地下非金屬管線探地雷達(dá)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(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510060)

地下非金屬管線探地雷達(dá)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(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510060)

探地雷達(dá)技術(shù)是目前地下非金屬管線探測(cè)的主要方法，開展地下管線的探地雷達(dá)異常特征的研究可大幅提高其探測(cè)方法的有效性和精度，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了一些新規(guī)律并加以應(yīng)用。本文針對(duì)探地雷達(dá)運(yùn)用的一些關(guān)鍵點(diǎn)，從模型實(shí)驗(yàn)研究入手，深入探討和剖析了影響非金屬管道探測(cè)的幾個(gè)因素，并根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)和大量的實(shí)際探測(cè)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(jì)算其管徑的公式，并得到了不同管徑的實(shí)例驗(yàn)證，為探地雷達(dá)在城市地下管線普查中的應(yīng)用提供新的借鑒。

管線探測(cè)；探地雷達(dá)；載體；管徑

1 引 言

近年來，非金屬管道被廣泛地運(yùn)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(duì)塑料管道及其周圍介質(zhì)的物性結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析它們的探地雷達(dá)異常特征以及影響其異常特征的因素，探討更有效的探測(cè)技術(shù)參數(shù)和手段，對(duì)拓寬探地雷達(dá)方法的應(yīng)用范圍是非常有意義的。

在大量的實(shí)際探測(cè)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(duì)雷達(dá)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(dá)的應(yīng)用效果。在開展不同頻率天線，進(jìn)行不同管徑、埋深、材質(zhì)、管內(nèi)載體的模型實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)一步證實(shí)了管內(nèi)載體的電性參數(shù)是影響非金屬管線探地雷達(dá)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 方法原理

探地雷達(dá)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(cè)區(qū)域的詳細(xì)信息。基本的探地雷達(dá)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(shí)，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(shí)，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(shí)，ε為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)值)。

探地雷達(dá)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(qiáng)弱變化，或分別以黑、白表示之。地下管線異常在雷達(dá)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(dá)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?？梢?，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(gè)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(shí)雷達(dá)系統(tǒng)接收到的回波幅度會(huì)明顯變強(qiáng)，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(dá)探測(cè)的必要物性前提條件。

2.2 探測(cè)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(shí)窗、每掃點(diǎn)數(shù)、波速、點(diǎn)距，還有選擇合適的增益方式也很重要。

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

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

(3)評(píng)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(dòng)，當(dāng)?shù)孛婊蛘叩叵陆橘|(zhì)有明顯變化時(shí)，要及時(shí)重新獲取自動(dòng)增益曲線，然后再繼續(xù)探測(cè)。

雷達(dá)波速的給定值將直接影響到目標(biāo)物的探測(cè)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(shí)驗(yàn)

本次模型實(shí)驗(yàn)以小口徑非金屬管線(直徑DN50～ 150)探測(cè)研究為主，實(shí)驗(yàn)的管道選用直徑為DN63、90、110的PE管道?？紤]到模型內(nèi)的介質(zhì)應(yīng)均勻并盡量與實(shí)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(zhǎng)×寬)，高度為120 cm。

模型實(shí)驗(yàn)的探地雷達(dá)天線頻率以900 MHz為主，200 MHz、600 MHz天線的實(shí)驗(yàn)為輔。探討不同管徑、埋深，以及管道載體、地面材料對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。

3.1 單一管線模型的探測(cè)實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)?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(cè)對(duì)象，將管道保持水平夯入到預(yù)定深度位置，然后進(jìn)行模型探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 單一非金屬管線模型的雷達(dá)圖像

3.2 并行管線模型的探測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了解900 MHz天線對(duì)并行管線的分辨率情況，開展了并行非金屬管線探測(cè)的模型實(shí)驗(yàn)工作，選擇管徑為DN63和DN90，間隔為30 cm～50 cm的模型。模型探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，其結(jié)果表明，在管頂埋深小于50 cm時(shí)，該雷達(dá)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(shí)的雷達(dá)圖像，中間是將模型右邊的DN63管抽掉后保留孔穴時(shí)的雷達(dá)圖像，結(jié)果表明前后的兩個(gè)雷達(dá)圖像差異不大。右側(cè)圖是將DN63空孔充填后的雷達(dá)圖像，這時(shí)右邊的管線異常已經(jīng)消失了。這組實(shí)驗(yàn)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(shí)不明顯(其理論比值在1.4～1.8之間)，也證明了采用雷達(dá)探測(cè)小口徑塑料煤氣管道確實(shí)存在較大的難度。

圖2 并行雙非金屬管線模型的雷達(dá)圖像

3.3 不同管徑非金屬管線模型的探測(cè)實(shí)驗(yàn)

