TDR 技术及其工程地质应用.pdf

1 TDR 技术及其工程地质应用 史彦新 张青 孟宪玮 杨丽萍 中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所 保定 071051 [摘 要] [摘 要] 时间域反射测试技术（ Time Domain Reflectometry）是一种电子测量技术，许 多年来，一直用于各种物体的空间定位和形态特征的测量。本文简要描述了 TDR 的原理， 介绍了其在水位监测、 岩石及土壤变形监测、 土壤湿度测量方面的应用， 提出了 TDR 技术应用于滑坡监测的技术方法。 [关键词] [关键词] 时间域反射测试技术；同轴电缆；工程地质；滑坡监测 1 前言 1 前言 时间域反射测试技术（Time Domain Reflectometry）简称 TDR，是一种电子测量技术， 许多年来，一直被用于各种物体形态特征的测量和空间定位。早在三十年代，美国的研究人 员开始运用时间域反射测试技术检测通讯电缆的通断情况。 在八十年代初期， 国外的研究人 员将时间域反射测试技术用于工程地质勘查和监测工作，尤其在煤田地质方面应用较为广 泛，常用于监测地下煤层和岩层的变形位移等。到九十年代中期，美国的研究人员将时间域 反射测试技术开始用于滑坡等地质灾害变形监测的研究， 针对岩石和土体滑坡曾经作过许多 的试验研究 [1]。在国外，TDR 技术的应用研究已经引起研究人员的广泛关注和政府部门的极 大重视；国内在这方面的研究工作尚属于起步阶段。 2. TDR 的原理 2. TDR 的原理 TDR 的早期形式是雷达，可以追溯到十九世纪三十年代，多数人比较熟悉。雷达通常由 无线电发送装置、天线和无线电接收装置三部分组成，发射装置向外发射电磁波短脉冲，接 收装置接收从被测物体返回的反射波， 通过测量入射波与反射波的间隔时间， 就能判定该物 体的空间位置；对反射波进行细致的分析（例如振幅分析） ，可以得出更多的关于被测物体 的信息。时间域反射测试（TDR）就是采用电缆中的“雷达”测试技术（Andrews ,1994） ， 在电缆中发射脉冲信号，同时进行反射信号的监测。 在 TDR 中，一个脉冲波（快速的阶跃信号）被发射入 同轴电缆（如图 1 所示）中，脉冲信号在同轴电缆中传播 的过程中，能够反映同轴电缆的阻抗特性。电缆的特性阻 抗是电缆固有的属性， 它取决于电缆内部的介质以及电缆 的直径等因素。当电缆发生扭绞、拉长、中断等变形或者 遇到象水之类的外界物质时，它的特性阻抗将发生变化。 当测试脉冲遇到电缆的特性阻抗变化时，就会产生反射波。对入射波与反射波进行比较,根 据二者的异常情况就可以判别同轴电缆的状态（断路、短路以及变形等） 。如果 TDR 测试脉 冲信号在测试电缆中的传播速度为 Vp， 发射信号与反射信号的时间间隔为 Td， 那么电缆至变 形处的距离 d 可由式1 来表示 2/ dp TVd 1 由此可以推断出同轴电缆的状态发生变化的位置。 另外，如果测试脉冲信号为 V1，反射信号为 V2，那么其反射系数为 12/V Vρ 2 介电体 芯线 屏蔽线 保护层 图 1 同轴电缆示意图 2 根据线性传输理论,可以知道 0 0 RR RR t t − ρ 3 式中Rt 变形后电缆的阻抗 R0 变形前电缆的阻抗 由 3式可以得出 0 1 1 RRt ρ ρ − 4 因此可以得出结论①当ρ＝0 时，Rt＝R0，表示电缆的特征阻抗与电缆末端等效阻抗 相匹配，发射信号得到了很好的传输，没有反射信号产生。②当ρ＝＋1 时，Rt →∞，表 示电缆末端处于开路状态，发射信号完全被反射。③当ρ＝－1 时，Rt＝0，表示电缆末端 处于短路状态，发射信号完全被吸收。④当－1＜ρ＜＋1（ρ≠0）时，表示电缆发生变形， 并且产生反射波信号。这样，通过测量反射系数ρ，即测量反射信号的振幅，就可以判定电 缆变形量的大小。 