基于探地雷達(dá)的城市地下管線探測(cè)應(yīng)用與模擬

秦鎮(zhèn) 吳海波 鄭雷雷 胡富彭

摘要：城市地下管線的準(zhǔn)確排查是當(dāng)前城市建設(shè)的重要組成部分，探地雷達(dá)以其探測(cè)速度快、方便便捷、成像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)在城市管網(wǎng)探測(cè)活動(dòng)中的應(yīng)用越來越廣泛。本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不同變量下對(duì)管線的探測(cè)，結(jié)合FDTD正演模型，驗(yàn)證了探地雷達(dá)在城市管網(wǎng)探測(cè)應(yīng)用中的準(zhǔn)確可靠性;指出以往經(jīng)驗(yàn)波速估算管徑埋深方法的不足，計(jì)算了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的具體波速，提出利用提取單道波形圖的方法計(jì)算埋深的新思路。

Abstract： The accurate investigation of urban underground pipelines is an important part of current urban construction. Ground penetrating radar is widely used in urban pipe network detection activities because of its fast detection speed， convenience and convenience， and high imaging resolution. In this paper， the experiment is carried out to detect the pipeline under different variables. Combined with the FDTD forward model， the accuracy of the ground penetrating radar in the urban pipe network detection application is verified. The shortcomings of the previous experience of the wave velocity estimation method are calculated. The specific wave velocity of the experimental site is proposed by using the method of extracting a single-channel waveform to calculate the buried depth.

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);管線;正演模擬;埋深

Key words： GPR;pipeline;forward modeling;buried-depth

中圖分類號(hào)：TN956? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）35-0200-04

0? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展城市化水平的提高，城市地下管網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大[1]。如何保障密集分布的居民生活配套地下管線設(shè)施的健康運(yùn)行成為現(xiàn)代城市管網(wǎng)管理的重要一環(huán)[2]。過去在城市擴(kuò)建中，由于各施工單位之間缺少一些統(tǒng)籌規(guī)劃的機(jī)制，導(dǎo)致某些城區(qū)底線管網(wǎng)信息不健全，另外也存在一部分企業(yè)或個(gè)人私埋地下管線，種種原因?qū)е鲁鞘械叵鹿芫W(wǎng)信息不完整。探地雷達(dá)作為一種新興的地球物理勘探技術(shù)，因其探測(cè)速度快速、定位準(zhǔn)確、圖像分辨率較高等特點(diǎn)，正被廣泛地應(yīng)用于城市地下管線探測(cè)活動(dòng)中[3]。

當(dāng)前針對(duì)城市地下管線探測(cè)的研究很多，并取得了豐富的研究成果。韓沙沙，王照天，郭凱等人研究了地下管線探測(cè)的不同方法和各自利弊，總結(jié)了不同類型管線的最佳探測(cè)方法，并認(rèn)為探地雷達(dá)相較于其他探測(cè)方法，其抗干擾能力強(qiáng)，但是受地下介質(zhì)的影響較大，尤其應(yīng)用于含水率較高的地層上探測(cè)時(shí)效果將受到限制[4]。張鵬，王旭東，王曉文等基于FDTD正演模型，模擬了不同采集參數(shù)下地下管線的雷達(dá)圖像特征，分析了形狀、管徑、埋深等因素對(duì)雙曲線同相軸特征的影響規(guī)律[5]。張鵬，董韜，馬彬等基于電磁波反射原理提出了三點(diǎn)定圓來計(jì)算管徑的新方法[6]。

目前的一些研究主要集中在討論探地雷達(dá)可以探測(cè)地下管線和用數(shù)值模擬探討不同條件下管線的雙曲線同相軸的變化特征，在計(jì)算地下管線的具體埋深時(shí)大都是根據(jù)探測(cè)經(jīng)驗(yàn)來判斷。本文結(jié)合FDTD正演模型模擬了不同管內(nèi)填充物、不同材質(zhì)的管線雷達(dá)圖特征。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)計(jì)算探測(cè)場(chǎng)地的準(zhǔn)確波速，在此基礎(chǔ)上計(jì)算地下管線的具體埋深，為實(shí)際工程探測(cè)提供了準(zhǔn)確科學(xué)依據(jù)。

1? 探地雷達(dá)基本應(yīng)用原理

探地雷達(dá)是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下傳播時(shí)遇到電性性質(zhì)不同的介質(zhì)或臨界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，這時(shí)通過接受天線接收反射回地面的電磁波[7，8]，然后通過控制系統(tǒng)接受處理信號(hào)，得到探查地地質(zhì)體分布情況。

2? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究城市地下管線的不同用途（管內(nèi)不同填充物）和不同材質(zhì)對(duì)探測(cè)效果的影響以及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的波速，設(shè)計(jì)了以下3組實(shí)驗(yàn)：

①為了比較不同管內(nèi)充填物的探測(cè)效果，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了相同管徑為105mm、埋深都為28cm的非金屬管，管內(nèi)填充物設(shè)置為充氣、滿水，分別埋于沙土中分別進(jìn)行探測(cè)。

②為了判別地下管線的不同材質(zhì)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了直徑都為70mm，埋深35cm的金屬和非金屬管線，埋于沙土中分別進(jìn)行探測(cè)研究不同的探測(cè)效果。

③為了檢驗(yàn)探地雷達(dá)能否大致探測(cè)出管線的埋深，實(shí)驗(yàn)中將一塊鐵板埋入沙土中探測(cè)，埋深為30cm、40cm和50cm，根據(jù)電磁波旅行時(shí)間來計(jì)算實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的準(zhǔn)確波速。

試驗(yàn)中非金屬管都為PVC管，金屬管線為鋼制管線。

2.2 采集參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集使用瑞典MALA地球科學(xué)的500MHz屏蔽型雷達(dá)，該型雷達(dá)天線主要應(yīng)用于中淺層、高分辨率探測(cè)。理論探測(cè)深度為2-5m，主要用于管線探測(cè)，公路鐵路路面、路基檢測(cè)和公路鐵路隧道檢測(cè)等。本文試驗(yàn)中設(shè)置采樣頻率為7881MHz、時(shí)間窗口為51.79ns、疊加次數(shù)8次并自動(dòng)疊加、偶極距為0.18m為天線設(shè)備的默認(rèn)值，道間距0.03m，疊加次數(shù)為8次，使用滾輪觸發(fā)。

3? 地下管線判別

3.1 管內(nèi)填充物探測(cè)判別

圖2為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理得到的雷達(dá)波灰度圖，從左往右分別為充氣管線雷達(dá)灰度圖、1/2含水雷達(dá)灰度圖、滿水雷達(dá)灰度圖。左邊充氣管線的雙曲線同相軸表現(xiàn)為黑—白—黑，即振幅由負(fù)變?yōu)檎僮優(yōu)樨?fù);中間1/2充水管線的雙曲線同相軸變現(xiàn)為黑—白—黑，即振幅由負(fù)變?yōu)檎僮優(yōu)樨?fù)，圖像下部有明顯的多次反射波;右邊滿水管線的雙曲線同相軸變現(xiàn)為白—黑—白，及振幅由正到負(fù)再到正，正反射較為明顯，圖像下方多次反射波很多[9]。由此可以根據(jù)反射波特征判斷管線內(nèi)的填充物，具體變現(xiàn)為：在沙土結(jié)構(gòu)中，管線的雷達(dá)波反射為開口向下的雙曲線同相軸，充氣管線的反射波較少，充水管線下反射波較多且會(huì)隨著管內(nèi)水量的增加而增多。

3.2 管線材質(zhì)探測(cè)判別

圖3為外徑0.07mm的兩種不同材質(zhì)管線的雷達(dá)灰度圖，左邊為金屬管線，右邊為PVC管線。兩種材質(zhì)管線的反射特征都為雙曲線同相軸，比較兩組雙曲線圖特征可以發(fā)現(xiàn)：①金屬管線的雙曲線圖像比PVC管線的雙曲線圖像更清晰，這是因?yàn)榻饘倥c沙土的介電常數(shù)差異較之PVC非金屬管線與沙土的相對(duì)介電常數(shù)大，所以電磁波遇到金屬時(shí)反射更強(qiáng)烈。②金屬管線雷達(dá)圖像的雙曲線的曲率比PVC管線雷達(dá)圖像的曲率小，成明顯的尖波狀。

3.3 基于正演模擬的可靠性檢驗(yàn)

GprMax是一種基于時(shí)域有限差分（FDTD）算法的探地雷達(dá)正演模擬軟件，借助GprMax可以模擬地下不同介質(zhì)體的雷達(dá)灰度圖，包括管線內(nèi)不同填充物、不同材質(zhì)管線等的模擬[10]。利用正演模擬可以直觀清晰地比較不同條件下管線所變現(xiàn)出來的反射波信號(hào)特征，以此來驗(yàn)證探地雷達(dá)在實(shí)際工程探測(cè)應(yīng)用的可靠性。

3.3.1 模型建立

利用gprmax2d軟件數(shù)值模擬了實(shí)際的場(chǎng)地條件，共建立了兩組模型，分別為不同管內(nèi)填充物的模型和不同材質(zhì)管線的模型。實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，假定選取的材質(zhì)均為理想狀態(tài)下的常量不會(huì)因頻率的變化該發(fā)生變化。

