地下非金屬管線探地雷達圖像特征的研究及應(yīng)用

曹震峰，丘廣新，葛如冰

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060)

地下非金屬管線探地雷達圖像特征的研究及應(yīng)用

曹震峰?，丘廣新，葛如冰

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060)

探地雷達技術(shù)是目前地下非金屬管線探測的主要方法，開展地下管線的探地雷達異常特征的研究可大幅提高其探測方法的有效性和精度，同時還發(fā)現(xiàn)了一些新規(guī)律并加以應(yīng)用。本文針對探地雷達運用的一些關(guān)鍵點，從模型實驗研究入手，深入探討和剖析了影響非金屬管道探測的幾個因素，并根據(jù)模型實驗和大量的實際探測結(jié)果，提出了管道內(nèi)載體的電性參數(shù)是決定管線異常圖像特征的首要因素。另外，首次提出了按照非金屬給水管的多次反射波間距計算其管徑的公式，并得到了不同管徑的實例驗證，為探地雷達在城市地下管線普查中的應(yīng)用提供新的借鑒。

管線探測；探地雷達；載體；管徑

1 引 言

近年來，非金屬管道被廣泛地運用于城市地下管線建設(shè)工程之中，塑料管道占其中的大部分，在給水、煤氣和排水管道中更是大量采用。因此，對塑料管道及其周圍介質(zhì)的物性結(jié)構(gòu)進行研究，分析它們的探地雷達異常特征以及影響其異常特征的因素，探討更有效的探測技術(shù)參數(shù)和手段，對拓寬探地雷達方法的應(yīng)用范圍是非常有意義的。

在大量的實際探測應(yīng)用中，筆者發(fā)現(xiàn)非金屬管內(nèi)載體的電性參數(shù)對雷達的異常特征有非常大的影響，使管線的異常特征變化極大，直接影響到探地雷達的應(yīng)用效果。在開展不同頻率天線，進行不同管徑、埋深、材質(zhì)、管內(nèi)載體的模型實驗后，進一步證實了管內(nèi)載體的電性參數(shù)是影響非金屬管線探地雷達圖像特征首要因素，并且其多次反射波間距與管徑有直接的對應(yīng)關(guān)系。

2 方法原理

探地雷達是研究高頻短脈沖(106Hz～109Hz)電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的一種技術(shù)方法，它能使用戶快速獲得相關(guān)探測區(qū)域的詳細(xì)信息。基本的探地雷達系統(tǒng)由發(fā)射－接收裝置組成，通過向地下發(fā)射電磁脈沖波，并接收含有不同電介質(zhì)特性的不連續(xù)物質(zhì)表面反射的回波。電磁波在介質(zhì)(包括瀝青、砼、土壤、巖土以及地下管線、空洞等)中傳播時，其路徑、波形將隨所通過介質(zhì)的電性和幾何形態(tài)的不同而變化，當(dāng)忽略天線距時，反射界面的深度可由公式h＝v△t/2＝c△t/2 (ε1/2)求得。(其中c為電磁波在空氣中的速度，△t為電磁波在介質(zhì)中的雙程走時，ε為介質(zhì)的相對介電常數(shù)值)。

探地雷達通常以反射剖面法工作，并按數(shù)字化形式采樣記錄，波形的正負(fù)峰以灰階或彩色表示其幅值的強弱變化，或分別以黑、白表示之。地下管線異常在雷達圖像上的典型異常是一條雙曲線同相軸，可根據(jù)這一特征來判定管線位置和深度。

2.1 常見介質(zhì)的電性特征

探地雷達應(yīng)用的物性前提是目標(biāo)管線體必須與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)和電磁波波速存在明顯差異。各種相關(guān)介質(zhì)的介電常數(shù)如表1所示。

常見介質(zhì)的介電常數(shù)表 表1

從表中可以看到，金屬管線中電磁波波速為零，管線與周圍介質(zhì)存在顯著的電磁性差異，電磁波在金屬管壁產(chǎn)生全部反射；非金屬管線除管線本身材質(zhì)與周圍介質(zhì)存在一定差異外，其周圍的介質(zhì)也有不同的電性差異，如混凝土介電常數(shù)為 6.4，傳播速度為0.12 m/ns，而濕土介電常數(shù)為 10～15，波速為0.07 m/ns～0.10 m/ns。可見，非金屬管線的異常將具有多樣性。

