CN110031840A - 一种基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法。包括布设雷达天线获取雷达剖面图像，对雷达剖面图像处理，在处理后图像中获取节理面信息，由真视倾角、节理面长度的三角函数转换公式计算节理面产状和长度。本发明具有能准确快速识别岩体浅部节理面、简单可行且操作方便的优点。

Description

一种基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识方法

技术领域

本发明涉及地质检测技术领域，特别是一种基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法。

背景技术

节理是岩体在各种力的作用下形成未发生明显位移的断裂，是岩体中广泛发育的不连续面。岩体中大量发育的节理切割削弱了岩石的整体性，使其强度变差，严重影响着工程的建设和地质灾害的发生；同时，节理为地下水和矿液的循环、储存、渗漏、聚集提供通道和空间，节理对水利建设和矿体赋存有着重要影响；因此，在岩土工程、地质工程等领域查明岩体节理信息极其重要，是对岩体强度、渗透等参数进行分析计算的先决条件。

节理形成于岩体内部，只有部分出露于岩体表面，传统节理调查的方法是在岩石露头上采用地质罗盘、尺子进行量测，但是这种不能获取节理在岩体内部的延伸情况，不能获得没有出露于岩体表面的那部分节理的信息，当岩体表面有浮土覆盖时就更难以量测。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法。其具有能准确快速识别岩体浅部节理面、简单可行且操作方便的优点。

本发明的技术方案：一种基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法，该方法包括布设雷达天线获取雷达剖面图像，对雷达剖面图像处理，在处理后图像中获取节理面信息，由真视倾角、节理面长度的三角函数转换公式计算节理面产状和长度。

前述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法中，该方法包括如下步骤：

(1)雷达天线沿两条与待测节理面斜交的方向布置测线进行探测，得到雷达剖面图像；

(2)将雷达剖面图像进行距离归一化处理，并使雷达图像的横坐标和纵坐标单位比例尺相同，得处理后雷达图像；

(3)在处理后雷达图像中读出节理面的信息；

(4)通过三角函数转换公式由读出的节理面的信息即可计算得到节理面的产状和长度。

前述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法中，所述步骤(1)中，在雷达剖面图像中将雷达的布置点定为H点；H点在节理面上的投影点定为O；两根雷达天线的布置点定为D点和C点；DC连线上除端点外设一点为G点；则HD、HC为雷达测线方向，HG为节理面倾向方向；定节理面真倾角∠HGO为α；视倾角∠OCH为β；视倾角∠ODH为β′；真倾角与视倾角的夹角∠COG和∠DOG分别ω、ω′；HC的方位角为γ_HC；HD的方位角为γ_HD；定ω+ω′＝θ；则可得

通过地质雷达探测的测线前进的方位角设为γ_HC，γ_HD，则节理面倾向：

或

前述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法中，所述θ大于90°。

前述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法中，所述地质雷达探测的测线前进方向为a_CH，a_DH时，则节理面倾向为：

或

前述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法中，所述对探测节理面的雷达剖面图像归一化处理后，读出节理面在水平投影上的长度l_oc，则l_OH＝l_octanβ，节理面长度l_HG的三角函数公式为：

前述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法中，所述地质雷达天线沿视倾向HD方向移动，节理面长度l_HG的三角函数公式为：

前述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法中，所述读出节理面的信息是读出节理面的位置、埋深、几何形态、组数、排列和间距，再读出节理面视倾角和在水平投影上的长度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用地质雷达所发射电磁波在不同介质中反射和透射的特性，提出对岩体浅部节理面进行识别的方法，本方法具有分辨率较高、无损、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观和实时图像显示等优点。

2、本发明适用于各类岩体中稀疏节理面识别，特别是隐藏于岩体内部浅层的节理面。区别于传统的罗盘+尺子的测量方法，本发明可探测到岩体内部节理面的形态，可以探测并计算节理面的长度。是一种高效、先进的无损检测方法。具有采集方便、速度快、易于调整、适应性强的优点。

3、本发明对隐藏于岩体内部的节理面进行探测时，对于岩体0-2.0m范围内浅部的识别效果极好。且本发明对工作条件要求不高，有较强的普适性等特点，有较强的经济和社会价值，其应用发展前景十分广阔。

