钻孔雷达与数字摄像动态勘察技术若干关键问题研究

论文摘要

高速交通工程建设对场区稳定性的要求较高,在线路选择方案中主要考虑的是场地稳定、地基适宜、工程地质条件相对较好的地段,但是,仍不可避免地会通过一些地质、地形条件极为复杂的区域,包括断裂、破碎带、岩溶、地下暗河等不良地质构造。本文鉴于高速交通工程建设对工程场区稳定性要求高的特点,结合目前最先进的钻孔成像技术与钻孔雷达技术,在工程中利用尽可能少的钻孔将工程场地内较细的地质情况反映出来,为工程提供重要的设计和施工依据,以期建立一种新的、有效的动态勘察技术。本文通过钻孔地质雷达波几何-物理模型、常见不良地质体雷达反射截面数值模拟、钻孔雷达与数字摄像综合分析方法等若干关键问题的深入研究和分析,为动态勘察技术的提出与实践建立了重要的理论与方法基础。针对这几个关键问题,本文主要工作内容如下:1.系统研究地下岩体工程钻孔地质雷达探测理论及技术,深入分析雷达电磁波在岩土体中传播与衰减的规律,简要介绍钻孔地质雷达的数据处理与解释方法。根据常见地质体的雷达图像,总结钻孔地质雷达反射截面的主要特征。2.根据钻孔地质雷达探测中遇到的岩体内典型不良地质现象,利用时域有限差分数值模拟方法,详尽地分析不同高度、宽度、形状、埋藏深度、收发天线距、充填状况和围岩介质等情况的目标地质体模型雷达响应,分析这些不同模型在实际探测中的分辨能力和应用条件,为钻孔雷达在岩体工程勘察中的可行性及应用条件提供一种直观感性的认识。3.分别对点状地质体和面状地质体的钻孔雷达波几何-物理模型进行分析,推导出两种简化几何模型的钻孔雷达波传播距离和双程走时公式,并研究钻孔雷达反射截面随地质体几何形态变化的规律。4.基于高精度数字钻孔图像,研究了钻孔间岩体结构面的延展性、两两钻孔岩体结构面的相关性和钻孔间岩体结构面的不确定性等关键问题,进而通过数字钻孔图像所计算出的倾向、倾角、位置以及赋存条件等信息,分析了两两相邻钻孔结构面连通性所应满足的条件,这些研究为了解钻孔内结构面的延伸情况提供了重要的理论方法。5.结合钻孔雷达与数字摄像两种探测数据,提出一种新的介电常数εr估算方法,该方法符合钻孔地质雷达往往要穿越数个地层,各个地层的介电常数可能有较大差别这一特点,通过在工程实例中钻孔内某结构面的实际应用,证明该新方法的可行性和有效性。之后,研究工程场区内结构面倾向、倾角和延展性的确定方法以及空洞大小和位置的估算方法,并给出了具体确定与估算步骤。6.根据实际工程勘察过程中遇到的工程地质问题,提出一种基于钻孔雷达与数字摄像的动态勘察技术,初步给出动态勘察技术的操作流程、实现方法和基本思路,并对两种探测数据的结果做了对比分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 钻孔地质雷达研究现状
• 1.2.2 数字钻孔摄像技术及其在地质勘察中的应用综述
• 1.3 地下岩体工程钻孔地质雷达探测理论
• 1.3.1 钻孔地质雷达探测的基本理论
• 1.3.2 钻孔地质雷达探测技术与方法
• 1.4 存在的问题与不足
• 1.5 研究意义、内容与技术路线
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 技术路线
• 1.6 本文结构安排
• 第二章 岩土介质中雷达波传播与衰减规律研究
• 2.1 电磁场与电磁波的基本理论
• 2.1.1 电磁波波动方程
• 2.1.2 偶极子天线的电磁场
• 2.1.3 电磁波的时间场与射线方向
• 2.2 岩土体材料的介电特性分析
• 2.2.1 介质介电常数的概念和物理意义
• 2.2.2 空气、水对岩土体材料介电特性的影响
• 2.2.3 高频电磁场中的岩土体电特性探讨
• 2.3 电磁波在多层非均匀岩土体介质中传播规律研究
• 2.3.1 雷达波在两种不同岩土介质交界面上的特性探讨
• 2.3.2 雷达波在多层岩土体介质中的传播
• 2.4 本章小结
• 第三章 钻孔地质雷达FDTD正演模型研究
• 3.1 钻孔地质雷达电磁波时域有限差分（FDTD）方法
• 3.1.1 麦克斯韦方程的FDTD形式
• 3.1.2 数值稳定性
• 3.1.3 吸收边界条件
• 3.1.4 钻孔地质雷达的FDTD激励源
• 3.2 钻孔地质雷达FDTD方法数值模拟研究
• 3.2.1 点状地质体的钻孔雷达响应数值模拟
• 3.2.2 面状地质体的钻孔雷达响应数值模拟
• 3.3 本章小结
• 第四章 钻孔雷达电磁波几何-物理模型研究
• 4.1 钻孔地质雷达几何模型研究
• 4.1.1 面状地质体几何模型
• 4.1.2 点状地质体几何模型
• 4.2 钻孔地质雷达反射截面分析
• 4.2.1 面状地质体雷达反射截面
• 4.2.2 点状地质体雷达反射截面
• 4.3 本章小结
• 第五章 钻孔雷达与数字摄像的综合分析方法研究
• 5.1 钻孔地质雷达的数据处理与解释
• 5.1.1 钻孔地质雷达的数据处理
• 5.1.2 钻孔地质雷达剖面图像的解译
• 5.2 基于数字钻孔图像的结构面连通性研究
• 5.2.1 钻孔间岩体结构面的延展性分析
• 5.2.2 两两钻孔岩体结构面的相关性分析
• 5.2.3 钻孔间岩体结构面的不确定性分析
• 5.3 钻孔雷达与数字摄像的综合分析方法
• 5.3.1 介电常数及波速估算新方法
• 5.3.2 介电常数及波速的估算实例
• 5.3.3 结构面倾向、倾角和延展性的确定
• 5.3.4 结构面反射点实际位置的估算实例
• 5.3.5 空洞的雷达剖面图
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于钻孔雷达与数字摄像的动态勘察技术
• 6.1 基于钻孔地质雷达与数字钻孔摄像的动态勘察技术
• 6.1.1 动态勘察技术的定义
• 6.1.2 动态勘察技术的操作流程
• 6.1.3 动态勘察技术方法研究
• 6.2 钻孔雷达与数字摄像的综合应用
• 6.2.1 数字摄像测试结果分析
• 6.2.2 钻孔雷达测试结果分析
• 6.2.3 钻孔雷达与数字摄像对比及数据融合
• 6.2.4 存在的问题分析及改进要求
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