探测雷达技术在水工环地质勘察中的应用

一、水工环地质勘察工作综述

水工环地质勘察涵盖了水资源、工程建筑和地质环境等多个方面，其核心任务是全面、准确地获取与这些领域相关的地质信息。在水资源勘察方面，重点在于查明地下水的赋存条件，包括含水层的分布范围、厚度、埋深以及地下水的补给、径流和排泄条件等；同时，还需对地下水的水量、水质进行评价，为水资源的合理开发利用和保护提供科学依据。工程地质勘察则主要围绕工程建设场地展开，评估场地的稳定性和适宜性，查明地基岩土体的性质、结构、承载力等工程地质条件，为建筑物的设计和施工提供可靠的地质参数，确保工程建设的安全性和经济性。地质环境勘察聚焦于地质灾害的监测与防治以及生态环境的保护，通过对地质环境的动态监测，及时发现潜在的地质灾害隐患，如滑坡、泥石流、地面沉降等，并采取有效的防治措施；同时，评估人类活动对地质环境的影响，为生态环境的修复和保护提供决策支持。

然而，当前水工环地质勘察工作面临着诸多严峻问题。地质条件的复杂性是首要挑战，不同地区的地质构造、岩性特征差异巨大，使得勘察工作难以采用统一的标准和方法进行。例如，在山区进行勘察时，可能会遇到陡峭的地形、复杂的地层结构和频繁的地质构造活动；而在平原地区，则可能面临深厚覆盖层、软土等特殊地质问题。这些复杂的地质条件增加了勘察的难度和不确定性，对勘察技术的精度和适应性提出了更高要求。此外，传统勘察方法的局限性也日益凸显。钻探方法虽然能够直接获取地下岩芯样本，为地质分析提供详实的资料，但该方法成本高昂、周期漫长，且对场地有一定的破坏性，在某些环境敏感区域的应用受到限制。物探方法具有非破坏性的优点，但在复杂地质条件下，其解释结果往往存在多解性，难以准确确定地下地质体的真实情况。

二、水工环地质勘察技术

2.1 电法技术

电法技术是基于地下介质电性差异，通过观测和研究天然或人工电场、电磁场的变化规律来探测地下地质结构的一种有效方法。常见的电法技术包括电阻率法、激发极化法等。电阻率法通过向地下供入电流，测量不同位置的电位差，进而计算出地下介质的电阻率分布。由于不同地质体的电阻率存在显著差异，例如，金属矿体的电阻率通常较低，而花岗岩等岩石的电阻率较高，因此可以利用电阻率法来圈定地下岩土体的分布范围和边界。在地下水勘察中，含水层与隔水层的电阻率差异明显，通过电阻率法可以大致确定含水层的位置和厚度。激发极化法则是在人工电场的作用下，研究地下介质的极化特性。当地下存在具有激电效应的地质体，如金属矿、石墨等，在断电后会产生二次电场，通过测量二次电场的衰减特性，可以探测这些特殊地质体的存在和分布。电法技术具有设备相对简单、成本较低、对低阻体敏感等优点，在矿产资源勘探、地下水勘察等领域得到了广泛应用。然而，该方法也存在一定的局限性。地形起伏、电极极化等因素会对测量结果产生较大影响，导致数据解释的准确性下降。在复杂地质条件下，由于多种地质体的电性差异相互干扰，电法技术的解释结果可能存在多解性，需要结合其他地质资料进行综合分析。

2.2 RTK 技术

RTK（Real - Time Kinematic）技术即实时动态差分定位技术，是一种基于载波相位观测值的实时动态定位技术。它能够在野外实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，精度可达到厘米级。RTK 技术的工作原理是在基准站上设置一台 GPS 接收机，对所有可见GPS 卫星进行连续观测，并通过无线电数据链实时将其观测值和站点坐标信息传送给流动站。流动站上的 GPS 接收机在接收 GPS 卫星信号的同时，通过无线电接收设备接收基准站传输的数据，然后在系统内组成差分观测值进行实时处理，瞬间给出厘米级精度的定位结果。在水工环地质勘察中，RTK 技术主要用于地形测量、工程放样等方面。例如，在工程建设场地测量中，利用 RTK 技术可以快速准确地获取地形点的坐标和高程，绘制高精度的地形图，为工程设计和施工提供基础数据。与传统的测量方法相比，RTK 技术具有定位精度高、作业效率高、实时性强等显著优点。它能够在短时间内完成大面积的地形测量任务，大大缩短了测量周期，提高了工作效率。然而，RTK 技术的作业范围受基准站信号覆盖范围的限制，在远离基准站的区域，定位精度会受到影响。

