埋地PVC管道地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法改進(jìn)

李興迪　王永強(qiáng)

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院)

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埋地PVC管道地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法改進(jìn)

李興迪王永強(qiáng)

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院)

摘要地質(zhì)雷達(dá)被廣泛用于埋地管道探測(cè)，但對(duì)埋深較大的非金屬管道探測(cè)效果不理想。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)原理，對(duì)PVC管道綁定金屬鐵絲和包裹錫箔紙，以增強(qiáng)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)埋地PVC管道的探測(cè)效果。計(jì)算機(jī)正演模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，上述方法有助于改善埋地PVC管道地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)效果。

關(guān)鍵詞地質(zhì)雷達(dá)PVC管道探測(cè)正演模擬

城市埋地管道多種多樣，其中較常見的有鋼管、混凝土管以及PVC管等，各類管道的埋深、管徑各不相同，埋設(shè)地面情況也不盡一致。由于非金屬管道對(duì)電磁波感應(yīng)不靈敏，因而探測(cè)難度較大，不宜采用管線探測(cè)儀進(jìn)行探測(cè)[1]，相對(duì)而言，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)于該類管道的探測(cè)效果較好[2]。地質(zhì)雷達(dá)是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，通常為1～ 1 000 MHz，通過天線接收反射回地面的電磁波進(jìn)行探測(cè)，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的分界面時(shí)發(fā)生反射。在地質(zhì)雷達(dá)儀器性能條件一定的情況下，接收回波信號(hào)的強(qiáng)弱取決于介質(zhì)性質(zhì)、頻率和深度[3]。地質(zhì)雷達(dá)的電磁反射是探測(cè)非金屬管道的有效手段，電磁波的傳播特性與反射特性即速度與衰減直受到非金屬管道導(dǎo)電特性變化的影響[4-7]，因此，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)非金屬管道探測(cè)具有一定困難。對(duì)此，本研究針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)埋深較大的PVC管道探測(cè)效果不理想的問題[8-10]，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，并通過計(jì)算機(jī)正演模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)1。給管道增加1根金屬鐵絲，軸向綁定，探究改進(jìn)后對(duì)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)的影響(圖1(a))。1#、2#管道對(duì)比，3#、4#管道對(duì)比，分析增加金屬絲之后的管道對(duì)雷達(dá)波形的影響；1#、3#管道對(duì)比，2#、4#管道對(duì)比，分析管道埋深對(duì)雷達(dá)波形的影響。

(2)試驗(yàn)2。給管道包裹1層錫箔紙，探究改進(jìn)后對(duì)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)的影響(圖1(b))。1#、2#管道對(duì)比，3#、4#管道對(duì)比，分析包裹錫箔紙后的管道對(duì)雷達(dá)波形的影響；1#、3#管道對(duì)比，2#、4#管道對(duì)比，分析管道埋深對(duì)雷達(dá)波形的影響。

圖1　管道埋設(shè)布置剖面

2正演分析

本研究采用GPRmax2D[11]軟件進(jìn)行正演分析，該軟件操作步驟：首先利用txt文檔按軟件的語法規(guī)則編寫建模程序，作為輸入程序；然后利用軟件的“windows文件”目錄下的“GPRmax2D”進(jìn)行讀取并運(yùn)算，輸出“geo”、“out”文件(“geo”為建模圖形文件，“out”為模擬仿真波形文件[11])；最后通過MATLAB軟件打開，利用函數(shù)調(diào)用出“geo”、“out”文件查看分析結(jié)果。模型采用探地雷達(dá)正演模擬的天線中心頻率為900 MHz，模型區(qū)域尺寸800 mm×600 mm，模型介質(zhì)為土層，介電常數(shù)為15，電導(dǎo)率0.01 s/m，管道界面介電常數(shù)為3.0，電導(dǎo)率 0.01 s/m，增加的鐵絲半徑為0.004 m。模型模擬的網(wǎng)格步長(zhǎng)為 2.5 mm，時(shí)窗為12 ns，計(jì)算步數(shù)為68。發(fā)射電線初始位置為(0.087 5，0.552 5)，接收天線初始位置為(0.112 5，0.552 5)，天線步長(zhǎng)為10 mm。正演分析結(jié)果見圖2。

