā)生了變化； 在Y=0.8m處，前后兩期的監(jiān)測數(shù)據(jù)重合得比較好，說明該處深度方向上巖性比較均勻、基本上沒有裂隙存在。因此，使用探地雷達技術(shù)來監(jiān)測巖體內(nèi)部宏觀裂隙的顯著變化是可行的。

圖12 兩期探地雷達檢測數(shù)據(jù)的曲線對比

5 討 論

探地雷達的頻率對裂隙的寬度和埋深探測比較敏感。一般來說，大尺度的裂隙主要控制著斜坡的穩(wěn)定性，較小尺度的裂隙主要控制著局部山體或塊體的穩(wěn)定性。在研究的水庫區(qū)消落帶巖溶岸坡上，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：在百米長的岸坡范圍內(nèi)，常發(fā)育著1～3條埋深較大(2m以上)延伸很長(30m以上)的大尺度裂隙，寬度約為幾個厘米； 發(fā)育著眾多埋深較淺(10～50cm)、延伸較短(20cm到200cm)、寬度約為幾個厘米的較小尺度裂隙； 發(fā)育著大量的正在擴張的小裂隙，其寬度遠小于1個厘米，延伸和埋深較短?？梢钥闯?，厘米級寬度的裂隙是比較常見的，其對巖體穩(wěn)定性的影響也是較大的。對于幾個厘米寬的巖體裂隙，試用了1500MHz、900MHz、400MHz等不同頻率的天線。1500MHz天線對裂隙寬度的響應(yīng)最敏感，但是背景噪聲也最大，同時探測深度較淺、約為1.0m。另外， 1500MHz天線對巖體表面微小的起伏非常敏感，產(chǎn)生了很多噪聲干擾。900MHz天線對裂隙寬度響應(yīng)很敏感，背景噪聲較弱，探測深度可以達到1.5m。400MHz的天線已經(jīng)比較笨重難以在野外斜坡上順利操作，而270MHz、100MHz等天線的體積過于笨重無法置于消落帶斜坡上并移動。因此，對于厘米級裂隙的探測， 900MHz的天線是比較合適的選擇。

對于很寬(分米級及以上)的裂隙，嚴重影響著岸坡穩(wěn)定性，這樣的裂隙容易被發(fā)現(xiàn)并做治理，可以使用低頻天線進行埋深探測，關(guān)鍵問題就是解決儀器笨重帶來的在消落帶岸坡上進行數(shù)據(jù)采集的可操作性。對于軟弱夾層，若分布較淺(1.5m以內(nèi))，可使用900MHz雷達天線來探測，若埋藏較深，同樣也涉及到復雜地形環(huán)境對采集工作的制約。除此之外，還需要考慮到操作人員在斜坡面上大距離移動的安全問題。

儀器設(shè)備的性能和配套裝置會對雷達數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。對于某一固定頻率的天線，需要進一步提高其探測深度； 若發(fā)射天線和接收天線可以拆分，就可以調(diào)整收發(fā)天線的距離，將該距離變化作為雷達數(shù)據(jù)的一個維度來增加采集數(shù)據(jù)的維度，將會得到大角度的雷達反射波信息，有助于恢復傾斜裂縫的信息； 將主機接收信號的方式由有線接收提升為無線接收，在野外采集時將會提高效率。在現(xiàn)場陡峭岸坡上進行雷達探測時，采用的是在巖體表面用噴漆將測線位置畫好，雷達天線只能在該測線上行進，結(jié)合測距輪滾過的距離來確定雷達天線的空間位置，這導致了雷達天線的空間位置定位精度較低，特別是遇到起伏不平的巖體表面時將進一步降低了雷達天線的定位精度，而天線定位精度將顯著影響雷達資料的處理和解釋。可以通過在雷達收發(fā)天線上各配置一套激光定位系統(tǒng)來提高雷達收發(fā)天線的空間定位精度。

提高雷達數(shù)據(jù)采集的多樣化將會得到更多的地下介質(zhì)的信息。同時采用多個頻率的天線，將會得到不同探測精度和探測深度的雷達數(shù)據(jù)，但是，探測深度的增加將會降低探測精度、顯著增加雷達天線的體積，采用多套天線還意味著數(shù)據(jù)采集所用時間的成倍增加。將二維采集方式升級為三維采集方式，將能得到巖體內(nèi)部三維空間內(nèi)的裂隙信息，一種方式是將多條二維測線組裝成一個三維測線系統(tǒng)，另一種方式是采用一個天線發(fā)射雷達電磁波、一個天線陣列接收雷達電磁波，也可以將兩種方式結(jié)合來組成三維多方位觀測系統(tǒng)，這將有助于恢復三維空間不規(guī)則的、傾斜的裂縫形態(tài)。但是，這對天線設(shè)計的復雜程度、數(shù)據(jù)采集的效率提出了挑戰(zhàn)。

