RD1500型探地雷達(dá)在濱海地區(qū)暗渠摸查中的應(yīng)用

黎錦釗

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

為推動湛江生態(tài)崛起，湛江市進(jìn)行了中心城區(qū)水系綜合治理。湛江市中心城區(qū)水系綜合治理工程項目建設(shè)內(nèi)容包括赤坎江、綠塘河、南柳河三個片區(qū)。在建設(shè)實施過程中，發(fā)現(xiàn)工程含有東山河、寸金渠、百姓渠等13條暗渠需要清淤、渠內(nèi)管道安裝、混凝土施工。暗渠內(nèi)施工環(huán)境復(fù)雜和危險，受施工空間窄、密閉、有毒有害氣體等因素影響，且工程處于海邊，屬于海濱城市的工程，受海潮、臺風(fēng)及暴雨等影響。為了更安全、更好、更快的對渠箱進(jìn)行內(nèi)部清淤及施工，應(yīng)先進(jìn)行渠箱線路的摸查，然而暗涵一般位于地下0.5～5m，僅憑觀察難以準(zhǔn)確定位地下暗涵走向。因此，在地下結(jié)構(gòu)走向摸查中常使用相關(guān)探測儀器進(jìn)行輔助。傳統(tǒng)摸查常借助金屬管線探測儀，然而濱海地區(qū)地下暗涵多為混凝土結(jié)構(gòu)，金屬管線探測儀則無法準(zhǔn)確定位[1]。為順利推動湛江市濱海地區(qū)暗涵摸查工作，使用了探測范圍更加廣泛的探地雷達(dá)。文章結(jié)合該項目重點介紹了RD1500型探地雷達(dá)的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)組成并給出了其在濱海地區(qū)暗涵摸查工程中的應(yīng)用實例，可為類似工程提供有益的借鑒。

2 RD1500型探地雷達(dá)工作原理及組成

一般來說地下管線如暗涵、暗渠埋深都比較淺[2]，通常距地表約0.5～5m，周圍的介質(zhì)一般為砂性或黏性回填土，上部結(jié)構(gòu)通常為防水層、瀝青混凝土路面等結(jié)構(gòu)。以往傳統(tǒng)的勘察方式往往需要鉆孔取樣或者開槽，與傳統(tǒng)方式不同的是，基于RD1500型探地雷達(dá)的新式管線摸查方式無需鉆孔，不會對土體以及地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，而且因其無需動土故探測效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。

2.1 探地雷達(dá)技術(shù)的物性基礎(chǔ)

通常大多數(shù)探地雷達(dá)都是基于電磁波在不同物質(zhì)中的傳播速度相異的原理[3-5]。我們通常用介電常數(shù)來衡量材料對電磁波吸收和釋放的能力，同時介電常數(shù)決定了電磁波在該種材料中的傳播速度。電磁波在常見介質(zhì)中的傳播速度，見表1。

表1 電磁波在常見介質(zhì)中的傳播速度

續(xù)表1 電磁波在常見介質(zhì)中的傳播速度

從上表中我們可以看出，不同材料的介電常數(shù)和電磁波傳導(dǎo)速率不同，通過發(fā)射和接收電磁波可得到不同的波形分布規(guī)律，這便是探地雷達(dá)技術(shù)的物性基礎(chǔ)。暗涵和暗渠結(jié)構(gòu)一般都是混凝土材料，其周邊介質(zhì)為黏性或砂性填土，上部結(jié)構(gòu)一般為瀝青混凝土和防水材料。幾種介質(zhì)介電常數(shù)有明顯差異，探地雷達(dá)技術(shù)用于城市中暗涵和暗渠結(jié)構(gòu)走向的探查在技術(shù)上是完全可行的[6-7]。

2.2 探地雷達(dá)技術(shù)的工作原理

探地雷達(dá)一般基于電磁波的發(fā)射和接收來進(jìn)行工作通過發(fā)射機產(chǎn)生電測波，電磁波在地下不同的結(jié)構(gòu)中傳播時，地下土體和由混凝土制作的暗渠具有不同的介電常數(shù)，因此反射波在混凝土和土體交界處就產(chǎn)生了差異。根據(jù)發(fā)射接收電磁波的過程，就明確了地下不同結(jié)構(gòu)的空間位置[8]。接收機借助接收天線就可以獲取從地下反射回來的電磁波，并通過可視化工具對電磁波反射波形進(jìn)行展示，工程人員便可通過波形的差異來判定不同結(jié)構(gòu)在地下的空間位置[9]。

