復(fù)雜管線剖面觀測(cè)反演研究及應(yīng)用

唐 靈,韋乙杰

(廣東省有色金屬地質(zhì)局 九三五隊(duì)，廣東 惠州 516001)

1 引 言

《廣東省地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程 》DBJ/T 15-134-2018中第5.3.9條指出,“管線復(fù)雜或關(guān)鍵位置的超深(非開(kāi)挖)管線時(shí)，宜采用剖面觀測(cè)計(jì)算法，即垂直管線走向設(shè)置電磁場(chǎng)觀測(cè)剖面，記錄電磁場(chǎng)曲線，通過(guò)觀察電磁場(chǎng)曲線形態(tài)分析信號(hào)的干擾程度、判定管線的位置及深度，亦可以進(jìn)行反演計(jì)算，求取位置和埋深參數(shù)?！北疚膹睦碚摴酵茖?dǎo)出發(fā)，得出反演計(jì)算的方法，并在實(shí)際中加以應(yīng)用，取得了較好的效果。

2 復(fù)雜管線剖面觀測(cè)反演原理

地下管線探測(cè)中，線電流沿地下管線(金屬管線)流動(dòng)，在地面形成一定的磁場(chǎng)，通過(guò)觀測(cè)該磁場(chǎng)形態(tài)可判斷地下管線的位置和深度[1-3]。

單條地下管線時(shí)，近似于線電流，垂直管線走向的剖面上觀測(cè)到的磁場(chǎng)水平分量Hx為[4,5]：

(1)

式(1)中,Hx為磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量(單位T);μ為磁導(dǎo)率(單位H/m);i為電流(單位A);x為觀測(cè)點(diǎn)至管線的水平距離(單位m);h為管線埋深(單位m)。

當(dāng)n條地下管線平行時(shí)，若都有電流，各產(chǎn)生磁場(chǎng)，n個(gè)磁場(chǎng)在空間相互疊加，此時(shí)疊加后磁場(chǎng)水平分量為[6-10]：

(2)

式(2)中,xn為觀測(cè)點(diǎn)至第n條管線的平面距離(單位m);hn為第n條管線埋深(單位m);in為第n條管線的電流(單位A)。本文假定i1為目標(biāo)管線，電流方向?yàn)檎?，第n條管線與目標(biāo)管線電流方向相同時(shí)in為正;方向相反in則為負(fù)。

假設(shè)只有兩條管線，如圖1所示。目標(biāo)管線編號(hào)為1，干擾管線編號(hào)為2,疊加后磁場(chǎng)水平分量為：

(3)

由于管探測(cè)儀并不能測(cè)定磁場(chǎng)水平分量的方向，僅能探測(cè)出磁場(chǎng)水平分量的強(qiáng)度，故對(duì)磁場(chǎng)水平分量取絕對(duì)值。

圖1 磁場(chǎng)疊加示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnetic field superposition

即

(4)

實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，布設(shè)一條垂直于管線的剖面。以剖面起點(diǎn)為O點(diǎn)，剖面方向?yàn)樽鴺?biāo)軸方向，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為x。設(shè)目標(biāo)管線編號(hào)管線1中心在x軸的坐標(biāo)為d1(m)，干擾管線編號(hào)管線2中心在x軸的坐標(biāo)為d2(m)。則

代入式(4)得

(5)

設(shè)法先明確其中干擾管線2的d2,h2數(shù)值，通過(guò)調(diào)節(jié)i1和i2、d1，h1等參數(shù)，不斷地使整個(gè)剖面測(cè)點(diǎn)計(jì)算|Hx|曲線逼近實(shí)際觀測(cè)值曲線，使得擬合均方差最小，即可求解出目標(biāo)管線d1，h1，即水平位置和埋深信息[11-20]。

