关于探地雷达在抽蓄项目竖井开挖中超前地质预报的应用研究

关于探地雷达在抽蓄项目竖井开挖中超前地质预报的应用研究

敖国辉

（中国水利水电第五工程局  四川  成都  610066）

摘 要一般水电站中引水建筑物都有调压竖井等结构，特别是抽蓄电站项目的水道系统分布着引水调压井以及尾水调压井、高压竖井等多个竖向结构，其竖井施工技术是抽蓄项目的一项重要研究课题，尤其是在地质情况复杂的地区，需要对竖井周围的地质情况进行准确的预测，以避免遇到不利的地质情况带来的施工安全隐患。探地雷达（GPR）是一种无损检测技术，能够快速、有效地探测地下介质的电磁特性，从而反映出地层的结构、岩性、裂隙、水文等信息。本文介绍了探地雷达在抽蓄电站竖井开挖中超前地质预报的运用方法和实例，分析了探地雷达在竖井开挖中超前地质预报的效果和优势，提出了探地雷达在竖井开挖中超前地质预报的存在的问题和改进方向，在同类项目工程中有着宝贵的参考意义。

关键字探地雷达 抽蓄电站  竖井开挖  超前地质预报   

1引言

抽水蓄能是一种利用水作为介质实现电能和势能相互转化的绿色可再生、高效的储能方式，国家能源局分别在华北、东北、华东、华中、南方、西南、西北等区域制定了中长期发展投资规划，要求结合当地电力发展需求，在资源较好的省（区、市），因地制宜规划建设抽水蓄能电站，并鼓励依托常规水电站增建混合式抽水蓄能，可以预测未来15年国内乃至国际市场发展前景十分广阔。

抽蓄电站项目中的隧道系统分别包含引水调压井以及尾水调压井、高压竖井等结构，其开挖直径根据项目规模而异由几米到几十米不等，深度可到几百米，因其周围的地质情况复杂多变，可能存在不稳定的断层、裂隙、溶洞、渗水等不利因素，给竖井的施工安全带来巨大风险和挑战。因此，在竖井开挖过程中，必须对竖井周围的地质情况进行科学的超前地质预报，以便及时发现和处理可能出现的问题，并及时探明围岩类别和明确支护形式，保证竖井施工安全顺利实施。

超前地质预报是竖井施工中不可缺少的环节，其方法主要分为分析法、钻孔法和无损检测法三大类，具体优缺点见下表1。

表1

为了适应复杂多变的地质情况和满足施工干扰影响最小的要求，快速高效的无损检测法，将成为竖井开挖中地质预判的可靠的手段，目前较为常见的无损检测主要有TSP地震波反射法、HSP声波反射法、负视速度法、探地雷达、红外探测等多种方法，针对上述几种方法的实际操作流程综合分析，本文选取了更快捷的探地雷达进行探索，为竖井施工中的地质预报提供了一种高效方法和实操案例。

2探地雷达检测原理

探地雷达系统主要由主机（主控单元）、发射机、发射天线、接收机、接收天线和数据采集软件等组成，它的原理是利用高频电磁波在不同介质中的反射和折射来探测未知的地下情况，其工作中雷达频率可以根据不同的应用场景和目标深度进行调节，使用时依靠发射机产生高频脉冲信号，通过天线发射到地下，当遇到不同介质的界面时，部分信号被反射回来，部分信号继续向下传播，同时电磁波的穿透率随着接触的界面不同而发生变化，其主要规律遵循电磁波穿透性随着电导率的增加而下降，比如在空气中介电常数为1，电导率几乎为零；在水中介电常数约为81，电导率较好，因此电磁波在空气(空腔)中的穿透速度越快，在水中的穿透速度越慢；在碳酸盐岩层中介电常数约为8-9，穿透效果最好；粘土介电常数介于空气和岩石之间。最后接收机通过天线接收反射信号，并将其转换为数字信息，经控制单元传输到计算机中，由数据采集软件进行处理和显示。数据采集软件可以根据不同的参数设置，对信号进行滤波、增强、剖面绘制等操作，从而得到地下地质情况的的图像，客观的反映出地层的结构、岩性、裂隙、水文等信息。

3探地雷达超前地质预报中的优缺点

探地雷达具有分辨率高、探测深度大、数据采集速度快、设备携带方便等优点，适用于各种岩土工程中的超前地质预报。其主要优点有：①分辨率高，能够清晰地显示地下的细节和异常；②采用数字化技术，能够实时地显示和记录数据，方便分析；③适用于多种地形和地质条件，能够探测不同深度和范围；

