孫彩霞

(山東省德州市樂陵市水利局,山東 樂陵 253600)

0 引言

地質(zhì)雷達方法具有測試速度快、高精度、低成本、非開挖和可大面積探測的優(yōu)點,在巖土工程勘察中取得了廣泛的應(yīng)用[1]。地質(zhì)雷達法通常應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報和巖溶地質(zhì)條件下的巖土工程探測,在測試方法以及應(yīng)用效果上都十分成熟,而且取得了大量的研究成果[2]。而將其應(yīng)用于水利水電工程的探測實例較少,特別是針對壩基工程中巖體的斷層破碎帶和錯動帶的巖土工程勘測解譯,更是鮮見報道[3-4]。本文嘗試將地質(zhì)雷達方法應(yīng)用于實際的高拱壩壩基巖土工程勘測,分析壩基不良地質(zhì)體的電磁波響應(yīng)特征,以研究地質(zhì)雷達在水利水電地地質(zhì)體探測中的應(yīng)用效果。

1 地質(zhì)雷達方法的基本原理

地質(zhì)雷達方法作為最為重要的工程地質(zhì)探測方法之一,其探測的基本原理是利用各個地質(zhì)體之間存在介電常數(shù)的差異,通過發(fā)射天線向土體內(nèi)發(fā)射電磁波,電磁波在土體的傳播過程中,受到地質(zhì)體的導(dǎo)電特性的影響,在傳播速度上的發(fā)生不同程度的改變,同時電場波的振幅也會呈現(xiàn)不同程度的衰減,當(dāng)接收天線采集經(jīng)過地質(zhì)體反射的電磁波后,可以分析電場波在地質(zhì)體內(nèi)的波動規(guī)律以及時空分布特征,進而探明地質(zhì)體的分布情況。地質(zhì)雷達發(fā)射的電磁波在土體中的傳播服從麥克斯韋波動方程,具體可以描述為電磁場強的偏微分方程,如公式(1)所示。

(1)

式中:E為電磁波的場強,N/C,▽為算子,t為時間,s,σ為電磁常數(shù),μ為泊松比,ε為介電常數(shù)。

對于高頻電磁波信號,它在地下土體中的傳播規(guī)律具有明顯的大位移電流特征,因此在上述公式(1)中右側(cè)第一項可以忽略,由此可以簡化得到公式(2)

(2)

式中:v為電磁波波度,m/s。

由此可以求解得到電磁波的速度如公式(3)所示。

(3)

式中:c為光速(電磁波在真空中的傳播速度)m/s;εr為相對介電常數(shù)。

同樣地,可以利用公式(2)求解得到電磁波的場強表達式,如公式(4)～公式(6)所示。

E=E(z,t)=E0e-βzei(wt-αz)

(4)

(5)

(6)

式中:α為相位系數(shù),z為電磁波的傳播方向,t為傳播時間,s,w為傳播頻率,β為電磁波的衰減系數(shù),i為虛數(shù),E0為初始電磁波場強振幅。

2 工程概況

某水利工程位于高山峽谷中部,壩址區(qū)域內(nèi)山體陡峭,左岸斜坡坡向為SE,坡度達到50°～60°,右岸坡度以陡坡為主,坡度變化范圍為50°～70°,發(fā)育一組巖層面,走向為N50°E,傾角為SE,傾角約20°,兩岸坡體內(nèi)植被均較少。壩址區(qū)受到的地震作用強烈,存在著多種地質(zhì)構(gòu)造,比如斷層、層間錯動帶和構(gòu)造裂隙燈,大壩壩址左岸揭露的斷層主要有3條,分別為f9、f15和f20,而右岸揭露的斷層主要有2條,分別為f9和f15。在壩面上可以清晰地識別基巖體內(nèi)的層間錯動帶,在大壩壩基左岸存在較大的層間錯動帶主要有2條,分別為K3和K5-1,而右岸存在著1條較大的錯動帶,即KS675,這些錯動帶在基巖巖石,不同程度地切割著巖體,影響著巖體的完整性。

