管線儀和探地雷達在地下管線探測中的應(yīng)用

趙凱鵬

廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司 廣東 廣州 510000

1 地下管線探測的重要性

地下管線作為城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著給水、電力、熱力、通信等的傳輸功能，是一個城市的“生命線”[1,2]。而目前我國地下管線資料管理混亂、信息化程度低、準確性不高，僅憑資料收集難以獲得地下管線的準確信息。如何獲得準確的地下管線信息是工程設(shè)計和施工的基礎(chǔ)，管線儀和探地雷達作為管線探查中的重要儀器，不僅需要了解儀器的工作原理、使用方法，而且需要對實際探測中遇到的問題進行研究和解釋。

物探方法的必要前提是目標體與周圍介質(zhì)有物性差異，如電導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、密度等。地下管線主要有金屬類(電力線纜、通信線纜、給水鑄鐵管)和非金屬類(水泥、PE管、PVC管)，地下管線在電導(dǎo)率和介電常數(shù)上與周圍介質(zhì)有較大物性差異。管線儀主要用于金屬類管線的探查，探地雷達解決非金屬管線探測的難題。

2 RD8100管線儀的工作情況

2.1 RD8100管線儀的工作原理

RD8100管線儀的工作基本原理是電磁感應(yīng)，地下管線材質(zhì)與周圍介質(zhì)電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率存在較大差異，發(fā)射機供交變電流，形成交變磁場，該磁場在管線中形成交變電流，管線中的交變電流在管線周圍形成電磁場。通過管線儀接收機內(nèi)部的線圈可以探查管線的位置和深度，一般將施加信號的管線等效為無限長通電直導(dǎo)線。

如圖1所示RD8100管線儀有兩個水品線圈t和b、一個豎直線圈v，目標管線頂部兩個水平線圈處的電磁場強度如圖中公式所示，通過這兩個公式可以計算出管線的埋深。管線周圍的解析表達式如方程(1)(2)：[2,3]

圖1 RD8100管線儀水平線圈測深示意圖

其中u為中介質(zhì)中的磁導(dǎo)率，I為電流強度，h為管線埋深(探測線與地面重合時)，x為探測點到目標管線在地面投影的距離。谷彥斐等[1]通過方程(1)(2)定量分析了旁側(cè)管線干擾情況下產(chǎn)生誤差的原因，為外業(yè)管線探測的信號源判定提供了依據(jù)。

2.2 管線儀的探測方法

管線儀探測方法主要有直連法、夾鉗法、感應(yīng)法。直連法是將管線儀的電纜正極(紅色)接在目標管線上，負極(黑色)接到接地電極上，負極接線盡可能垂直于目標管線的走向。常用于通信線、有示蹤線的燃氣管道、石油管道等；夾鉗法是將夾鉗閉合夾在目標管線上，使目標管線穿過夾鉗。多用于電力、通信線等的探測；感應(yīng)法是將發(fā)射機置于目標管線上方，接收機接收管線激發(fā)的二次場的方法。信號強度衰減較快，且易于受到旁側(cè)管線的干擾。

管線儀的確定位置的方法主要有極大值法(峰值法)、極小值法(谷值法)、極大/極小值法(峰值/谷值法)等[4]。極大值法利用兩個水平線圈確定位置和深度，精度最高，抗干擾能力強；極小值法利用垂直線圈確定位置和深度，易受到干擾；極大/極小值法兼有極大值法和極小值法的優(yōu)點，但間隔一段距離需要用極大值法或極小值法驗證。

2.3 管線儀實際使用的注意點

(1)探測區(qū)域無管線出露時，可以采用一人拿發(fā)射機、一人拿接收機間距15～20m相對移動的方式，在探測區(qū)域內(nèi)呈“米”字型探測。

(2)埋深較大的管線定深度時宜采用70%法。如圖2所示，在目標管線頂部測的最大值為E，保持接收機與地面高度不變垂直移動接收機，找到管線兩側(cè)70%E強度的位置，用卷尺量出這兩個位置的長度為x，x即與管線的埋深h相等。

圖2 70%法定深示意圖

2 探地雷達的工作情況

2.1 探地雷達的工作原理

探地雷達的工作物性基礎(chǔ)在于地下目標體和周圍介質(zhì)之間存在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的差異，如圖3。探地雷達發(fā)射天線(T)向地下發(fā)射高頻電磁波，遇到不同的目標發(fā)生來反射和透射，反射回來的電磁波被接收天線接收(R)，透射電磁波向下傳播繼續(xù)發(fā)射反射和投射，直到能量損耗完。

圖3 探地雷達原理示意圖

如圖3中所示，目標管線的埋深為h，發(fā)射天線和接收天線間距為x，v為介質(zhì)中電磁波傳播速度，c為真空中電磁波傳播速度，分別為相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率，t為電磁波的雙程走時，滿足方程(3)(4)：

通過簡單推到可以得到方程(5)

