應(yīng)用探地雷達(dá)的地下管道探測實(shí)例研究

袁建華

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.066

摘 要：該文作者通過多年實(shí)際應(yīng)用加拿大EKKO100型探地雷達(dá)，對其應(yīng)用于地下管道探測的效果進(jìn)行了有益的探索與分析。區(qū)別于其他物探手段，天線的數(shù)字化功能、光纜傳輸、實(shí)時(shí)顯示圖像、設(shè)備便攜、無損探測及剖面連續(xù)等是探地雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢。論文首先分析了探地雷達(dá)進(jìn)行地下管道探測的可行性，進(jìn)而列舉了3個(gè)具體的探測實(shí)例，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá) 地下管道 探測 瓷管 污水管

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）12（c）-0066-02

勘探地球物理學(xué)學(xué)科側(cè)重于先進(jìn)的手段和扎實(shí)的理論解釋基礎(chǔ)，沒有先進(jìn)的儀器設(shè)備難以提供科學(xué)的決策意見。探地雷達(dá)用于探地，由德國的G.Leimback和Lowy于1910年提出，在近百年的發(fā)展歷程中，其革命性的轉(zhuǎn)折發(fā)生于近10年，主要得益于微電子技術(shù)的發(fā)展和信號(hào)傳輸技術(shù)的進(jìn)步，即高速采樣技術(shù)和信息處理技術(shù)解決了制約探地雷達(dá)在工程中應(yīng)用的關(guān)鍵因素，使之成為當(dāng)前國際上最先進(jìn)的地球物理勘探手段之一。國產(chǎn)探地雷達(dá)體積龐大或信號(hào)采集效果不理想的特點(diǎn)，使得我國目前正在使用的探地雷達(dá)多數(shù)來源于進(jìn)口。該文作者通過多年實(shí)際應(yīng)用加拿大EKKO100型探地雷達(dá)，對其應(yīng)用于地下管道探測的效果進(jìn)行了有益的探索與分析。

1 探地雷達(dá)探測地下管道的可行性分析

地下管道中的介質(zhì)一般為水或空氣，管道自身材料為金屬、搪瓷或水泥筑成，管道上覆介質(zhì)一般為巖石或沙土。地下管道界面兩側(cè)介質(zhì)的物性差異很大，電磁波在其中的傳播速度亦明顯不同，實(shí)際應(yīng)用中，需要以理論數(shù)據(jù)為參考，依據(jù)探測目的體所處介質(zhì)的部分已知深度反推出該項(xiàng)探測的電磁波的應(yīng)用速度，即反演出深度符合速度值。

雷達(dá)波的穿透能力取決于介質(zhì)的衰減系數(shù)B=60 PR/Er，其值越小，雷達(dá)波的穿透深度越大，由公式可知，B值隨介質(zhì)的相對介電常數(shù)Er的增大而減小，隨介質(zhì)電導(dǎo)率R的增大而增大；由于使用了高頻、寬頻帶、短脈沖和高速采樣技術(shù)，探地雷達(dá)的探測精度高于其他種類的地球物理勘探手段。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)的路徑、電磁場強(qiáng)度和波形將隨所穿過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，依據(jù)記錄到的電磁波雙程走時(shí)的波幅、同相軸等波形資料，可以解譯出目的體的幾何形態(tài)或結(jié)構(gòu)異常。地下管道的埋藏深度不大，但要求的探測精度較高。因此，探地雷達(dá)配置200 MHz天線應(yīng)用于一定深度范圍內(nèi)的地下管道探測是科學(xué)的。

