瞬態瑞雷波法在地下管線探測中的應用研究

奧村運明 陳宇源 王慶安 李夢杰

摘 要：地下管線作為市政建設的重要配套項目，承擔著供水、供氣、排水、排污和電力通訊等諸多功能。在漫長的城市化發展中，地下管線的建設資料往往存在遺失、難找尋的問題，導致城市在改擴建過程中無法確定地下管線的位置，在施工過程中可能會誤破壞已有管線，對居民的正常生產生活造成不便，所以對于地下管線的探測定位就顯得極為迫切。針對地下管線探測，借助于虛擬儀器技術搭建了一套利用瑞雷波探測地下管線的探測系統，并在埋有地下管線的實驗地點進行地下管線的探測實驗，實驗結果表明，該系統在地下管線探測方面具有較好的應用前景。

關鍵詞：地下管線;虛擬儀器;瑞雷波;探測

中圖分類號：TU990.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）16-0123-04

Abstract： As an important supporting project of municipal construction， underground pipelines undertake many functions such as water supply， gas supply， drainage， sewage and electric power communication. In the long-term urbanization development， the construction materials of underground pipelines often have problems that are lost and difficult to find，it causes the location of underground pipelines to be determined during the process of urban reconstruction and expansion， which may be damaged during the construction process. Therefore， it is extremely urgent to detect and locate underground pipelines. Aiming at the detection of underground pipeline， a set of detection system using Rayleigh wave is set up by means of virtual instrument technology.And the detection experiment of underground pipeline is carried out in the experimental site where underground pipeline is buried. Experimental results show that the system has a good application prospect in the detection of underground pipeline.

Keywords： underground pipeline;virtual instruments;rayleigh wave;detection

在城市發展過程中，地下管線作為供水、供氣、排水、排污和布設電力通訊線纜的通道，如同城市的生命線一般。中國的城市地下管線長度十分驚人，像北京、上海這樣的特大城市，地下管線長度可以達到10萬km左右，即使是一般的縣城，其地下管線長度也能達到近1 000km。但是，在我國城市化發展中，人們往往重建設、輕管理，不同的城市建設部門對于地下管線的管理各自為政，沒有形成統一規范的規劃、報建、審批、勘測、驗收備案以及資料歸檔管理，地下管線管理基本處于無序狀態。在后期城市建設與改造中，由于管線檔案資料缺失，引發了很多管線破壞、停電停水等諸多事故，給社會經濟生產和居民正常生活造成了極大不便[1]。

對于地下管線的探查，多通過現場實勘和測量的方式，打開井蓋探查內部的管道埋設深度以及走向，然后判斷地下管線的埋設情況，但是對于較復雜埋設狀況，上述方法就難以較好適用[2]。從管線材料或者材質上，可以分為金屬類的管線和非金屬類管線兩大類，目前對于金屬類管線使用地質雷達等手段取得了較好的探測效果，但對于非金屬類管線，目前仍無較為精密準確的探測手段[3，4]。因此，基于地下管線的探測需求，本研究在虛擬儀器技術的基礎上，采用瑞雷波探測方法構建了一套地下管線探測系統，并在埋有地下管線的實驗地點進行了地下管線探測實驗，最后通過揭開井蓋查看具體管線埋設情況的方式對探測結果進行了實際比對。

1 儀器構建

1.1 探測原理

瑞雷波具有能量強、衰減慢、信噪比高、抗干擾能力強以及在層狀介質中的頻散特性，因此，瑞雷波勘探被廣泛應用于無損檢測、地質勘探等領域[5]。瑞雷波的探測方法有兩種，分別為穩態瑞雷波法和瞬態瑞雷波法。本研究采用瞬態瑞雷波法，采用橡膠錘重擊地面，激發出各種頻率的瑞雷波，然后通過檢波器接收瑞雷波，再進行頻譜分析，最后可以得到相應頻散曲線。瞬態瑞雷波法的探測原理如圖1所示。