2.3 RS 技术

RS（Remote Sensing）技术即遥感技术，是指从高空或外层空间接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并通过对这些信息进行扫描、摄影、传输和处理，从而对地表各类地物和现象进行远距离探测和识别的综合技术。遥感技术利用不同地物对电磁波的不同反射和辐射特性，通过传感器获取地物的电磁波信息，并将其转换为数字图像或信号进行处理和分析。在水工环地质勘察中，RS 技术具有广泛的应用。在地质灾害监测方面，通过卫星遥感影像可以实时监测滑坡、泥石流等地质灾害的发育情况和动态变化。利用多时相遥感影像的对比分析，可以及时发现地质灾害体的变形迹象，评估灾害的潜在危险性，为地质灾害的预警和防治提供科学依据。在水资源调查中，RS 技术可以识别地表水体、植被覆盖等信息，通过分析植被指数和水体指数等参数，估算区域水资源的分布和变化情况。此外，RS 技术还可用于环境变化监测，如土地利用变化、城市扩张等，为生态环境保护和规划提供数据支持。RS 技术具有监测范围广、速度快、信息丰富等优点，能够快速获取大面积的地表信息，为水工环地质勘察提供宏观、全面的数据。然而，遥感影像的分辨率和解读精度受传感器性能、大气条件等因素影响。对于一些细微的地质现象，如小型地质灾害体、地下地质结构等，遥感影像可能难以准确识别，需要结合地面调查和其他勘察方法进行验证和补充。

三、探测雷达技术在水工环地质勘测中的应用

3.1 探测雷达技术原理及系统构成

探测雷达技术基于电磁波的反射原理。雷达系统向地下发射高频电磁波，当电磁波在地下传播过程中遇到不同电性介质的分界面时，会发生反射和折射现象。反射波返回地面被雷达天线接收，通过分析反射波的旅行时间、振幅、频率等信息，可以推断地下介质的结构和性质。电磁波在地下介质中的传播速度与介质的介电常数和磁导率有关，不同地质体具有不同的介电常数和磁导率，因此电磁波在不同地质体中的传播速度存在差异。通过测量反射波的旅行时间，结合电磁波在介质中的传播速度，可以计算出反射界面的深度。反射波的振幅和频率变化则反映了地下介质的电性差异和界面粗糙度等信息。

探测雷达系统主要由发射机、天线、接收机、控制系统和数据处理软件等部分组成。发射机是产生高频电磁波信号的核心部件，它能够将直流电能转换为高频电磁能，并通过天线向地下发射。天线兼具发射和接收功能，在发射电磁波后，迅速切换到接收状态，接收地下反射回来的电磁波信号。天线的性能直接影响雷达的探测效果，包括探测深度、分辨率等。接收机对接收到的微弱信号进行放大、滤波等处理，提高信号质量，以便后续的分析和处理。控制系统负责协调整个系统的工作，控制发射和接收的时序、参数设置等，确保雷达系统能够稳定、可靠地运行。数据处理软件则对接收到的数据进行处理和分析，生成雷达剖面图像，通过图像解译，地质人员可以直观地了解地下地质体的分布和特征。

3.2 探测雷达技术参数

探测雷达的技术参数对其探测效果具有重要影响，主要包括天线频率、时窗、采样率、增益等。天线频率是决定雷达探测深度和分辨率的关键参数。高频天线具有较高的分辨率，能够探测到地下较细小的地质结构，但探测深度较浅；低频天线探测深度大，可以探测到更深部的地质信息，但分辨率相对较低。在实际应用中，需根据勘察目标和地质条件选择合适的天线频率。例如，在探测浅部的地下管线或空洞时，可选择高频天线以获得较高的分辨率；而在进行深层地质构造探测时，则需使用低频天线。时窗是指雷达从发射电磁波到接收最后一个反射波的时间范围，它应根据预计的探测深度进行合理设置。如果时窗设置过小，可能无法接收到来自目标深度的反射波；而时窗设置过大，则会增加数据量，降低数据处理效率。采样率是指单位时间内对反射波信号的采样次数，较高的采样率可以提高数据的精度，但也会增加数据量。在实际应用中，需要在数据精度和数据处理效率之间进行平衡，选择合适的采样率。增益用于调整接收信号的幅度，以补偿电磁波在传播过程中的衰减，使不同深度的反射波信号都能在合理的幅度范围内显示，便于分析和解释。增益设置不当可能导致信号过强或过弱，影响雷达图像的质量和解释的准确性。