調(diào)節(jié)i1和i2、d1，h1等參數(shù)的注意事項(xiàng)：由式(5)可知，曲線的曲率跟h1有關(guān)，埋深h1越大，曲率越小，即曲線越平緩；反之，h1越小，則曲線曲率越大。根據(jù)這一特性可以調(diào)整h1值。由式(5)可知，i1對(duì)整條曲線起整體縮放的作用，若曲線整體數(shù)值偏低， 則i1偏小，反之i1則偏大，d1及i2采用計(jì)算機(jī)窮舉，按一定步長(zhǎng)迭代的方式確定，取式(5)計(jì)算|Hx|擬合均方差的最優(yōu)值確定。若干擾管線2的d2,h2數(shù)值事先無(wú)法準(zhǔn)確確定，則需要計(jì)算機(jī)采用窮舉方法把d1，i2，d2,h2組合代入式(5)，采用一定的步長(zhǎng)逐一迭代，最終使得|Hx|擬合均方差最小而確定。組合迭代可能會(huì)產(chǎn)生多解，一般對(duì)每個(gè)結(jié)果再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分別查證，本文主要研究干擾管線2的d2,h2比較明確的情況。

3 復(fù)雜管線剖面觀測(cè)反演原理應(yīng)用實(shí)例

廣東省惠州市某管線探測(cè)項(xiàng)目前期探測(cè)某條10 kV高壓電纜的埋深為2～3 m，后期發(fā)現(xiàn)該高壓電纜實(shí)際深度為6.0 m。為查明誤差原因，廣東省有色金屬地質(zhì)局935隊(duì)的物探技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該高壓電纜進(jìn)行復(fù)核，該高壓電纜為頂管施工，南北走向?，F(xiàn)場(chǎng)用RD8100雷迪管線儀分別進(jìn)行了常規(guī)探測(cè)方法和剖面觀測(cè)反演法觀測(cè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核并仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，該電力管線附近有一條南北走向的DN 400 mm鋼給水管。該給水管與高壓電纜產(chǎn)生互感，由于給水管材質(zhì)為鋼，磁導(dǎo)率較高，管徑較大，與電纜的互感系數(shù)高，產(chǎn)生的干擾電流較大，給水管上干擾電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電纜上的磁場(chǎng)疊加，使得高壓電纜周圍的磁場(chǎng)改變，因此導(dǎo)致管線儀顯示誤判，常規(guī)探測(cè)方法包括直讀法和70 %特征點(diǎn)法得到的埋深和平面位置誤差較大。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

在常規(guī)探測(cè)方法難以達(dá)到探測(cè)目的的情況下，采用了剖面觀測(cè)反演法探測(cè)。由于給水鋼管埋深較淺，較容易探測(cè)，首先采用充電法對(duì)給水鋼管進(jìn)行探測(cè)，常規(guī)探測(cè)得到鋼管中心埋深約1.3 m。根據(jù)實(shí)地給水檢查井量測(cè)，明顯點(diǎn)的埋深與隱蔽點(diǎn)埋深相吻合。常規(guī)探測(cè)方法得出的鋼管平面位置和埋深可以確定。因此先可以確定公式(5)中的d2和h2。

然后采用夾鉗法對(duì)目標(biāo)電纜加載信號(hào)，夾鉗法為地下管線探測(cè)中常用的信號(hào)加載方法，通過(guò)外表絕緣內(nèi)部為多匝線圈的夾子夾住電纜并感應(yīng)電磁信號(hào)，加載信號(hào)設(shè)定頻率為8 kHz。由于受到夾鉗線圈的電磁感應(yīng)，電纜中加載了相應(yīng)頻率的電流信號(hào)。發(fā)射端加載信號(hào)完成后，垂直于電纜共設(shè)置四條觀測(cè)剖面，每條剖面長(zhǎng)度15～21.8 m， 測(cè)點(diǎn)距離0.2 m，然后在剖面上逐點(diǎn)觀測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量增益大小并記錄，見(jiàn)圖2。

圖2 管線和剖面位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline and section location

3.2 反演計(jì)算

觀測(cè)完成4個(gè)剖面數(shù)據(jù)后，便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算。電纜在無(wú)干擾情況下，產(chǎn)生的磁場(chǎng)曲線為紅色線，由于互感現(xiàn)象，給水管上有一個(gè)與目標(biāo)電纜方向相反的電流，產(chǎn)生藍(lán)色線的干擾磁場(chǎng)。兩個(gè)磁場(chǎng)疊加后合成的磁場(chǎng)的曲線為綠色理論曲線。理論曲線取絕對(duì)值后為紫色曲線?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的磁場(chǎng)曲線為黑色曲線。反演的過(guò)程就是不斷調(diào)整管線參數(shù)，使得紫色理論曲線逐漸逼近黑色實(shí)測(cè)曲線的過(guò)程，見(jiàn)圖3。