瑞雷面波的傳播波速與介質的物理力學性質密切相關。因為瑞雷波是縱波和橫波在介質界面附近復合振動形成的復合波，氣體、液體等流體中不產生橫波，在空洞和含水量過大的地層瑞雷波的頻散曲線容易出現錯斷、中斷、間斷等[6]。因此，可以通過瑞雷面波測試來獲取探測區域的頻散曲線圖，再通過分析頻散曲線的特征來判斷探測區域是否有地下管線。

1.2 硬件選擇

本研究地下管線探測系統構成圖如圖2所示。地下管線探測系統需要用加速度傳感器采集振動信號，并將其轉換為電信號，但傳感器本身輸出的是微弱電壓，所以需要對其進行調理、放大和濾波處理，而后通過信號采集卡將電信號傳到電腦。

1.3 軟件介紹

用于地下管線探測的探測系統使用LabVIEW編程語言自主開發完成，采用模塊化編程的思路，主要包含了信號采集模塊，信號處理與分析模塊，結果顯示與儲存模塊，探測系統的前面板和程序面板分別見圖3和圖4。

2 現場實驗

2.1 實驗布置

實驗選擇廣場中的一個雨水井向外延伸的雨水管道作為探測實驗對象，該處雨水井共與5條雨水管相連接（見圖5），經測量得知，雨水管管徑40mm，管頂埋深1.10m左右，圖中箭頭方向為雨水管連通方向。由于實驗時需要將兩個加速度傳感器跨管道布置，大概各距管道1m左右，再選擇兩傳感器軸線的任一端向外1.5m處作為擊震點，于是先用卷尺配合粉筆在現場進行傳感器和擊震點的布置和標記，大概布置見圖6。此次雨水管探測實驗共進行8組實驗，依次為環繞雨水井的8個方向，其中，有5次為地下埋有雨水管道的探測，3次為無地下雨水管道的探測，具體實驗過程見圖7和圖8。

2.2 實驗結果及分析

實驗共分為8組，分別為標號①～⑧，各組實驗頻散曲線見圖9～16。通過頻散曲線反演可知，其中，①～⑤組的頻散曲線顯示探測到雨水管，⑥～⑧組的頻散曲線顯示為探測到雨水管，具體頻散曲線反演結果見表1。由表1可知，頻散曲線反演結果顯示，在探測到雨水管的組別中，雨水管埋深的探測結果大致在0.9～1.1m，而推算出的雨水管管徑為36～45mm，這與雨水井實勘情況較為吻合。

3 結論

從本研究的實驗結果可以看出，瞬態瑞雷波法在地下管線探測方面具有良好的應用前景，對于地下管線存在與否，埋深及管徑都具有一定的識別能力，但考慮到探測環境中復雜的地質條件以及現場其他振動都會對探測信號的采集和分析造成很大程度的干擾，故還需要在信號采集和處理分析過程中添加一定的濾波條件以濾除現場不良干擾，從而增強探測結果的精確度。

參考文獻：

[1]周夢麟.淺議針對城市地下管網的安全防范措施和技術[J].中國公共安全，2015（9）：74-76.

[2]江貽芳，伍繁榮.城市地下管線普查探查過程質量控制[J].河南理工大學學報（自然科學版），2007（6）：687-693.

[3]陳杰華，陳敏.城市地下管線測量方法研究[J].江西測繪，2015（2）：38-41.

[4]張征，趙俊蘭，張政委.校園地下管線探測實踐[J].科技視界，2015（3）：30-32.

[5]劉富強.瞬態瑞雷波法在黏土壓實度和公路裂縫深度檢測的應用研究[D].鄭州：鄭州大學，2018.

[6]梁化洋.基于虛擬儀器技術的瑞雷波無損檢測系統的開發研究[D].鄭州：鄭州大學，2016.