2.3 探地雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)

1)探測深度：電磁波在傳播的過程中強度是逐漸衰減的，這也就決定了探地雷達(dá)具有有限的探測范圍。在不同的介質(zhì)中，探地雷達(dá)的工作范圍不同，這主要與介質(zhì)對電磁波的傳導(dǎo)能力有關(guān)。一般在使用探地雷達(dá)進(jìn)行探測前，應(yīng)預(yù)估有效探測深度，否則探測結(jié)果的精度則無法保證[10]。

2)空間分辨率：探地雷達(dá)對于地下異常結(jié)構(gòu)的識別有一定的分辨率限制，也就是地下異常物體的尺寸的分辨能力有限。特別是當(dāng)兩個異常結(jié)構(gòu)間距較小且尺寸也較小時，探地雷達(dá)很難將二者區(qū)分開來。

3)源信號：探地雷達(dá)內(nèi)部可產(chǎn)生單極和雙極兩種脈沖信號[11]，單極信號的主要劣勢為信號多為低頻，極大程度上可能會降低探地雷達(dá)電磁波的發(fā)射頻率，并且在內(nèi)部產(chǎn)生電磁波震蕩導(dǎo)致信號的失真，這勢必會干擾探地雷達(dá)的探測能力。

2.4 探地雷達(dá)的結(jié)構(gòu)組成

RD1500型探地雷達(dá)一般由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)構(gòu)成，硬件系統(tǒng)一般包括上機位、電磁波發(fā)射機、電磁波接收機、發(fā)射天線以及接收天線[12]。上機位是探地雷達(dá)的信息中心，控制電測波發(fā)射機產(chǎn)生信號并對接收機接收的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。軟件系統(tǒng)是上機位內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)、圖像分析處理軟件，其功能眾多主要包括數(shù)據(jù)批處理、濾波、增益、圖像批處理以及圖像輸出等功能。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都是探地雷達(dá)不可或缺的組成部分。

2.5 探地雷達(dá)的測量方式

探地雷達(dá)的測量方式多種多樣，總得來說可以分為，可以分為以下三種[13-14]：

1)剖面法：剖面法是實際工程探測中使用最為廣泛的的工作模式。在該工作模式下，發(fā)射、接收間的距離固定，沿著預(yù)設(shè)的摸查走向移動設(shè)備，測量點應(yīng)位于發(fā)射和接收天線的中間位置。

2)寬角法：寬角法是另一種常見的工作模式，該模式又有兩種不同的工作方式，一種是發(fā)射或接收天線位置確定，按照相等的距離去移動另一個天線；另一種方式是在地面選擇一個固定點作為中心點，發(fā)射天線和接收天線以這個古典點對稱分布，并依次按等間距移動兩個天線。

3)三位測量方式：隨著探地雷達(dá)相關(guān)技術(shù)的成熟以及勘察目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的提高，二維剖面的結(jié)果逐漸不滿足業(yè)界的要求。例如地下考古等[15]，二維剖面很難捕捉到探測對象[16]，探地雷達(dá)的三維工作方式是今后重要的發(fā)展方向。

3 暗渠(涵)摸查具體實施技術(shù)

3.1 暗渠摸查技術(shù)路線擬定

為了更安全、更好、更快的對渠箱進(jìn)行內(nèi)部清淤及施工，應(yīng)先進(jìn)行渠箱線路的摸查，充分了解周圍的環(huán)境、當(dāng)?shù)氐奶鞖饧扒鋬?nèi)部的各種情況，確保施工人員施工時的安全。

3.1.1 摸查要求

所有摸查均需在晴天進(jìn)行摸查，宜選擇在連續(xù)三個晴天后進(jìn)行摸查。主要對渠箱主體、排水口、流域內(nèi)管線、排水單元(污染源)、清水來源點進(jìn)行摸查。摸查時，應(yīng)做好相應(yīng)的安全措施。

