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，河北保定，071051）

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。

关键词时间域反射测试技术　同轴电缆　工程地质　滑坡监测

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20世纪30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80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90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做过许多的试验研究[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

TDR的早期形式是雷达，可以追溯到19世纪30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像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，根据两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：

图1　同轴电缆示意图

地质灾害调查与监测技术方法论文集

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：

地质灾害调查与监测技术方法论文集

根据线性传输理论，可以知道：式中：Rt——变形后电缆的阻抗；

地质灾害调查与监测技术方法论文集

R0——变形前电缆的阻抗。

由（3）式可以得出：

地质灾害调查与监测技术方法论文集

因此可以得出结论：①当 p=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 p=-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＜p＜＋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

根据TDR测试信号遇到电缆阻抗发生变化时产生反射波的原理，可把TDR用于工程地质的很多方面。

31　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。32 TDR用于监测岩石及土的变形

图2　TDR监测水位

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。

33 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

在自然地质作用和人类活动造成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。

图3　TDR滑坡监测示意图

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

[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），北京：地质出版社，2003

[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）

土壤的湿度具有多种测量方法： ①重量法取土样烘干,称量其干土重和含水重加以计算 ②电阻法使用电阻式土壤湿度测定仪测定根据土壤溶液的电导性与土壤水分含量的关系测定土壤湿度 ③负压计法使用负压计测定当未饱和土壤吸水力与器内的负压力

应用土壤湿度传感器的硬件控制电路，埋在作物根部的土壤水分传感器监测根部土壤的水分，该传感器经检测电路将“湿度过高”和“湿度过低”信号编码器传至主控制器，由主控制器决定控制状态，湿度过高，则停止灌溉，湿度过低，则通过光电隔离，继电器控制接在水源的电磁阀。当空气湿度较大时由空气湿度传感器经a/d转换反映到主控制器可暂缓灌溉，当前系统状态可由显示电路显示出来，该系统也可由键盘手动设定灌溉时间，该系统还具有故障报警功能，主控制器通过通讯接口与上机上位机通讯，可以实时监测系统运行状况或对历史数据进行分析。土壤湿度传感器主要是用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护，土壤湿度传感器由湿度检测电路和声报警电路等部分组成。rp1为湿度下限预置点，rp2为湿度上限预置点。当土壤中的湿度处在预置的上下限湿度之间时，由于探头a、h闲的土壤组组电阻值在规定范围内，c点的电位低于rpi的滑动端电位……

针对禾木测湿用几档这个问题，我们可以这样解
一般来说，禾木测湿有三档，分别是低档、中档和高档。低档适用于湿度低于50%的环境，中档适用于湿度50%-70%的环境，高档适用于湿度高于70%的环境。
要正确使用禾木测湿，首先要了解环境湿度，然后根据湿度选择合适的档位。如果湿度低于50%，可以选择低档；如果湿度在50%-70%之间，可以选择中档；如果湿度高于70%，可以选择高档。
此外，在使用禾木测湿时，还要注意禾木的温度，禾木的温度越高，测量的湿度值就越低，反之，禾木的温度越低，测量的湿度值就越高。因此，在使用禾木测湿时，要确保禾木的温度处于室温状态，以保证测量结果的准确性。

在土壤中找到水和空气的方法有很多种。下面列举了一些常用的方法：
1 土壤含水量测定法：通过称重法或干、湿比重法，确定土壤含水量，从而间接反映其所含的水分。
2 道氏管法：把一个开口朝下的耐酸玻璃管插入土壤中，对管子内侧施加低压，会使周围空气渗入玻璃管中，然后通过容积测量法计算空隙度和孔隙度。
3 压膜法：将土样放置在不透水薄膜上，然后施加压力使水分从土样流出并被收集，以此计算土壤含水量。
4 气相色谱法和质谱法：这些方法可以直接检测土壤中的气体成分，并确定其中空气的含量。
5 干湿计法：利用干湿计原理进行测试，在一段时间内观察土壤表面的变化来判断其中是否有水份存在。
需要注意的是，各种方法都存在一定局限性。在实际应用中要根据具体情况选取合适的方法。

土壤中水分的多少有两种表示方法:一种是以土壤含水量表示，分重量含水量和容积含水量两种，二者之间的关系由土壤容重来换算。另一种是以土壤水势表示，土壤水势的负值是土壤水吸力。

FDR(FrequencyDomainReflectometry)频域反射是利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε),从而得到土壤容积含水量(θv)。介绍了FDR系统的测量原理、系统安装、测量方法及其在土壤水分连续动态监测中的应用,并对实际测量结果进行了校正,可以作为FDR校正的参考。在半干旱区皇甫川流域的应用实践表明,FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点,是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。TDR(TimeDomainReflector)时域反射是一种快速检测土壤水分的常见原理，其原理是在一条不匹配的传输线上的波形会发生反射。传输线上任何一点的波形都是原有波形和反射波形的叠加。TDR原理的设备响应时间约10-20秒，适合移动测量和定点监测。测定结果受盐度影响很小，TDR缺点是电路比较复杂，设备较昂贵。FDR相比TDR测试原理，几乎具有TDR的所有优点，探头形状非常灵活。比较夸张的甚至可以放在做成犁状放在拖拉机后面运动中测量。FDR相对TDR需要更少的校正工作。多年以来，FDR原理的土壤水分仪精度上一直难以突破，成为FDR土壤水分仪发展的停滞。经过多年研究，终于突破了这一难点。研究出一款FDR原理的土壤水分仪,精度达到了3%。

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