3.3 应用分析

3.3.1 地下水勘察

探测雷达技术在地下水勘察中具有独特的优势。地下水的存在会改变周围岩土体的电性参数，导致电磁波在传播过程中产生反射差异。通过分析雷达剖面图像，可以识别地下含水层的位置、厚度和埋深等信息。在某地区进行地下水勘察时，该地区地质条件复杂，地下含水层分布不均匀。采用探测雷达技术进行探测，通过合理选择天线频率和参数设置，获得了清晰的雷达剖面图像。从图像中可以明显看出地下存在多层含水层，不同含水层之间通过隔水层分隔。进一步分析反射波的特征，结合地质钻探资料，确定了各含水层的岩性组成和富水性。根据探测结果，在该地区合理布置了地下水开采井，提高了地下水的开采效率，同时避免了因盲目开采导致的地质灾害问题。与传统的钻探方法相比，探测雷达技术具有非破坏性、快速、高效等优点。它能够在大范围内快速圈定含水层分布范围，减少钻探工作量，降低勘察成本。

3.3.2 工程地质勘察

在工程建设中，准确了解场地地质条件对于保障工程安全至关重要。探测雷达技术可用于探测场地内的地质构造、软弱夹层、岩溶发育等情况。在某大型桥梁建设场地的地质勘察中，该场地地质条件复杂，存在隐伏断层和岩溶发育的可能。采用探测雷达技术对桥墩基础部位进行探测，通过多次探测和数据分析，发现了地下存在一条隐伏断层。断层破碎带宽度较大，岩石破碎，对桥墩基础的稳定性构成严重威胁。根据探测结果，设计单位对桥梁基础进行了重新设计，采取了加深基础、加固处理等措施，确保了桥梁建设的安全。在另一工程项目中，探测雷达技术成功探测到了场地内的岩溶发育情况。通过分析雷达图像中的异常反射特征，确定了岩溶洞穴的位置、大小和埋深，为工程施工提供了重要的地质依据，避免了因岩溶塌陷导致的工程事故。探测雷达技术能够快速获取场地地质信息，为工程设计和施工提供及时、准确的地质依据，有效避免因地质问题导致的工程事故，保障工程建设的顺利进行。

3.3.3 地质灾害勘察

探测雷达技术在地质灾害勘察中也发挥着重要作用。对于滑坡、泥石流等地质灾害，探测雷达可以探测灾害体的内部结构、滑动面位置以及灾害体的变形情况等。在某山区滑坡勘察中，该滑坡体规模较大，对周边居民生命财产安全构成严重威胁。利用探测雷达技术对滑坡体进行多次探测，通过对比不同时间的雷达图像，发现滑坡体存在明显的蠕动变形。滑动面位置逐渐向下扩展，滑坡体的变形速度也有所加快。根据探测结果，及时采取了工程治理措施，如修建抗滑桩、挡土墙等，防止了滑坡灾害的进一步发展。在泥石流勘察中，探测雷达技术可以探测泥石流沟谷内的堆积物分布、物质组成以及沟谷的形态特征等信息，为泥石流的预警和防治提供科学依据。探测雷达技术能够实时监测地质灾害的动态变化，为地质灾害的预警和防治提供及时、准确的信息，有效减少地质灾害造成的损失。

四、结语

探测雷达技术作为一种先进的水工环地质勘察技术，凭借其独特的原理和显著的优势，在地下水勘察、工程地质勘察和地质灾害勘察等多个领域得到了广泛应用并取得了令人瞩目的成效。与传统的勘察技术相比，探测雷达技术具有非破坏性、快速、高效、分辨率高等突出优点，能够为水工环地质勘察提供更准确、详细的地质信息，为水资源合理开发利用、工程建设安全保障和地质环境保护提供有力支持。

参考文献：

[1]  水工环地质勘察重点及其新技术分析 . 王清治 ; 冯启庄 ; 杨勇昌 ; 王志鑫 . 石材 ,2024(06)

[2]  水工环地质勘察及遥感技术在地质工作中的应用探析 . 高雪红 . 中国金属通报 ,2023(12)

[3]  水工环地质勘察及遥感技术在地质工作中的运用 . 阳江华 . 世界有色金属 ,2020(14)

作者简介：刘侃1987 年10 月1 日，目前职称：高级水工环地质工程师，学历：本科，性别：男，籍贯：，回族，专业：水工环地质