圖3 剖面四反演計(jì)算示意圖Fig.3 Inversion calculation diagram of section 4

反演計(jì)算以剖面四為例：由常規(guī)探測(cè)方法已經(jīng)確定了d2=11 m，h2=1.3 m。不斷地調(diào)整參數(shù)最后確定d1=14.5 m,h1=5.6 m,k=-0.6,Hx絕對(duì)值的擬合均方差最小為2.2 %。可以得出，電纜中心的平面位置為距離剖面起點(diǎn)14.5 m處，電纜中心埋深為5.6 m。依次對(duì)每個(gè)剖面進(jìn)行反演，各個(gè)剖面反演計(jì)算情況如表1所示。

表1 各剖面反演情況

3.3 結(jié)果分析

由表1可知，剖面一應(yīng)用常規(guī)探測(cè)方法和剖面觀測(cè)反演方法誤差均滿足規(guī)范要求。剖面二、三、四應(yīng)用常規(guī)探測(cè)方法包括直讀法及70 %特征點(diǎn)法探測(cè)結(jié)果均不滿足要求，而反演計(jì)算的結(jié)果則能滿足規(guī)范要求。

由圖2可知，電纜從開(kāi)始GD1～GD3段由于電纜的埋深較淺，管線探測(cè)儀在地表接收到的磁場(chǎng)信號(hào)較強(qiáng)，且距離給水鋼管較遠(yuǎn)，常規(guī)探測(cè)方法未受到影響，探測(cè)正常。因此剖面一常規(guī)探測(cè)方法能滿足要求。

電纜自GD3至GD7段常規(guī)探測(cè)方法確定的平面位置偏差越來(lái)越大，埋深誤差也越來(lái)越大。由于電纜為頂管施工，埋深越來(lái)越深，管線探測(cè)儀在地表接收到的磁場(chǎng)信號(hào)越來(lái)越弱。同時(shí)干擾性給水鋼管距離電纜越來(lái)越近，電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)受到給水鋼管的干擾越來(lái)越大，GD7管線號(hào)點(diǎn)常規(guī)探測(cè)方法確定的水平位置偏離實(shí)際情況最大，原因在于該處電纜與給水鋼管距離最近，所受干擾最大。

電纜自GD7至GD103段常規(guī)探測(cè)方法確定的平面位置偏差逐漸變小，但是埋深誤差還是變大。由于電纜為頂管施工，埋深越來(lái)越深，管線探測(cè)儀在地表接收到的磁場(chǎng)信號(hào)越來(lái)越弱。雖然干擾性給水鋼管距離電纜逐漸變遠(yuǎn)，但是電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)仍然受到干擾，常規(guī)探測(cè)方法確定的埋深偏差仍然逐漸變大。

通過(guò)本次探測(cè)分析，埋深越大的管線，由于地表觀測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度弱，越容易受干擾管線的影響。對(duì)于磁導(dǎo)率較高，管徑較大的管線，如給水鋼管，容易與電力管線形成互感，對(duì)探測(cè)產(chǎn)生干擾。在受干擾的情況下，目標(biāo)管線埋深越大，常規(guī)探測(cè)方法越難以滿足要求，而采用布設(shè)剖面觀測(cè)磁場(chǎng)水平分量強(qiáng)度，反演計(jì)算的方法則可有效探測(cè)。

4 結(jié) 論

在地下管線探測(cè)復(fù)雜環(huán)境下，當(dāng)存在旁側(cè)平行管線干擾時(shí)，由于管線干擾產(chǎn)生的磁場(chǎng)改變了目標(biāo)管線磁場(chǎng)的分布，直讀法和特征點(diǎn)法探測(cè)結(jié)果均不可靠。而采用布設(shè)剖面觀測(cè)磁場(chǎng)水平分量強(qiáng)度，反演計(jì)算的方法是有效可行的。該方法探測(cè)精度優(yōu)于直讀法和特征點(diǎn)法。同時(shí)該方法的應(yīng)用需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有一定程度的了解，盡可能地限制多解性問(wèn)題，可在實(shí)際中推廣應(yīng)用。