4、本发明因使用地质雷达对隐藏于岩体内部和浮土覆盖的岩体节理面进行探测，通过提出的三角函数转换公式能消除视倾向探测所造成的误差，让使用地质雷达探测节理面更加精准。

综上所述：本发明不仅具有能准确快速识别岩体浅部节理面、简单可行且操作方便的优点，还具有高效、无损、适用范围广和探测精准等优点。

本发明节理面产状数学转换公式的推导过程结合图2所示，可知HD、HC为雷达测线方向，HG为节理面倾向方向，其中α为真倾角，β、β′为视倾角，视倾角值比真倾角值小，ω、ω′为真倾向与视倾向间的夹角，真倾角与视倾角的关系可用数学式表示：tanβ＝tanα·cosω。当视倾向偏离真倾向越大时视倾角越小；当视倾向平行走向时，视倾向等于零。

地质雷达探测未知节理面时，测线行走方向难以和倾向走向一致，一般为沿着视倾向方向，需通过数学公式转换间接求的倾角α如图中在HD，HC方向布设两条测线，理论上可以从两张雷达剖面图中得出视倾角β、β′值，通过记录测线HD，HC前进方向，如HC方位角为γ_HC，HD的方位角为γ_HD。可计算出两个测线夹角ω+ω′的值，假设ω+ω′＝θ，θ为已知值，即有：

联立(1)(2)(3)式得

即有：

将ω代入tanβ＝tanα·cosω可得节理面真倾角：

上式中α即通过地质雷达随机探测两条节理面所得视倾角，准确定量的计算出节理面的倾角，但需保证野外探测节理面的两条测线夹角大于90°，即ω+ω′＝θ＞90°，或保证两条测线位于真倾向线HG两侧；通过地质雷达探测的测线前进的方位角为γ_HC，γ_HD，可求出节理面倾向：

如果地质雷达探测的测线前进方向为γ_CH，γ_DH。则节理面倾向为：

本发明节理面长度数学转换公式结合图3所示，是将探测节理面的雷达剖面图像归一化处理后，雷达图像水平方向可得出测线长度，能读出节理面在水平投影上的长度l_oc并算出天线通过视倾向方向，所探测出的节理的长度，如图3所示，β为视倾角，

则：

雷达天线沿视倾向方向探测节理面长度，通过公式可较精确读出视倾向方向的节理面长度。但并不是节理面真实的长度，因此现提出通过视倾向节理面长度的三角函数转换为节理面真实长度，如图2和图3所示，在雷达图像中出线段OC的长度l_oc，节理面产状算法中可通过计算得出倾角α的值，则节理面长度l_HG三角函数公式计算如下：

l_OH＝l_octanβ

假如地质雷达天线沿视倾向HD方向移动，同理可得：

附图说明

图1是地质雷达探测节理面的原理示意图；

图2是真倾角与视倾角的关系的示意图；

图3是地质雷达探测节理面长度的示意图；

图4是沙箱实验模型的结构示意图；

图5是γ_HC沿60°测单节理的示意图；

图6是γ_HD沿120°的示意图；

图7是γ_HC沿70°测“X”型节理的示意图；

图8是γ_HD沿130°测“X”型节理的示意图；

图9是γ_HC沿60°测“人”型节理的示意图；

图10γ_HD沿120°测“人”型节理的示意图；

图11γ_HC沿60°测双节理的示意图；

图12γ_HD沿120°测双节理的示意图；

图13γ_HC沿60°测单节理的示意图；

图14γ_HD沿120°测单节理的示意图；

图15γ_HC沿70°测“X”型节理的示意图；

图16γ_HD沿130°测“X”型节理的示意图；

图17γ_HC沿60°测“人”型节理的示意图；

图18γ_HD沿120°测“人”型节理的示意图；

图19γ_HC沿60°测双节理的示意图；

图20γ_HD沿120°测双节理的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。对于未特别注明的结构或工艺，均为本领域的常规现有技术。