雷達數(shù)據(jù)處理可以進一步地提高裂縫形態(tài)的識別程度。裂縫的端點信息在雷達數(shù)據(jù)剖面上表現(xiàn)為雙曲線形態(tài)，多個端點的雙曲線將相互疊加相互干涉導致裂縫端點識別困難。裂縫傾角越大，在雷達剖面上裂縫內(nèi)部的信息損失越多。可以借鑒地震資料處理中偏移成像技術(shù)，將雙曲線形態(tài)收斂為一個點、將傾斜的裂縫界面準確歸位，但是，如何獲取好的偏移電磁波速度來進行成像有較大難度，否則會顯著影響裂縫形態(tài)的恢復。除此之外，雷達波衰減能量的恢復、去除多種噪聲等技術(shù)也需進一步提高。

雷達數(shù)據(jù)解釋將有助于恢復巖體內(nèi)部的巖性參數(shù)。通過雷達數(shù)據(jù)處理，裂縫的形態(tài)在一定程度上被恢復出來，但是，恢復的裂縫端點信息將是一個具有時間長度的雷達子波信號、巖體內(nèi)部介質(zhì)的巖性參數(shù)并沒被恢復出來。例如，可以通過子波反褶積技術(shù)消除雷達子波的影響、近似恢復裂縫分界面的反射系數(shù)，也可以通過全波形反演技術(shù)直接恢復巖體內(nèi)部的相對介電常數(shù)、電導率等信息。但是，這些技術(shù)的應(yīng)用都是建立前期雷達數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量、處理質(zhì)量之上的，目前成熟應(yīng)用還受到很多限制。

如果能從儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)解釋等方面進行提高，就有可能更高效、更好地展示巖體內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)的分布及其擴展變化。

6 結(jié) 論

本文針對三峽庫區(qū)巖溶岸坡消落帶巖溶巖體內(nèi)部宏觀裂隙擴展的探測問題，基于探地雷達探測技術(shù)，將復雜的現(xiàn)場裂隙概化為矩形裂隙地質(zhì)模型，使用理論分析和數(shù)值模擬技術(shù)研究了裂隙的形態(tài)與探地雷達數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和規(guī)律，并將該規(guī)律用于指導現(xiàn)場巖溶巖體裂隙的探測和裂隙擴展的監(jiān)測，得到了以下的主要結(jié)論：

(1)在陡峭的斜坡上搭建適宜的采集環(huán)境、針對厘米級的優(yōu)勢裂隙采用900MHz的天線頻率，將探地雷達技術(shù)應(yīng)用到水庫區(qū)消落帶巖溶巖體內(nèi)部裂隙的檢測和監(jiān)測是可行的，為調(diào)查和研究巖體內(nèi)部裂隙的擴展規(guī)律提供了一種有效的手段。

(2)探地雷達技術(shù)可以在不破壞巖體的情形下，有效探測巖體內(nèi)部宏觀裂隙的分布。對于近似垂直的裂隙，通過雙曲線形態(tài)可以較好識別出裂隙頂端，但是大量干擾和雷達波能量衰減導致裂隙底端難于識別； 對于層理脫空形成的水平裂隙，從探地雷達云圖上可以較好識別。由于裂隙形態(tài)的不規(guī)則使得雷達剖面上的雙曲線形態(tài)畸變和能量團分布不均衡，導致很難刻畫裂隙形態(tài)。利用多期雷達數(shù)據(jù)，比較雷達波能量團強弱和有無的變化，可以監(jiān)測宏觀裂隙擴展。

(3)為了使探地雷達技術(shù)更好地探測和監(jiān)測巖體內(nèi)部宏觀裂隙的擴展，需要從儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、處理和解釋等4個方面來加強。例如，可采用高密度的測線網(wǎng)來實現(xiàn)三維空間裂隙的探測； 提高雷達波發(fā)射位置和接收位置的定位精度； 借鑒地震資料處理技術(shù)中的高精度偏移成像技術(shù)和全波形反演技術(shù)等，來準確恢復巖體內(nèi)部空間復雜裂隙的形態(tài)和充填介質(zhì)屬性。