2 上海某瓷管探地雷達(dá)探測

根據(jù)瓷管的客觀條件，選擇配置200 MHz天線的Pulse EKKO 100型探地雷達(dá)可滿足探測工作的基本要求，探測原理如圖1所示。

探測時(shí)探地雷達(dá)的參數(shù)為：天線間距0.5 m，探測物理點(diǎn)間距為0.05 m，選擇連續(xù)探測方式，時(shí)窗開至180 ns。數(shù)據(jù)處理時(shí)的參數(shù)選擇如下：64次疊加，200AGC增益，7點(diǎn)平均，3道平均，無道差分。實(shí)際應(yīng)用中多采用與實(shí)測深度相符合的速度值，因該搪瓷管被埋藏于較干燥的淺層沙土中，其實(shí)測深度符合速度值為0.07 m/ns。在雷達(dá)剖面圖的全寬和深度1.4 ～3.0 m段形成了典型的雙典線形態(tài)，頂點(diǎn)在水平0. 9 m位置。以雙曲線頂點(diǎn)為中心，重復(fù)探測以獲得0.8 m長的雷達(dá)圖像，該次集中探測僅將探測物理點(diǎn)間距改為0.025 m，探測圖像及解釋結(jié)果如圖2所示。王母池搪瓷管在雷達(dá)剖面圖上呈雙曲線形態(tài)，其埋藏深度為1.4 m，管直徑為0.30 m。

3 某鋼筋水泥制污水管探地雷達(dá)探測

探地雷達(dá)配置200 MHz天線可滿足該水泥制污水管探測工作的基本要求。第一次探測時(shí)探地雷達(dá)的參數(shù)為：天線間距0.5 m，探測物理點(diǎn)間距為0.1 m，選擇連續(xù)探測方式，時(shí)窗開至275 ns；數(shù)據(jù)處理時(shí)參數(shù)選擇為：64次疊加，200AGC增益，7點(diǎn)平均，3道平均，無道差分，探測泰山八仙橋橋南污水管的深度符合速度值為0.07 m/ns。由圖像可見該圓管的雙曲線形態(tài)非常明顯，只是在剖面圖中的位置有偏差，可利用探地雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行及時(shí)的重復(fù)探測。第二次探測時(shí)僅將探測區(qū)集中，使管的位置居于雷達(dá)剖面圖的中央位置。雷達(dá)探測圖像的可重復(fù)性很好。追蹤電磁波的同相軸，兩條規(guī)則、圓滑的雙曲線幾乎平行出現(xiàn)，表明該管為標(biāo)準(zhǔn)圓形斷面，且表面光滑。解釋結(jié)果是：該水泥制污水管埋深0.8 m，管直徑0.58 m。

4 某大學(xué)操場地下溝探地雷達(dá)探測

配置200 MHz天線的探地雷達(dá)可滿足該大學(xué)操場地下溝探測的基本要示。探測時(shí)探地雷達(dá)的參數(shù)為：天線間距0.4 m，探測物理點(diǎn)間距為0.2 m，選擇連續(xù)探測方式，時(shí)窗開至180 ns；數(shù)據(jù)處理時(shí)參數(shù)為64次疊加，200AGC增益，7點(diǎn)平均，3道平均，無道差分，由于該地下溝斷面較大，頂板為較厚的鋼筋混凝土（表土層相對較?。?，故實(shí)測深度符合速度值為0.1 m/ns。雷達(dá)探測圖像顯示兩條溝洞間有一薄墻相隔，溝頂為不規(guī)則弧形，該溝建筑深度1.7 m，高2.0 m，兩條溝寬分別為3.60 m和2.60 m。

5 主要結(jié)論

（1）天線的數(shù)字化功能、實(shí)時(shí)顯示圖像、無損探測及剖面連續(xù)等是探地雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢；（2）配置200 MHz天線的探地雷達(dá)，其探測深度誤差為±0.05 m；（3）配置一定天線的探地雷達(dá)，其探測結(jié)果的水平誤差與物理測點(diǎn)的點(diǎn)間距成正比；（4）追蹤同相軸的連續(xù)性、找尋反射界面處同相軸的缺失現(xiàn)象是探地雷達(dá)剖面圖像解釋的關(guān)鍵；（5）實(shí)踐證明，探地雷達(dá)用于探測地下管道是科學(xué)的。

參考文獻(xiàn)

[1] 李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[2] 劉傳孝.探地雷達(dá)儀器原理及涵洞探測應(yīng)用研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，7（3）：274-278.

[3] 王惠濂.探地雷達(dá)目的體物理模擬研究結(jié)果[J].地球科學(xué)，1993，18（3）：266-284.