3 地質(zhì)雷達響應(yīng)特征

為了更好地探測和識別大壩壩基中的斷層破碎帶和錯動帶,運用FDTD時域有限差分方法建立斷層破碎帶和錯動帶的二維正演模型,選定的模擬軟件為GPRMAX V2.0程序。通過設(shè)定不同的介質(zhì)體之間的電性參數(shù)區(qū)別不同的地質(zhì)體,并計算電磁波在模型中的傳播過程,識別斷層破碎帶和錯動帶的電磁波響應(yīng)特征,以便在采集的地質(zhì)雷達圖像中,更好地識別和解譯這些不良地質(zhì)現(xiàn)象。計算時,為節(jié)約計算時間,減小數(shù)據(jù)的存儲量,按照等比例縮小的原則,將模型的整體尺寸設(shè)定為10 m×10 m,地質(zhì)雷達的發(fā)射天線為100 MHz天線,接收天線也為100 MHz天線,拾取的時間窗口為100 ns,雷達天線間隔50 cm采集一次數(shù)據(jù)。

根據(jù)對大壩壩址區(qū)巖性的物理性質(zhì)的測定,各種物性之間存在較大差異,為地質(zhì)雷達的有效探測提供良好的基礎(chǔ)。經(jīng)過測定,空氣的相對節(jié)點常數(shù)取為1.0,電導(dǎo)率取為0.0 S/m,相對磁導(dǎo)率取為1.0;干燥玄武巖的相對節(jié)點常數(shù)取為4.0,電導(dǎo)率取為10-9S/m,相對磁導(dǎo)率取為1.0;斷層泥的相對節(jié)點常數(shù)取為15.0,電導(dǎo)率取為0.1 S/m,相對磁導(dǎo)率取為1.0;破碎巖體的相對節(jié)點常數(shù)取為8.0,電導(dǎo)率取為0.02 S/m,相對磁導(dǎo)率取為1.0。

圖1為斷層破碎帶為水平發(fā)育時的地質(zhì)雷達計算模型和正演計算結(jié)果。從圖中可以看出,當(dāng)斷層填充斷層泥為水平發(fā)育時,其采集的到的反射信號也呈水平狀,且存在3條同相軸,反射信號的同相軸序列為正反射-負(fù)反射-正反射,同相軸峰值出現(xiàn)的時間分別為58 ns、61 ns和64 ns,且正反射和負(fù)反射同相軸的能量較強,而64 ns位置處的正反射同相軸的能力相對較弱。

圖1 斷層破碎帶水平發(fā)育時的地質(zhì)雷達計算模型和正演計算結(jié)果

圖2為斷層破碎帶為傾斜發(fā)育時的地質(zhì)雷達計算模型和正演計算結(jié)果。從圖中可以看出,當(dāng)斷層填充斷層泥為傾斜發(fā)育時,其采集的到的反射信號也呈相同角度的傾斜狀態(tài),且存在3條同相軸,反射信號的同相軸序列為正反射-負(fù)反射-正反射,正反射和負(fù)反射同相軸的能量較強,負(fù)反射信號后的正反射同相軸的能力相對較弱。

圖2 斷層破碎帶傾斜發(fā)育時的地質(zhì)雷達計算模型和正演計算結(jié)果

一般而言,斷層破碎帶及錯動帶有伴生現(xiàn)象,在斷層發(fā)育的兩側(cè)完整巖體中受構(gòu)造作用存在破碎的巖體。圖3為水平發(fā)育時斷層破碎帶及錯動帶的地質(zhì)雷達計算模型和正演計算結(jié)果。從圖中可以看出,當(dāng)水平泥質(zhì)土斷層兩側(cè)發(fā)育破碎巖體時,其采集的到的反射信號也呈水平狀,且存在4條同相軸,反射信號的同相軸序列為正反射-負(fù)反射-正反射-負(fù)反射,同相軸峰值出現(xiàn)的時間分別為54 ns、57 ns、60 ns和63 ns,同相軸的能量從上之下依次減弱。