④耗时短、操作简便。在实际操作过程中，需要引起重视的缺点主要有：①受电磁干扰的影响，需要远离高压线、电器设备等干扰源；②受地下介质的性质的影响，当介质含水量高、电导率大或者非均匀时，会降低信号的穿透能力和分辨率。

根据经验而言，雷达的频率和探测深度之间也存在着一定的联系，一般来说，频率越高，分辨率越高，但是探测深度越浅；频率越低，分辨率越低，但是探测深度越深。产生这一现象的主要原因是高频信号在地下介质中的衰减和散射更严重，而低频信号更容易穿透地下介质。因此，实际工程应用现场如何根据需求选择特定的雷达频率是第一重要的问题，通常根据竖井的直径大小、深度、基本地质条件和施工进度需求进行综合评判分析，再选择最适合的探测频率，以达到最佳的探测效果。

4竖井中超前地质预报应用实例

中东某抽蓄项目尾调井开挖过程中，揭露了包括玄武岩、火山碎屑岩（凝灰岩和角砾岩）、绿脱石玄武岩等多种性状的岩层，围岩以Ⅳ类为主，其中绿脱石玄武岩强度非常低，遇水极易软化，且在井挖过程中受多条断层切割影响，断层带内夹杂有凝灰岩、岩屑和少量粘土，形成了大块的不稳定楔形体，该部位在反井施工中出现了坍塌情况，现成内部空腔，给施工带来极大安全隐患。针对该突发事件，项目现场立即组织进行了混凝土回填和灌浆工作，暂时稳固了下部岩层。为了探明竖井下一步开挖中是否存在不稳定块体、裂隙和空腔等不利因素，项目首次引入了探地雷达进行超前地质预报，为竖井继续下挖施工提供安全可靠的依据。

4.1设备选型和雷达频率

本工程选用由瑞典的MALA公司制造的RAMAC GPR CU-II型探地雷达，该型探地雷达提供了多种频率的天线，从10MHz到3000 MHz不等，并还具有双频天线和四频天线，可以同时发射和接收两种或四种不同频率的信号，从而进一步提高了探测效率和精度，可以达到的探测深度范围在0.5米到100米之间。本工程的尾水调压竖井直径16m，开挖深度100m，雷达选定高频电磁波为250MHZ（①500MHZ频率探测深度浅且表层存有爆破后的松动岩块，无用数据多；②100MHZ频率探测深度深但深层的信息图像扭曲不真实；）每循环有效探测深度为12m。

4.2探测实例

首先将需要探测的竖井掌子面进行平整处理，以消除因地势不平给探测带来的误差，其次在平整的探测面上铺设一层塑料膜，该层特殊的介质作为划分信号的分界线，并在塑料膜上标记2×2m的检测网格线路，检测路径按照网格线方向进行，如下图所示：

图1井身中段高程-199.8m的探地雷达勘测现场

4.3数据采集成图

信号通过天线接收集后，利用REFLEXW软件对数据进行处理，处理过程包括：格式转换、噪音过滤、信号放大、去除背景杂波和高频噪音等，最终形成瞬时剖面图如图2所示：

图2探地雷达成像瞬时剖面

4.4图像分析

在尾调竖井高程-199.8m进行的探地雷达测试中，250MHZ电磁波的最大穿透深度为12米，成像效果清晰、精度高；100MHZ电磁波的最大穿透深度达到25米，成像效果一般、精度较前者低且带有强噪声数据。因此，通过专业数据判断，250MHZ的电磁波探测成像数据更为可靠，后续地质预报探测按12m/循环执行。根据生成的图像分析未发现空腔或明显裂隙，后续12m井身段实际开挖过程中也未发现新的不稳定块体、裂隙或空腔。

5结语

本文介绍了探地雷达在竖井开挖中进行超前地质预报的实例应用，单次检测预报耗时约3小时，方便快捷，能高效准确的成图，对后续地质情况可以做出清晰的判断，其中选定雷达频率是探测中的关键环节，应用中需要做好消除顶部虚渣和控制背景噪音等影响，从而进一步提高采集数据的信号质量。未来发展可以让大量工程实例经验和机器训练学习相结合，利用人工智能对图像进行快速精准解读，将成为下一步拓展的探索方向。

参考文献：

[1]杨莎莎, 刘聪, 李刚, 李瑜. 探地雷达数据处理方法综述[J]. 土木工程, 2023, 12(1): 25-31.

作者简介：

敖国辉（1983－），男，大学本科，高级工程师，研究方向：海外工程项目管理、抽蓄电站项目工程技术及施工管理。