探地雷達(dá)在電廠地下管線探測(cè)中的研究與應(yīng)用

王睿東　胡永哲　徐東坡　李兵　高世明

摘要：地下管網(wǎng)是電廠基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，但因其縱橫交叉、情況復(fù)雜，且水、電、氣分別歸屬不同的管理機(jī)構(gòu)，使得管理信息孤立、更新困難、人工數(shù)據(jù)檢索效率低，從而導(dǎo)致電廠地下設(shè)施建設(shè)、管理與維護(hù)困難極大。本文使用探地雷達(dá)作為檢測(cè)工具，針對(duì)火電廠地下管網(wǎng)研究一種細(xì)觀尺度的快速檢測(cè)技術(shù)，打破探地雷達(dá)和管線檢測(cè)之間的壁壘，通過客觀、快速的檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)電廠地下管網(wǎng)快速檢測(cè)，為數(shù)字電廠的建設(shè)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);電廠地下管網(wǎng);快速檢測(cè)技術(shù)

引言

現(xiàn)在地下工程中，對(duì)地下管線資料整理分析的方法仍然主要采用的是二維的信息圖紙，這些二維圖紙只是對(duì)圖形和地理符號(hào)的描述，并不能完整地加載其相關(guān)附加信息。一旦出現(xiàn)管線泄漏、第三方施工挖斷管線等事故，所造成的經(jīng)濟(jì)損失不可估量。本項(xiàng)目的開展可為管理層降低決策風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率，規(guī)避挖斷管線所造成的損失。

當(dāng)前探地雷達(dá)主要應(yīng)用于檢測(cè)隧道的襯砌厚度、施工時(shí)塌方位置及處理情況、橋梁混凝土與鋼筋情況等。近年來隨著探地雷達(dá)技術(shù)的不斷推廣，開始逐步應(yīng)用到市政地下管線檢測(cè)方面，但是由于地質(zhì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形成的雷達(dá)波形千變?nèi)f化，因此通常無法精確探測(cè)所有管線，且僅限于針對(duì)性施工條件下的管線定位與故障排查。本文結(jié)合探地雷達(dá)技術(shù)與傳統(tǒng)土壤檢測(cè)方法，從中觀檢測(cè)層面提出了一種快速檢測(cè)土壤土體構(gòu)型的方法。

1研究基礎(chǔ)

1.1 電廠地下管網(wǎng)特性

當(dāng)前對(duì)于地下管網(wǎng)主要采用人工管理方式，作為管理依據(jù)的文字檔案及圖形檔案都存在紙介質(zhì)上，數(shù)據(jù)和圖紙是分離的，更新很困難，一致性難以保證;手工進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，由于數(shù)據(jù)量大，信息分散，檢索效率很低，往往只能依賴具有一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)歷的工程、維護(hù)人員充任“活地圖”，給電廠地下設(shè)施建設(shè)、管理與維護(hù)帶來極大困難。另外由于地下管線的資料殘缺不全、精度不高或與現(xiàn)狀不符，造成在施工中時(shí)常發(fā)生挖斷或挖壞地下管線，由此造成事故的直接與間接經(jīng)濟(jì)損失不可估量。

目前地下管網(wǎng)的可視化應(yīng)用還處于初步探索階段，要實(shí)現(xiàn)更高效、更精細(xì)的地下綜合管線三維可視化建模方法，需要建立更多的新的系統(tǒng)族模型，以及高配置的電腦來建模。但隨著信息化的發(fā)展和數(shù)字地球的推廣，可視化學(xué)習(xí)型建模技術(shù)在地下工程的應(yīng)用將會(huì)越來越多，該技術(shù)在地下工程的應(yīng)用也將漸漸走向成熟，將使電廠建設(shè)更加智能化。

1.2 探地雷達(dá)原理

探地雷達(dá)是以電磁波傳播理論為基礎(chǔ)，通過發(fā)射天線發(fā)射超高頻短脈沖電磁波在地下介質(zhì)中向不同方向傳播，若電磁波遇到由路基含水量增加、疏松濕軟、脫空、潛水面或地下管線等引起的介電差異的分界面時(shí)，便發(fā)生反射、繞射和透射等現(xiàn)象，其雷達(dá)回波被接收天線所接收，然后在主機(jī)中記錄，根據(jù)接收到的雷達(dá)反射波的波形、振幅強(qiáng)度、相位特征及雙程走時(shí)等參數(shù)，對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行分析后便可推測(cè)出地下介質(zhì)的分布、介電性質(zhì)、埋深及結(jié)構(gòu)特征等。