反射系數(shù)和波速是兩個重要的參數(shù)，其大小一般由介電常數(shù)決定，設(shè)反射系數(shù)R，波速為v，周圍介質(zhì)介電常數(shù)ε1、管線或管線內(nèi)介質(zhì)介電常數(shù)ε2，則它們有如下關(guān)系:

如果地面下存在管線或其他目標(biāo)物，并存在一定得電性差異，這時雷達系統(tǒng)接收到的回波幅度會明顯變強，其剖面圖像上將出現(xiàn)雙曲線異常。

目標(biāo)管線反射系數(shù)｜R｜≥0.1，是滿足探地雷達探測的必要物性前提條件。

2.2 探測參數(shù)選擇

為了獲得最佳性能，首先是選擇合適頻率的天線，正確地設(shè)置采集時窗、每掃點數(shù)、波速、點距，還有選擇合適的增益方式也很重要。

(1)一般選取探測深度h為目標(biāo)深度的1.3倍。設(shè)最大探測深度dmax和波速v，則采樣時窗W(單位ns):

(2)對于不同天線頻率F(MHz)、采樣時窗W，選擇的采樣率S應(yīng)滿足下列關(guān)系:

(3)評估可分辨兩相鄰管線的間距。能否分辨取決于兩管線間距是否大于第一Fresnel帶直徑的1/4，即的四分之一，其中v為波速，f為天線中心頻率，h為埋深。

(4)增益方式宜選擇自動，當(dāng)?shù)孛婊蛘叩叵陆橘|(zhì)有明顯變化時，要及時重新獲取自動增益曲線，然后再繼續(xù)探測。

雷達波速的給定值將直接影響到目標(biāo)物的探測埋深，宜采用由已知深度的管線標(biāo)定波速v的方式確定。

3 模型實驗

本次模型實驗以小口徑非金屬管線(直徑DN50～ 150)探測研究為主，實驗的管道選用直徑為DN63、90、110的PE管道。考慮到模型內(nèi)的介質(zhì)應(yīng)均勻并盡量與實際情況接近，故選擇自然狀態(tài)的河沙作為管道周圍的介質(zhì)，模型沙堆采取梯形結(jié)構(gòu)，保持頂面尺寸為200 cm×150 cm(長×寬)，高度為120 cm。

模型實驗的探地雷達天線頻率以900 MHz為主，200 MHz、600 MHz天線的實驗為輔。探討不同管徑、埋深，以及管道載體、地面材料對探測結(jié)果的影響。

3.1 單一管線模型的探測實驗

本次實驗?zāi)Ｐ偷牡亟橘|(zhì)采用中粒度沙，選擇單一小口徑PE管道(管徑為DN63)為探測對象，將管道保持水平夯入到預(yù)定深度位置，然后進行模型探測實驗。

實驗結(jié)果表明較高頻率的天線在一定埋深(50 cm以內(nèi))范圍內(nèi)可探測單一的中空小口徑塑料管道，并有較明顯的雙曲線異常特征。DN63管道空氣載體模型的900 MHz天線探測實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 單一非金屬管線模型的雷達圖像

3.2 并行管線模型的探測實驗

為了解900 MHz天線對并行管線的分辨率情況，開展了并行非金屬管線探測的模型實驗工作，選擇管徑為DN63和DN90，間隔為30 cm～50 cm的模型。模型探測實驗結(jié)果如圖3所示，其結(jié)果表明，在管頂埋深小于50 cm時，該雷達天線可區(qū)分間距大于30 cm的并行小口徑塑料管。圖2左側(cè)圖像是2根PE管存在時的雷達圖像，中間是將模型右邊的DN63管抽掉后保留孔穴時的雷達圖像，結(jié)果表明前后的兩個雷達圖像差異不大。右側(cè)圖是將DN63空孔充填后的雷達圖像，這時右邊的管線異常已經(jīng)消失了。這組實驗結(jié)果說明了塑料管本身的介電常數(shù)與空氣的差別確實不明顯(其理論比值在1.4～1.8之間)，也證明了采用雷達探測小口徑塑料煤氣管道確實存在較大的難度。

圖2 并行雙非金屬管線模型的雷達圖像

3.3 不同管徑非金屬管線模型的探測實驗

為確定 900 MHz天線的探測分辨能力，建立了DN40、DN63、DN90等3條不同管徑的物理模型，管道的水平間隔為 30 cm，呈品字形分布，DN40的在上方(埋深20 cm)，DN90在左下方(埋深35 cm)，DN63在右下方(埋深 33 cm)。模型探測實驗結(jié)果如圖3所示，其結(jié)果表明，DN40位置處基本沒有管線異常特征，表明900 MHz天線無法探測到DN40及以下的空塑料管道。

