地質(zhì)雷達技術(shù)在城市供水管網(wǎng)探測的應(yīng)用

黃文偉

（江門市金盾供水消防工程有限公司，廣東 江門 529000）

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，原有城市地下供水管網(wǎng)資料欠缺的矛盾越來越突出，因此查明地下供水管網(wǎng)，并確定其分布、埋深及走向的任務(wù)引起了人們的重視。然而地下供水管網(wǎng)分布復(fù)雜、埋設(shè)較深、金屬管與非金屬管混雜和干擾源較多的條件下給探測任務(wù)帶來了不少的難度。使用傳統(tǒng)的金屬管線儀已無法完全滿足現(xiàn)有的管線探測需要，所以近年國內(nèi)引入了地質(zhì)雷達這項新技術(shù)，取得了不錯的效果。

1 工作方法原理

地質(zhì)雷達是以地下各種介質(zhì)的電阻率和介電常數(shù)差異為物理條件，通過向地下發(fā)射高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布的無損探測儀器。雷達通過在地面上移動的發(fā)射天線向地下發(fā)射50kHz～1000kHz的大功率脈沖高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到不同的電性界面時，就會發(fā)生反射、透射及折射，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)間的電性差異越大，反射回波的能量也就越大，反射到地面的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，精確記錄下反射回波的時間、相位、振幅、波長等參數(shù)，再通過信號疊加放大、濾波、圖像合成等數(shù)據(jù)處理后，獲得地下剖面的掃描圖像，對雷達圖像的識別，可以得到地下管線的分布位置和狀態(tài)。

2 地下供水管網(wǎng)的雷達波特征

3.1 無管線時的雷達波特征

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)完整，沒有電性差異時，雷達波根本不發(fā)生反射或發(fā)生能量很弱，但地下往往是層狀介質(zhì)，比如道路自上而下有瀝青層、回填層、原土層等，這些層狀介質(zhì)都不同程度地存在著電性差異，因此也會產(chǎn)生反射波。此外道路下局部還存在著如廢棄的金屬、磚塊、瓦礫等障礙物，都會產(chǎn)生反射波。一般來說，但層狀介質(zhì)、障礙物等的雷達波圖像與管線的雷達波圖像是有明顯區(qū)別的。具體表現(xiàn)為，管線異常在雷達圖像上反映的是一條平滑的多層雙曲線，可根據(jù)這一異常特征來判定管線是否以及管線的位置、深度。層狀介質(zhì)的雷達波圖像為水平狀或傾斜狀，而障礙物的雷達波圖像則比較雜亂。

如圖1為無地下供水管網(wǎng)的雷達波圖像，圖中反射波圖像主要為水平層狀特征，局部有障礙物發(fā)射特征，未見"弧形"的地下管線反射波圖像特征。

圖1 無管線的雷達波圖像

2.2 金屬管線的雷達波圖像

在雷達圖像中，由于金屬管線的電性（介電常數(shù)及電導(dǎo)率）與道路下土層的電性存在較大差異，因此管線頂部的反射波信號較強，如圖2，供水管均為金屬管線，雷達波圖像表現(xiàn)為"白色"，表示反射信號強。此外，由于管徑較大，所以"弧形"寬度較寬。

圖2 Φ800mm的供水管雷達波圖像

2.3 非金屬管線的雷達波圖像

非金屬管線一般為混凝土管、PVC塑料管等，其導(dǎo)電性差，而道路下土層中通常含地下水，因此地下土層的電導(dǎo)率相對非金屬要明顯低，當(dāng)遇到發(fā)射波時，非金屬管線也會產(chǎn)生明顯的反射波，不過一般情況下，其反射波強度要比金屬管線弱，如圖3所示為Φ1000mm雨水管（混凝土）的雷達波圖像，"弧形"特征較為明顯，但反射波強度比圖2的上水管明顯要弱。這也是區(qū)分金屬管、非金屬管的一個參數(shù)。

圖3 Φ1000mm的非金屬管雷達波圖像

3.4 相距很近的兩條平行管線的雷達波圖像

我們知道，管線探測儀對相距較近的兩條平行管線往往難以區(qū)分，在沒有已知資料的情況下，通常被認為是一根管線，管線平面位置是兩條平行管線的中間位置，這樣就會給工程建設(shè)造成損失。對于相距較近的平行管線，地質(zhì)雷達可以發(fā)揮不可替代的作用。如圖4所示兩條相距很近的雷達波圖像，左側(cè)為頂深0.7m的雨水管，右側(cè)為頂深1.4m的煤氣管，兩者中心相距0.8m，從圖像中可以明顯區(qū)分為兩條管線，并且左側(cè)管線反射波較弱，可判定為非金屬管線，右側(cè)管線的反射波較強，可判定為金屬管線。原因就是，管線探測儀的發(fā)射機、接收機通常有10m以上的距離，接收機接收的是感應(yīng)電磁波，感應(yīng)電磁波對相距較近的金屬管同時接收，因此難以分辨。而地質(zhì)雷達發(fā)射、接收同步進行，它只接收管線頂部的反射波，因此能夠區(qū)分相距很近的地下管線，同時也能夠定性區(qū)分管線性質(zhì)。

圖4 相距很近的兩條管線的雷達波圖像

3.5 管線位置、深度確定

根據(jù)場地內(nèi)的地電條件、工作環(huán)境以及以往工作經(jīng)驗，設(shè)定采樣時間、觸發(fā)間隔、雷達波速速參數(shù)。管線深度確定與雷達波速有關(guān)，管線頂深h為：

式中：

v為雷達波速（可根據(jù)經(jīng)驗或已知管線的埋深測量后得到）；

T為雷達波反射時間（可從雷達波圖像中讀出）。

根據(jù)上述公式可確定管線的頂深。

平面位置通過在地面設(shè)定標(biāo)記獲得，因為"弧形"頂點就是管線的平面位置。

4 結(jié)語

總之，隨著城市工程事業(yè)的發(fā)展，對地下供水管網(wǎng)特別是非金屬管線的探測要求會越來越高，地質(zhì)雷達的應(yīng)用也將會得到不斷推廣。因為它是一種無損探測，不會造成路面破壞，交通中斷，只需做少量的開挖驗證。但是，研究表明地質(zhì)雷達探測效率較低、成本偏高，不適宜大區(qū)域開展探測，建議結(jié)合其他探測設(shè)備配合使用，會取得更佳的效果。

[1]周正寶，探地雷達在非金屬管線探測中的應(yīng)用[J].科技展望,2010.09

[2]劉文伍，儲征偉，田慶福.武漢市地下管線探測方法技術(shù)的應(yīng)用研究[J].城市勘測,2006.01