探地雷達(dá)由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖波的發(fā)射機(jī)和向外輻射電磁波的天線（Tx）組成。發(fā)射天線以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面產(chǎn)生反射。反射波被設(shè)置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，與此同時(shí)接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達(dá)波，反射波和直達(dá)波同時(shí)被接收機(jī)記錄或在終端顯示出來。且雷達(dá)的電磁波頻率越高，探測(cè)深度越淺，探測(cè)精度越高;頻率越低，探測(cè)深度越深，探測(cè)精度越低。

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是壓制隨機(jī)的和有規(guī)律的干擾，以最大可能分辨率在探地雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用的參數(shù)（電磁波速度，振幅和波形等）來幫助解釋。探地雷達(dá)依靠脈沖回波信號(hào)，其子波長(zhǎng)度都由發(fā)射源控制。脈沖在地下傳播過程中，能量會(huì)產(chǎn)生球面衰減，也會(huì)由于介質(zhì)對(duì)波的能量的吸收而減弱，在地下介質(zhì)不均時(shí)還會(huì)發(fā)生散射、反射與透射。但穩(wěn)定的干擾經(jīng)過后期的校正零偏、FIR濾波、IIR濾波和背景消除等技術(shù)處理后，不會(huì)對(duì)土體構(gòu)型分析造成較大的影響。探地雷達(dá)工作原理如圖1所示。

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)分析

TDR （ Time domain reflectometry），名為即時(shí)域反射技術(shù)，是雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的一種應(yīng)用，是根據(jù)探測(cè)器發(fā)出的電磁波在不同介電常數(shù)物質(zhì)中的傳輸時(shí)間的不同，而得出被測(cè)物的介電常數(shù)。可用以直接測(cè)量土壤或其他介質(zhì)的介電常數(shù)。

電磁波在介質(zhì)中傳播的速度與介質(zhì)的介電常數(shù)的平方根成反比，可用以下公式表示：

式中：C為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度;C為真空中的電磁傳播速度3x108m/s）;ε為介質(zhì)的介電常數(shù);μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，在無磁介質(zhì)中，μ=1。

TDR脈沖源發(fā)射出一個(gè)電壓的階梯狀高頻脈沖信號(hào)，沿著土壤中的探針（長(zhǎng)度為l）傳播，部分能量在探針末端反射，形成TDR反射信號(hào)，可通過計(jì)量傳播時(shí)間t，求得電磁波的傳播速度C（見式2），得出介質(zhì)的介電常數(shù)μ。

2.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1敏感性實(shí)驗(yàn)的研究驗(yàn)證

在電廠實(shí)地勘測(cè)的基礎(chǔ)上，以測(cè)試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依托，對(duì)不同管線類別及埋藏深度設(shè)定實(shí)驗(yàn)室模擬指標(biāo)，測(cè)試并驗(yàn)證單一探測(cè)技術(shù)對(duì)不同管線的針對(duì)性與敏感度。

2.2.2提出采集設(shè)備的功能、精度等要求

通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，驗(yàn)證該電廠地下管網(wǎng)智慧探查系統(tǒng)的敏感性、可行性和可靠性，對(duì)采集設(shè)備的功能、精度提出要求，從而達(dá)到對(duì)地下管網(wǎng)準(zhǔn)確探查的目的。

2.2.3綜合集成勘測(cè)技術(shù)研究

電磁感應(yīng)法、探地雷達(dá)法、高密度電阻率法、聲學(xué)探測(cè)法可分別完成對(duì)不同性質(zhì)管線的精確探測(cè)，在此基礎(chǔ)上研究地下管網(wǎng)的綜合集成勘測(cè)技術(shù)，建立電廠多種類地下管網(wǎng)關(guān)聯(lián)拓?fù)潢P(guān)系檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由探測(cè)模塊、分析模塊、輸出模塊組成。通過將勘測(cè)車輛在行駛過程中采集到的信息實(shí)時(shí)傳回到數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將雷達(dá)采集到的信號(hào)通過計(jì)算分析，轉(zhuǎn)化為地下管網(wǎng)的布局資料。

3 結(jié)論與展望

本文采用探地雷達(dá)作為探測(cè)工具，結(jié)合地下管網(wǎng)的精度需求，對(duì)通過電磁感應(yīng)法、探地雷達(dá)法、高密度電阻率法、聲學(xué)探測(cè)法等不同方法檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度、尺度進(jìn)行歸一化的研究確認(rèn)，并解決各檢測(cè)儀器間的相互干擾問題，保證數(shù)據(jù)源的真實(shí)性和可靠性。電廠地下管線探測(cè)技術(shù)的研究，通過掌握管網(wǎng)的外部形狀、地理位置、管網(wǎng)之間的相互影響等信息，可以形成對(duì)新建管線走向、深度等的約束條件，并提供維護(hù)相關(guān)管線的決策依據(jù)，為更安全、合理的解決方法和預(yù)案奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：王睿東，男，1974年10月，漢族，內(nèi)蒙古赤峰市，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電企業(yè)管理工作。