圖2　正演分析結(jié)果

從圖2(a)中可清晰看到4組雙曲線，分別對(duì)應(yīng)了4條埋地管道，各管道的管頂繞射波有較明顯的顯示，而管底繞射波不夠明顯。通過該圖可很明顯看到在x=0.2，x=0.5處有雙曲線反應(yīng)，而在x=0.3及x=0.6處，由于管道埋深較大，因此雙曲線反應(yīng)不夠明顯，強(qiáng)度減弱，1#、3#管道雷達(dá)波形較2#、4#管道清晰。從圖2(b)可清晰看到4組雙曲線及少量重復(fù)波形，該4組雙曲線分別對(duì)應(yīng)了4根埋地管道，各管道的管頂繞射波均有較明顯的顯示，管底繞射波也較明顯。通過該圖可很明顯看到在x=0.2，x=0.5處有雙曲線反應(yīng)，而在x=0.3及x=0.6處，由于管道埋深較大，較之淺層，管道雷達(dá)反應(yīng)強(qiáng)度有所減弱，相對(duì)于2#、4#管道，1#、3#管道雷達(dá)波形改變較顯著，無論是管頂繞射波還是管底繞射波，均明顯增強(qiáng)，可見，給管道包裹錫箔紙顯著提高了雷達(dá)的感應(yīng)強(qiáng)度，增強(qiáng)了探測(cè)效果。

3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)1、試驗(yàn)2的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

通過圖3(a)可很明顯看出1#、2#、3#、4#管道的4個(gè)典型曲線拱，其中1#、3#管道的曲線拱更清晰，波形更明顯，左右管道間隔距離一定，埋深兩兩水平，埋深分別為0.25，0.42 m，圖中很難觀察到管底繞射波。較之2#、4#管道，1#、3#管道由于增加了鐵絲，圖像更清晰，波形更明顯，可見，管道增加鐵絲可較明顯地增強(qiáng)雷達(dá)探測(cè)反射信號(hào)。通過圖3(b)可很明顯看出1#管道的曲線拱，而2#、3#管道的曲線拱則較弱，4#管道的曲線幾乎難以辨認(rèn)，左右管道間隔距離一定，埋深兩兩水平，埋深分別為0.25，0.42 m，圖中很難看到管底繞射波。相對(duì)于2#、4#管道，1#、3#管道由于包裹了錫箔紙，圖像非常清晰，波形非常明顯，可見，將管道包裹錫箔紙可顯著增強(qiáng)雷達(dá)探測(cè)反射信號(hào)。

4結(jié)論

(1)由于鐵絲作為優(yōu)良導(dǎo)體，對(duì)電磁波的反應(yīng)較靈敏，對(duì)于同一埋深的PVC管道，增加1根金屬鐵絲做標(biāo)記，可較明顯地增強(qiáng)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)。

(2)由于錫箔紙對(duì)電磁波的反應(yīng)非常靈敏，對(duì)于同一埋深的PVC管道，增加錫箔紙包裹處理，可顯著增強(qiáng)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)。

(3)在管道敷設(shè)過程中，可在管道交叉、密集的部位有針對(duì)性的給管道綁扎鐵絲或包裹錫箔紙，以增強(qiáng)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)，在PVC管道生產(chǎn)過程中，建議在管道表面鍍1層很薄的錫層，有助于提高關(guān)鍵區(qū)域PVC管道地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的精準(zhǔn)性。

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(收稿日期2015-10-19)

李興迪(1990—)，男，碩士研究生，621010 四川省綿陽市涪城區(qū)青義鎮(zhèn)。