3.3.2 模型結(jié)果

3.3.2.1 模型一：管內(nèi)不同填充物

圖4為正演模擬的管內(nèi)不同填充物的雷達(dá)灰度圖，左邊為充氣管線，右邊為充水管線。圖中同相軸顏色為白色是即該處振幅為正，同相軸為黑色即振幅為負(fù)。左圖中，充氣管線的反射信號(hào)不太明顯，正負(fù)振幅也不易區(qū)分，這是因?yàn)镻VC管線、空氣以及沙土間的介電常數(shù)差異不明顯，反射波能量較弱。右圖中能明顯地分別正負(fù)振幅，這是因?yàn)榈慕殡姵?shù)與PVC管線及沙土的介電常數(shù)差異較大，所以反射波信號(hào)很強(qiáng)，另外在管線的雙曲線同相軸下和左、右上角向中心存在著明顯的多次反射。該組正演模擬有效地驗(yàn)證了探地雷達(dá)可以判斷管線內(nèi)填充的是氣還是水，為工程探測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

3.3.2.2 模型二：不同材質(zhì)的管線

圖5為正演模擬的不同材質(zhì)管線的正演模擬灰度圖，左圖為鋼制管線模擬圖，右圖為PVC材質(zhì)管線模擬圖。模型參數(shù)設(shè)置中，金屬、PVC材質(zhì)和空氣的介電常數(shù)均大于沙土的介電常數(shù)，故雙曲線同相軸相位變化都為負(fù)到正。由于鋼管與沙土的介電差異大于PVC和沙土的介電差異，所以模擬的灰度圖上，鋼管的反射波信號(hào)強(qiáng)于PVC管的反射信號(hào)。另外鋼管的雙曲線同相軸下還有較多的反射信號(hào)，這也是鋼制管線與PVC管線雷達(dá)灰度圖的主要區(qū)別之一。

4? 管線埋深計(jì)算

4.1 場(chǎng)地波速的估算

探測(cè)場(chǎng)地電磁波波速的確定是計(jì)算管徑埋深的關(guān)鍵因數(shù)。在實(shí)際城市管線探測(cè)中，受場(chǎng)地條件限制，無法精準(zhǔn)確定波速，在沒有鉆孔資料的情況下多數(shù)是取一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。本文為提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)計(jì)算場(chǎng)地的具體波速。表2為實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)。

4.2 管線埋深計(jì)算方法

沙土、空氣、PVC管線等介質(zhì)的介電性質(zhì)差異較大，故而電磁波在這些不同介質(zhì)體間傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)反射界面。根據(jù)這一特征，實(shí)驗(yàn)中電磁波在沙土中傳播當(dāng)穿透管線上壁時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的信號(hào)震蕩，提取出該處的單道波形圖，便能快速計(jì)算出管線埋深。

圖7中左邊的雷達(dá)灰度圖中矩形區(qū)域內(nèi)為PVC管線的雙曲線反射特征，實(shí)驗(yàn)中該P(yáng)VC管線埋深0.33cm，內(nèi)徑70mm，內(nèi)部為空氣填充。右半部分為雙曲線反射弧頂端處提取的單道波形圖，紅線表示該處管線雙曲線同相軸的最淺時(shí)間深度，深度為4.324ns。根據(jù)表2中平均波速計(jì)算，探測(cè)埋深為0.3243m，與實(shí)際設(shè)計(jì)埋深誤差較小。

5? 結(jié)論

通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和正演模型模擬，分析了不同條件下管線的雙曲線同相軸特征，加深了探地雷達(dá)探測(cè)地下管線圖譜特征的認(rèn)識(shí)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。①管內(nèi)填充物的判斷在于雙曲線下方多次反射信號(hào)的強(qiáng)弱。一般情況下充水管線相較于充氣管線會(huì)有更明顯的多次反射現(xiàn)象，且會(huì)隨著管內(nèi)水量的增加而增多。②金屬管線和塑料材質(zhì)管線的區(qū)別較明顯，因?yàn)榻饘俟芫€會(huì)近乎全反射。③探地雷達(dá)的無損探測(cè)特征是探測(cè)過程中相較其他地球物理探測(cè)技術(shù)而言，在實(shí)際需要目標(biāo)探測(cè)體的埋深時(shí)還需要結(jié)合鉆探計(jì)算場(chǎng)地條件下的具體波速。④電磁波在兩介質(zhì)常數(shù)差異較大的臨界面時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的相位變化，利用提取單道波形的方法，可以直觀、準(zhǔn)確地計(jì)算出管線的埋深。

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