圖3 不同管徑非金屬管線模型的雷達圖像

3.4 不同管道載體的模型實驗

根據(jù)以往的理論研究和雷達探測的應(yīng)用情況，非金屬管道內(nèi)載體的不同會改變管道的物理性質(zhì)，對雷達的探測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此，開展了改變管道載體的模型實驗工作，在不改變其他條件的情況下，分別將管道內(nèi)注滿水(模擬給水管)或排空后(模擬煤氣管)進行探測實驗，比較其結(jié)果的不同。模型探測實驗結(jié)果如圖4所示，其結(jié)果表明，當(dāng)將左側(cè)的DN63塑料管道內(nèi)注滿水后，載水的管道的雷達圖像具有明顯的雙曲線異常特征，幅值比空管時強很多，并且有多次波，如圖3左圖所示；將右側(cè)的DN90塑料管道內(nèi)注滿水后，左邊管道排空，則DN90管道的雷達圖像具有明顯的雙曲線異常特征，幅值比左邊的空管強很多，并且有多次波，如圖3右圖所示。該實驗表明，由于管道內(nèi)水的介電常數(shù)(81)比空氣或煤氣以及塑料管道本身的介電常數(shù)(均小于6)大很多，在水與管壁之間形成了一個強電磁波反射面，故塑料水管會有明顯的雷達異常。它從實驗角度證明了為什么在實際探測中會常遇到同樣管徑的非金屬煤氣管的探地雷達異常要比水管的弱很多的這樣一種現(xiàn)象。

圖4 不同載體非金屬管線模型的雷達圖像

3.5 不同地面材料的模型實驗

在雷達的實際探測工作中，地面材料對探測結(jié)果也會產(chǎn)生一定的影響。為探討其作用程度，通過在沙堆模型的頂面鋪蓋地磚的方式，模擬不同地面材料下的非金屬管線探測實驗。模型實驗的管徑為DN90、DN110，管頂埋深分別為 0.32 m、0.34 m。模型探測實驗結(jié)果如圖5所示，其結(jié)果表明當(dāng)?shù)孛驿佊械卮u、巖石或其他材料時，地磚與沙土之間界面的強反射以及其縫隙間和邊緣的繞射波效應(yīng)會產(chǎn)生干擾波，影響管線異常的識別。在實際的探測應(yīng)用中，除上述的影響外，地面材質(zhì)的變化有時還會削弱、淡化管線的雷達異常信號，甚至?xí)纬蓽\部介質(zhì)界面的全反射現(xiàn)象，使電磁波根本穿透不下去，導(dǎo)致無法探測到下部的目標(biāo)管線。這一點在實際探測中應(yīng)該特別加以注意。

3.6 不同頻率天線的模型實驗

對于同一個模型體，通過 200 MHz、600 MHz和900 MHz等3種不同頻率天線的探測對比試驗，了解管線異常隨頻率改變的變化特征。該模型的布置(從左到右)參數(shù)為:一根滿水 PE管(DN110)，埋深0.5 m，一根空心 PE管(DN90)，埋深 0.5 m，一根DN50的鋼管，埋深 0.39 m。其間距分別為 0.45 m、0.35 m，管線周圍介質(zhì)為自然堆積狀態(tài)的河沙。模型實驗的探測結(jié)果如下圖 6所示。從其結(jié)果可見，900 MHz天線可清晰地分辨出3條不同的管線異常，且異常特征較明顯；600 MHz天線可勉強分別出左右兩條管線的異常，但無法辨認(rèn)中間的PE空管的異常；而200 MHz天線則基本無法分辨這3條管線的反射波。由此可見，高頻天線具有較高的分辨率，有利于淺部、細(xì)小管線的探測應(yīng)用。

圖5 有(左)、無(右)地磚模型的雷達圖像對比

圖6 不同頻率(900M，600M，200M)天線的模型實驗結(jié)果對比

3.7 應(yīng)用實例

非金屬管道內(nèi)的載體不同，將會對探地雷達的異常特征產(chǎn)生很大的影響，這一點不但是模型實驗中得到的結(jié)論，同時也得到大量實際探測工程的驗證。圖7為實際探測工程中的一組典型雷達圖像，左側(cè)圖為兩條間距是0.55 m并行的DN110的PVC給水管道的異常圖像，可見該異常具有幅值強、多次波明顯的特征；右側(cè)圖則是一條DN160的PE煤氣管道的異常圖像，其特點是幅值較弱，且無多次反射波。