圖3 斷層破碎帶及錯動帶水平發(fā)育時的地質(zhì)雷達計算模型和正演計算結(jié)果

綜合以上分析表明,地質(zhì)雷達的正演電磁波圖像能夠能很好地反映不同地質(zhì)體的物性差異,利用電磁波同相軸可以追蹤定位斷層破碎帶和錯動帶的空間分布;斷層破碎帶和錯動帶的電磁波同相軸變化與地層的走向一致,斷層破碎帶的電磁波同相軸響應(yīng)特征與錯動帶的同相軸響應(yīng)特征存在一定的差異,為利用地質(zhì)雷達在不良地質(zhì)體的探測中提供了正演對照。

4 地質(zhì)雷達探測結(jié)果

結(jié)合斷層破碎帶以及錯動帶的地質(zhì)雷達方法正演結(jié)果,對壩址區(qū)的斷層破碎帶及錯動帶進行測線布置,以探明大壩壩址左岸揭露的3條斷層(f9、f15和f20)、右岸揭露的2條斷層(f9和f15)以及大壩壩基左岸2條層間錯動帶(K3和K5-1)、右岸1條層間錯動帶(KS675)的走向、埋深和空間分布。表1為斷層破碎帶以及錯動帶的地質(zhì)雷達法探測結(jié)果。從表1中可以看出,左岸的f9斷層破碎帶深度在0.12～10.66 m范圍內(nèi)變化,隨著探測方向呈不斷減小的變化趨勢;左岸的f15斷層破碎帶深度在0.45～9.30 m范圍內(nèi)變化,隨著探測方向則呈不斷增加的變化趨勢;左岸的f20斷層破碎帶深度在4.21～8.98 m范圍內(nèi)變化,隨著探測方向則呈不斷減小的變化趨勢;右岸的f9斷層破碎帶深度相對于左岸的f9斷層破碎帶深度較大且變化趨勢也相反,深度在6.47～20.88 m范圍內(nèi)變化,隨著探測方向呈不斷增加的變化趨勢;右岸的f15斷層破碎帶深度相對于左岸的f15斷層破碎帶深度較大且變化趨勢也相反,深度在3.13～9.94 m范圍內(nèi)變化,隨著探測方向則呈不斷減小的變化趨勢。K3錯動帶深度隨探測方向不斷減小,深度在0.58～13.55 m范圍內(nèi)變化;K5-1錯動帶深度隨探測方向不斷增加,深度在5.32～18.67 m范圍內(nèi)變化;KS675錯動帶深度隨探測方向不斷增加,深度在3.08～8.36 m范圍內(nèi)變化。

表1 斷層破碎帶以及錯動帶的地質(zhì)雷達法探測結(jié)果 m

5 結(jié)語

以某高拱壩壩基巖土工程勘察為研究對象,運用地質(zhì)雷達探測技術(shù)對壩基內(nèi)的電磁波數(shù)據(jù)進行實測分析,得到以下結(jié)論:

(1)地質(zhì)雷達的正演電磁波圖像可以追蹤定位斷層破碎帶和錯動帶的空間分布;斷層破碎帶和錯動帶的電磁波同相軸變化與地層的走向一致,斷層破碎帶的電磁波同相軸響應(yīng)特征與錯動帶的同相軸響應(yīng)特征存在一定的差異;

(2)基于地質(zhì)雷達法探明了左岸揭露的3條斷層(f9、f15和f20)、右岸揭露的2條斷層(f9和f15)以及大壩壩基左岸2條層間錯動帶(K3和K5-1)、右岸1條層間錯動帶(KS675)的走向、埋深和空間分布。