3. TDR 技术在工程地质中的应用 3. TDR 技术在工程地质中的应用 根据 TDR 测试信号遇到电缆阻抗发生变化时，就产生反射波的原理，可把 TDR 用于工 程地质的很多方面。 3.1 TDR 用于监测水位的变化 [2] 选择空气作填充介质的电缆，把电缆安装在 监测井内，在空气与水的接触面，电缆的特性阻 抗会大大减小。若向电缆内发射 TDR 测试脉冲， 在空气与水的接触面处，就会产生反射波。测量 反射波的时间，就可以推算出水位。当井内水位 发生变化时，反射波到达的时间也发生变化，当 水位上升，反射波到达的时间提前，当水位下降， 反射波到达的时间延长（如图 2 所示） 。这样通过 监测反射信号的变化，就可以达到监测水位的目 的。 3.2 TDR 用于监测岩石及土的变形 把电缆浇铸在钻孔中，使之与周围地层紧密结合。当周围岩石或土发生位移时，会对电 缆进行剪切，使电缆发生变形，通过测量电缆变形的位置及变形量，就可判定周围地层发生 形变的位置及位移量。 向电缆中发射 TDR 测试脉冲，当测试脉冲遇到电缆变形处时，就会产生反射波。通过测 量反射波到达的时间和幅度， 就可知电缆变形的位置及变形量， 进而判定周围岩石及土的变 形。 3.3 TDR 用于测量土壤湿度 [3] TDR 用于测量土壤湿度， 是基于电缆中 TDR 测试信号的传播速度对电缆所接触的外界环 境很敏感的特性。由于水、空气、土壤颗粒的相对介电常数有很大差别，所以含水率不同的 土壤，其介电常数是不同的，TDR 信号在其中传播的速度也就不同。通过测量 TDR 反射波到 达的时间，又已知同轴电缆传感器探杆的长度，就可求出 TDR 信号的传播速度，进而求出土 壤的介电常数，这样，根据土壤介电常数与含水率的对应关系，就可以确定土壤的湿度。 4. TDR 用于滑坡监测 4. TDR 用于滑坡监测 T0 时刻 电 缆 尾 部 ， 无 水 水位上升 水位 水位下降 T1 时刻 图 2 TDR 监测水位 3 在自然地质作用和人类活动造成了地质环境恶化的条件下， 斜坡发生变形破坏乃至整体 移动就会产生滑坡。为了分析滑坡的形成机理、活动状态及其发展趋势，位移与变形的长期 观测是滑坡动态监测的重要组成部分。 由于 TDR 技术可用于监测岩石及土的变形， 因此采用 TDR 技术对滑坡进行监测，就可以了解和掌握滑坡深部的位移与变形的动态变化过程。从理 论上来说，TDR 技术可以完成大量程的滑坡监测，其量程的大小只与测试电缆的特性有关， 与监测钻孔的受损坏程度无关。 在滑坡的长期监测过程中， 根据滑坡的实际情况， 用钻孔打穿滑动面后直达稳定的地层， 并且将同轴电缆放入监测钻孔，然后回填钻孔，使同轴电 缆与周围地层紧密结合，对滑坡进行深部定位监测，以确 定滑动面位置及其上部不同深度滑坡体的位移动态（如图 3 所示） 。 在安放好测试电缆之后，滑坡体一旦产生滑移，其位 移就会引起电缆产生形变，电缆变形导致电缆阻抗特性的 变化，这时，安装在地面的滑坡监测系统对钻孔内测试电 缆的这种形变进行监测。在发射测试脉冲信号的同时，对 反射波信号进行数据自动采集，通过对监测数据（包括时 间和幅度等）进行分析和自动处理，就能得到电缆变形处地层的变化过程，实现对滑坡的动 态监测，为滑坡预测、预报、评价以及防治研究等提供可靠的数据基础。 5. 结束语 5. 结束语 由上可见，根据 TDR 技术的基本原理，可将其用于工程地质的许多方面。中国地质调查 局水文地质工程地质研究所在潜心研究 TDR 技术原理的基础上，研制了 TDR 滑坡监测系统， 并应用到长江三峡地质灾害监测的实际工程中，取得了不错的效果。 参考文献 参考文献 [1] 张青，史彦新，TDR 滑坡监测技术的研究.中国地质灾害与防治学报，2001,6（2）. [2] 史彦新，张青，TDR 技术监测地下水位. 严重缺水地区地下水勘查论文集（第 2 集） ，地质出版社 出版,2003,12. [3] 孙玉龙，郝振纯，TDR 技术及其在土壤水分及土壤溶质测定方面的应用，灌溉排水，2000,2. 电缆 监测系统 监测钻孔 图 3 TDR 滑坡监测示意图