圖7 給水與煤氣塑料管道的探測實例

4 多次反射波的新應(yīng)用

一直以來，探地雷達基本上只是用來探測地下管線的位置與埋深，對于管線的管徑，則基本上都是利用已知資料或開挖取證。也有人提出過利用雷達波的寬度對管徑進行估算，但這樣的計算結(jié)果一是誤差會很大，而且技術(shù)也很不成熟。我們在模型實驗和實際探測過程發(fā)現(xiàn)，非金屬給水管線的探地雷達反射圖像中，往往存在著管線的多次反射波信號，其中就包含有管徑的信息，處理這些信息，即可獲取準(zhǔn)確的管徑數(shù)據(jù)。

在分析不同管徑的非金屬給水管道GPR圖像中的多次反射波發(fā)現(xiàn):管徑與其多次反射波的間距成正比，其管徑可按公式D＝Vc水×∑(Ti＋1－Ti)/2(n－1)計算。

其中:Vc水是水的電磁波速度，Vc水＝0.033 m/ns。Ti＋1、Ti是相鄰上下反射波的走時，單位為ns，n為可截取到的雷達反射波的總個數(shù)。

模型實驗的多次波間距與其管徑的對照表 表2

現(xiàn)場探測的多次波間距與其管徑的對照表 表3

表2是模型實驗時3種管徑的計算結(jié)果，其偏差均小10%；表3是給水管線探測實例中不同管徑的計算結(jié)果，其偏差均小7%。由此可見，模型實驗和實際探測結(jié)果均驗證了上述管徑計算公式的正確性。

5 結(jié) 語

探地雷達方法具有無損、快速的優(yōu)點，正日益廣泛地運用于管線探測及其他探測和檢測領(lǐng)域，如何更好地應(yīng)用這種物探方法，除選擇合適的儀器、天線頻率和工作方法外，根據(jù)圖像特征正確地識別管線異常也是一個非常重要的環(huán)節(jié)。本文采取與實際情況較為接近的模型實驗的方法，對非金屬管線探測中影響探地雷達圖像異常特征的幾個因素進行了系統(tǒng)分析和論證，找出了影響雷達異常特征的主要因素，這對非金屬管線探測將提供非常有益的指導(dǎo)和借鑒。另外，利用多次反射波計算管徑的公式不但與模型實驗結(jié)果吻合，還得到了大量實例的驗證，它成功地解決了給水非金屬管管徑的探測問題。

[1]李大心.探地雷達原理與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社，1994

[2]袁明德.探地雷達探測地下管線的能力[J].物探與化探，2002，26(2):152－155＋162

[3]王惠濂.探地雷達目的體物理模擬研究結(jié)果[J].地球科學(xué)，1993，18(3):266－284＋368

[4]張漢春，曹震峰.RIS－K2探地雷達在地下管線竣工測量中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2007，5(4):395～399

[5]鄧世坤.探地雷達野外工作參數(shù)選擇的基本原則[J].工程地球物理學(xué)報，2005，2(5):323～329

Research and Application of the GPR Image Characteristics of Underground Nonmetallic Pipelines

Cao ZhenFeng，Qiu GuangXin，Ge RuBing
(Guangzhou Urban Planning＆Survey Design Research Institute，Guangzhou 510060，China)

Recently，The GPR is a commonly used method in the underground nonmetallic pipeline survey.The research of the image characteristics of underground pipelines can increase the efficiency and accuracy of this method significantly.At the same time，it can also discover some new rules and application of them.This paper focuses on some key points in the application of the GPR，begins with the study of model experiment，thoroughly analyses several factors which have effect on underground nonmetallic pipeline survey，and states that electrical parameter of pipeline carrier is the most important factor which determines the GPR image characteristics of pipelines.In addition，it presents a formula of calculating the diameter of nonmetallic waterline，according to the distance of the multiple reflected wave of GPR at the first time.The formula is confirmed by the actual survey and provides a new method of the application of the GPR in urban underground utilities general survey.

Pipeline survey；GPR；Pipeline carrier；Pipeline diameter

1672－8262(2010)02－172－05

P631

B

2009—08—18

曹震峰(1962—)，男，高級工程師，從事地下管線探測、工程物探及礦產(chǎn)物探工作。