為確定 900 MHz天線的探測(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(dá)圖像

3.4 不同管道載體的模型實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以往的理論研究和雷達(dá)探測(cè)的應(yīng)用情況，非金屬管道內(nèi)載體的不同會(huì)改變管道的物理性質(zhì)，對(duì)雷達(dá)的探測(cè)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，比較其結(jié)果的不同。模型探測(cè)實(shí)驗(yàn)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(dá)圖像具有明顯的雙曲線異常特征，幅值比空管時(shí)強(qiáng)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(dá)圖像具有明顯的雙曲線異常特征，幅值比左邊的空管強(qiáng)很多，并且有多次波，如圖3右圖所示。該實(shí)驗(yàn)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(gè)強(qiáng)電磁波反射面，故塑料水管會(huì)有明顯的雷達(dá)異常。它從實(shí)驗(yàn)角度證明了為什么在實(shí)際探測(cè)中會(huì)常遇到同樣管徑的非金屬煤氣管的探地雷達(dá)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(dá)圖像

3.5 不同地面材料的模型實(shí)驗(yàn)

在雷達(dá)的實(shí)際探測(cè)工作中，地面材料對(duì)探測(cè)結(jié)果也會(huì)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(cè)實(shí)驗(yàn)。模型實(shí)驗(yàn)的管徑為DN90、DN110，管頂埋深分別為 0.32 m、0.34 m。模型探測(cè)實(shí)驗(yàn)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(shí)，地磚與沙土之間界面的強(qiáng)反射以及其縫隙間和邊緣的繞射波效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生干擾波，影響管線異常的識(shí)別。在實(shí)際的探測(cè)應(yīng)用中，除上述的影響外，地面材質(zhì)的變化有時(shí)還會(huì)削弱、淡化管線的雷達(dá)異常信號(hào)，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(cè)到下部的目標(biāo)管線。這一點(diǎn)在實(shí)際探測(cè)中應(yīng)該特別加以注意。

3.6 不同頻率天線的模型實(shí)驗(yàn)

對(duì)于同一個(gè)模型體，通過 200 MHz、600 MHz和900 MHz等3種不同頻率天線的探測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)的探測(cè)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(qiáng)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(cè)應(yīng)用。

圖5 有(左)、無(右)地磚模型的雷達(dá)圖像對(duì)比

圖6 不同頻率(900M，600M，200M)天線的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.7 應(yīng)用實(shí)例

非金屬管道內(nèi)的載體不同，將會(huì)對(duì)探地雷達(dá)的異常特征產(chǎn)生很大的影響，這一點(diǎn)不但是模型實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論，同時(shí)也得到大量實(shí)際探測(cè)工程的驗(yàn)證。圖7為實(shí)際探測(cè)工程中的一組典型雷達(dá)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(qiáng)、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(diǎn)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(cè)實(shí)例

4 多次反射波的新應(yīng)用

一直以來，探地雷達(dá)基本上只是用來探測(cè)地下管線的位置與埋深，對(duì)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(dá)波的寬度對(duì)管徑進(jìn)行估算，但這樣的計(jì)算結(jié)果一是誤差會(huì)很大，而且技術(shù)也很不成熟。我們?cè)谀Ｐ蛯?shí)驗(yàn)和實(shí)際探測(cè)過程發(fā)現(xiàn)，非金屬給水管線的探地雷達(dá)反射圖像中，往往存在著管線的多次反射波信號(hào)，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(jì)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(shí)，單位為ns，n為可截取到的雷達(dá)反射波的總個(gè)數(shù)。

模型實(shí)驗(yàn)的多次波間距與其管徑的對(duì)照表 表2

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的多次波間距與其管徑的對(duì)照表 表3

表2是模型實(shí)驗(yàn)時(shí)3種管徑的計(jì)算結(jié)果，其偏差均小10%；表3是給水管線探測(cè)實(shí)例中不同管徑的計(jì)算結(jié)果，其偏差均小7%。由此可見，模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)際探測(cè)結(jié)果均驗(yàn)證了上述管徑計(jì)算公式的正確性。

5 結(jié) 語

探地雷達(dá)方法具有無損、快速的優(yōu)點(diǎn)，正日益廣泛地運(yùn)用于管線探測(cè)及其他探測(cè)和檢測(cè)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(shí)別管線異常也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。本文采取與實(shí)際情況較為接近的模型實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)非金屬管線探測(cè)中影響探地雷達(dá)圖像異常特征的幾個(gè)因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析和論證，找出了影響雷達(dá)異常特征的主要因素，這對(duì)非金屬管線探測(cè)將提供非常有益的指導(dǎo)和借鑒。另外，利用多次反射波計(jì)算管徑的公式不但與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，還得到了大量實(shí)例的驗(yàn)證，它成功地解決了給水非金屬管管徑的探測(cè)問題。

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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(jí)工程師，從事地下管線探測(cè)、工程物探及礦產(chǎn)物探工作。