实施例。一种基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识方法，本实验采用如下设备：SIR-20型地质雷达和900MHz天线，本实施例着力于对岩体浅部节理面的地质雷达识别研究，准确识别出浅部节理的基本地质特征，如视倾角，节理长度等，以利用于实际工程。因此制作长1.2米，宽0.7米，高1米的木箱以模拟均质岩体，实验模型示意图如图4所示。利用湿木板模拟节理埋于木箱中，上覆不同厚度的砂土，改变木板的埋设角度、尺寸、数量、深度等模拟不同产状、不同深度、不同长度，不同组数的节理面，用地质雷达进行一系列探测。在处理后的雷达剖面图像中读出节理面的位置、埋深、几何形态、组数、排列和间等信息，读出节理面的视倾角，在水平上投影的长度，并通过提出节理面产状和长度的三角函数计算公式来计算出节理面的产状和长度。具体包括以下步骤：

(1)使用地质雷达探测砂箱中模拟节理面时，雷达天线沿两条与待测模拟节理面斜交的方向布置测线进行探测。并记录天线移动的方位角度和天线夹角，采集的原始数据如图5-图12所示。

(2)将沿两条不同视倾向探测的雷达剖面图像进行距离归一化处理，并且使雷达图像的横坐标和纵坐标单位长度比例尺相同，经处理后的数据如图13-图20所示。

(3)在处理好的雷达图像中读出节理面的埋深、几何形态、组数、排列、间距等，并再读出节理面视倾角、在水平投影上的长度等，信息统计如表1、表2所示。

(4)通过提出的三角函数转换公式由视倾角等计算出节理面产状、长度，信息统计如表1、表2所示。

表1沿随机方向探测砂箱中模拟节理的产状的真实值与测量值(单位：°)

注：误差公式：

误差值在10％以内，在工程中能满足实际要求。

由表1可以看出，通过本发明方法所得到的砂箱中模拟节理的产状的测量值与真实值非常接近，能够得到较为精准的结果，倾向倾角误差均不超过10％，在工程中能满足实际要求。是一种可靠的节理产状的识别方法。

表2沿随机方向探测沙箱中模拟节理面的长度的真实值与测量值

注：误差公式：

由表2可以看出，通过本发明方法所得到的砂箱中模拟节理的长度的测量值与真实值非常接近，能够得到较为精准的结果，倾向倾角误差均小于5％，在工程中能满足实际要求。是一种可靠的节理长度度识别方法。

Claims (8)

1.一种基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法，其特征在于：该方法包括布设雷达天线获取雷达剖面图像，对雷达剖面图像处理，在处理后图像中获取节理面信息，由真视倾角、节理面长度的三角函数转换公式计算节理面产状和长度。

2.根据权利要求1所述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)雷达天线沿两条与待测节理面斜交的方向布置测线进行探测，得到雷达剖面图像；

(2)将雷达剖面图像进行距离归一化处理，并使雷达图像的横坐标和纵坐标单位比例尺相同，得处理后雷达图像；

(3)在处理后雷达图像中读出节理面的信息；

(4)通过三角函数转换公式由读出的节理面的信息即可计算得到节理面的产状和长度。

3.根据权利要求2所述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在雷达剖面图像中将雷达的布置点定为H点；H点在节理面上的投影点定为O；两根雷达天线的布置点定为D点和C点；DC连线上除端点外设一点为G点；则HD、HC为雷达测线方向，HG为节理面倾向方向；定节理面真倾角∠HGO为α；视倾角∠OCH为β；视倾角∠ODH为β′；真倾角与视倾角的夹角∠COG和∠DOG分别ω、ω′；HC的方位角为γ_HC；HD的方位角为γ_HD；定ω+ω′＝θ；则可得

通过地质雷达探测的测线前进的方位角设为γ_HC，γ_HD，则节理面倾向：

或

4.根据权利要求3所述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法，其特征在于：所述θ大于90°。

5.根据权利要求3所述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法，其特征在于：所述地质雷达探测的测线前进方向为γ_CH，γ_DH时，则节理面倾向为：

或

6.根据权利要求3所述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法，其特征在于：所述对探测节理面的雷达剖面图像归一化处理后，读出节理面在水平投影上的长度l_oc，则l_OH＝l_octanβ，节理面长度l_HG的三角函数公式为：

7.根据权利要求6所述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法，其特征在于：所述地质雷达天线沿视倾向HD方向移动，节理面长度l_HG的三角函数公式为：

8.根据权利要求2所述的基于地质雷达技术的岩体浅部节理面识别方法，其特征在于：所述读出节理面的信息是读出节理面的位置、埋深、几何形态、组数、排列和间距。