3.1.2 摸查總體思路

湛江市濱海地區(qū)暗涵摸查工作總體思路，暗涵摸查總體思路，見圖1。首先對湛江市濱海地區(qū)進(jìn)行片區(qū)劃分，聯(lián)系之間的設(shè)計單位搜集相關(guān)資料，初步確定濱海地區(qū)的管線分布情況。摸查并對比施工圖中的井口位置與實際的井口位置是否一致，在圖上做好相應(yīng)的標(biāo)記。如若不一致，則需要及時與監(jiān)理、設(shè)計等溝通，反饋相應(yīng)的信息，之后分單元依次進(jìn)行暗渠走線的摸查工作。

圖1 暗涵摸查總體思路

3.1.3 實施流程

1)首先施工方應(yīng)提前與各有關(guān)部門溝通，搜集資料。提前確定需要探測的結(jié)構(gòu)材質(zhì)以及基本屬性，從而提升探測效率與準(zhǔn)確性。

2)應(yīng)提前預(yù)估暗涵的埋置深度，若暗涵埋置深度超過探地雷達(dá)有效探測深度1.5倍以上時，則不可使用探地雷達(dá)，需使用傳統(tǒng)鉆孔的方法來進(jìn)行管線的摸查。

3)施工方應(yīng)提前組織施工管理人員熟悉暗渠(涵)的施工圖紙，根據(jù)施工圖對暗渠(涵)沿線外的交通、車流量、建筑、天氣等進(jìn)行摸查了解，做到對周圍環(huán)境充分了解的程度。

4)采用GPS或全站儀對排水井或檢測井井口進(jìn)行初步地定位，摸查并對比施工圖中的井口位置與實際的井口位置是否一致，在圖上做好相應(yīng)的標(biāo)記。如若不一致，則需要及時與監(jiān)理、設(shè)計等溝通，反饋相應(yīng)的信息。

5)如若井蓋被路面或土地覆蓋，則采用RD1500探地雷達(dá)進(jìn)行探測。

6)在使用RD1500探地雷達(dá)進(jìn)行探測前，應(yīng)先進(jìn)行探測走線的設(shè)計。在探測時應(yīng)嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)走線，以保證探測效果。應(yīng)提前設(shè)置RD1500探地雷達(dá)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，一般包括采用頻率、增益設(shè)置等。

3.2 暗渠探測

根據(jù)上述的理論依據(jù)，以某條暗渠探測為例來說明探地雷達(dá)在濱海地區(qū)暗渠走線摸查中的應(yīng)用流程。首先對探地雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，主要包括：天線類型、觸發(fā)方式及采樣點數(shù)等。由工作人員沿著可能有暗渠的路線拖動雷達(dá)車進(jìn)行探測。

使用反演方法對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要包括噪聲處理、濾波以及圖像可視化處理等步驟，最后形成探地雷達(dá)圖像。工程師應(yīng)根據(jù)可視化圖像進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的異常判定并給出出相應(yīng)的判斷依據(jù)。暗渠典型探測圖像在暗渠邊會出現(xiàn)整體錯位，然后呈現(xiàn)平板狀。探地雷達(dá)探測圖像在暗渠處差異明顯，可準(zhǔn)確確定暗渠等目標(biāo)的位置。

4 結(jié) 論

為推動湛江市中心城區(qū)水系綜合治理工程項目的進(jìn)行，文章重點介紹了RD1500型探地雷達(dá)的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)組成并給出了其在濱海地區(qū)暗涵摸查工程中的應(yīng)用實例，根據(jù)探地雷達(dá)實際應(yīng)用效果給出了以下結(jié)論：

基于RD1500型探地雷達(dá)的新式管線摸查方式無需鉆孔，不會對土體以及地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，而且因其無需動土故探測效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。探地雷達(dá)探測圖像在暗渠處差異明顯，可準(zhǔn)確確定暗渠等目標(biāo)的位置。因為管線周圍介質(zhì)與時間的不確定性明顯，在探測時應(yīng)選擇有利于探地雷達(dá)工作的時段。RD1500型探地雷達(dá)在湛江市濱海地區(qū)暗涵摸查工作的應(yīng)用，顯著加快了湛江市中心城區(qū)綜合治理工程項目的建設(shè)，可為同類項目提供有益的參考。