其中t可以在探地雷達的采集軟件上讀取，相對介電常數(shù)可以通過現(xiàn)場試驗獲得，通過方程(5)即可獲得目標管線的埋深。

3.2 探地雷達的工作方法

BS-M探地雷達的發(fā)射天線和接收天線集為一體，所以工作方法主要有以下三種：A-scan、B-scan、C-scan[5]。A-scan即為單點連續(xù)采集的工作模式，采集得到的數(shù)據(jù)是單道數(shù)據(jù)；B-scan即為剖面線采集模式，沿著垂直于管線的剖面線采集數(shù)據(jù)，常見推車的作業(yè)模式即為該種模式。C-scan即間隔一定距離按照B-scan的方式作業(yè)，得到三位地下數(shù)據(jù)。對于B-scan法，有以下幾個重要的參數(shù)概念[6]：

(1)時窗：時窗一般選擇目標管線1.2～1.5倍深度，電磁波從儀器到該深度的雙程走時作為時窗大小。

(2)采樣點數(shù)：采用點數(shù)在條件允許下盡量大，與天線頻率和時窗大小滿足關(guān)系：采樣點數(shù)0.01天線頻率視窗大小。

(3)延時：通過單道窗口調(diào)節(jié)，波形顯示完整即可。

(4)觸發(fā)方式：一般有連續(xù)、鍵盤觸發(fā)、測距輪觸發(fā)，根據(jù)作業(yè)環(huán)境選擇即可。

3.3 探地雷達圖像識別和理解

以湛江市飲調(diào)水工程某測區(qū)內(nèi)的DN1200鑄鐵接水管為例。

天線頻率為200MHz，相對介電參數(shù)為7。可以看到在深度約為1.4m處有明顯的反射曲線。經(jīng)過前期資料搜集和現(xiàn)場開井查看，判斷為DN1200的鑄鐵水管。為了更清楚的了解電磁波在該處的傳播情況，選擇用GprMax開源軟件進行模擬。GprMax是時間域有限差分正演算法，設(shè)置模型大小為4mx2m，網(wǎng)格尺寸為0.005m，時窗為60ns，子波是主頻200MHz的雷克子波，天線步進距離為0.1m。

如圖4所示，模型頂部是空氣，兩側(cè)和底部是吸收層，管道為一定厚度的鑄鐵管，管道內(nèi)部充滿水：

圖4 DN1200鑄鐵管模型圖

正演模擬可以看到30ns有一條明顯的反射曲線，代表給水管。反射曲線無其他雜波干擾，延伸較長。為了更清楚的了解電磁波在節(jié)水鑄鐵管中的傳播情況，取出波場快照進行研究。

可以看到20ns電磁波抵達管頂，發(fā)生了部分反射和投射，35ns鑄鐵管反射的電磁波已經(jīng)到達地表。通過正演圖像和波場快照可以看到，電磁波在通過給水管時發(fā)生的反射和投射。

該工程某測區(qū)有DN315材質(zhì)PVC的燃氣管存在，使用RD8100管線探測儀直連法，連接燃氣的示蹤線沒有穩(wěn)定連續(xù)信號，推測為示蹤線被破壞。因此使用探地雷達探測，采集軟件的介電常數(shù)為10。

可以看到較為明顯的反射曲線，但收到起伏地表和旁側(cè)管線的干擾，反射曲線不連續(xù)。

為了解電磁波的在燃氣管中傳播情況，使用GprMax軟件進行模擬，設(shè)置模型大小為3mx2m，網(wǎng)格尺寸為0.005m，時窗為60ns，子波是主頻200MHz的雷克子波，天線步進距離為0.05m，介質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 介質(zhì)參數(shù)表

正演模擬數(shù)據(jù)如圖5所示，為了更清楚的顯示反射曲線，去除地面直達波得到數(shù)據(jù)如圖6：

圖5 PVC管道正演圖

圖6 去除地面回波圖像

從圖6中可以看到明顯的三條反射曲線A、B、C，曲線強度B最強C最弱；B曲線較為“尖銳”，C曲線“平緩”，在曲線相互交錯的地方出現(xiàn)了多次波。在野外數(shù)據(jù)采集時，若信號較弱，需要提高顯示系數(shù)，避免丟失底部較弱的信號。

4 結(jié)束語

本文簡單的敘述了管線儀和探地雷達的基本原理、工作方法、實際工作使用等情況，采用GprMax軟件對實際中的目標管線進行正演模擬，研究了電磁波在地下的傳播情況。給出以下建議：

(1)管線儀和探地雷達在管線探測由于工作原理和工作方法各不相同，發(fā)揮著不同的作用，結(jié)合兩者的優(yōu)點可以更好地服務(wù)于管線探測；

(2)管線儀在金屬管線探測方面優(yōu)勢顯著，提高管線儀的使用效果在管線普查方面會發(fā)揮更大作用；

(3)探地雷達是一種無損、高效的探測方案，實測數(shù)據(jù)由于地表起伏變化地下情況復(fù)雜，目標管線的反射曲線會發(fā)生扭曲，不易識別。通過GprMax軟件正演模擬電磁波的傳播過程，可以更清楚了解電磁波的傳播規(guī)律，有利于實際數(shù)據(jù)的識別。