探地雷達(dá)探測(cè)地下管道圖像的定性研究

劉傳逢

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北武漢 430074； 2.武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

探地雷達(dá)探測(cè)地下管道圖像的定性研究

劉傳逢1，2?

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北武漢 430074； 2.武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中積累的不同管道材料、不同形狀及不同充填條件下地下管道探地雷達(dá)圖像的分析研究，總結(jié)了上述情形地下管道的探地雷達(dá)圖像特征，總結(jié)對(duì)探地雷達(dá)地下管線探測(cè)資料進(jìn)行定性解釋的基本規(guī)律，以期對(duì)地下管道的性質(zhì)及運(yùn)行狀況給出參考意見(jiàn)。

探地雷達(dá)；管道材料；充填條件；圖像；定性解釋

1 前 言

管線探查過(guò)程中經(jīng)常遇到不明管線(道)，無(wú)出露點(diǎn)且難以查詢其歷史資料，管線儀感應(yīng)有信號(hào)或者探地雷達(dá)圖像有所反應(yīng)，但我們對(duì)其是何種管線、是否在用難以做出判斷。本文通過(guò)在武漢市的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)不同材質(zhì)、不同形狀及不同充填條件下地下管道探地雷達(dá)圖像的分析研究，總結(jié)出一些圖像規(guī)律，期望能夠?qū)Σ幻鞴艿赖牟馁|(zhì)、形狀甚至充填物作出解釋，進(jìn)而對(duì)管道運(yùn)行狀況給出參考意見(jiàn)。

2 排水管道或箱涵雷達(dá)圖像特征

2.1 排水管道

排水管道材質(zhì)多為砼，少量壓力管材質(zhì)為鑄鐵，內(nèi)充填情況可分為空管、半充填雨污水、充滿雨污水(多為壓力管)3種情況，其雷達(dá)探測(cè)圖像與管道材質(zhì)、充填物狀態(tài)均有關(guān)系。

(1)內(nèi)空或有少量水砼管

后官湖大道兩根并排排水管道管徑分別為800 mm、1 000 mm，檢修井中發(fā)現(xiàn)800 mm排水管道已封堵且內(nèi)空，管頂埋深1.5 m，1 000 mm雨水管道在用(天晴時(shí)有很少量水)，管頂埋深 1.6 m。為驗(yàn)證1 000 mm管道準(zhǔn)確走向，使用250MHz天線在后官湖大道快車道布設(shè)雷達(dá)測(cè)線，圖 1雷達(dá)圖像顯示在11.7 m、14.5 m位置為兩大口徑管道異常，管頂埋深約1.5 m，與1號(hào)井中調(diào)查情況相符，推斷為上述管徑800 mm及1 000 mm雨水管道。

雷達(dá)探測(cè)圖像特點(diǎn):兩管異常雙曲線特征明顯，反射波振幅較強(qiáng)，有管道的頂、底反射外，并存在多次反射現(xiàn)象。反射介面分別在 1 m及 2 m附近，其間距與管徑較吻合。

圖1 內(nèi)空或有少量水砼管雷達(dá)圖像

(2)內(nèi)充滿污水排水管

圖2為魯巷廣場(chǎng)附近珞喻路北側(cè)慢車道管徑1 000 mm排水管道雷達(dá)探測(cè)圖像。該管道內(nèi)充滿水難以看清走向，為查明該管道走向與埋深，盡量在垂直管道走向布設(shè)雷達(dá)探測(cè)剖面，波速選擇100 ns/m。雷達(dá)剖面圖顯示平面 2.36 m，深度 1.28 m，直徑為1 000 mm的排水管道。

圖像特征:同相軸錯(cuò)段明顯，異常雙曲線特征明顯，由于管道內(nèi)充滿水，電磁波吸收強(qiáng)，因此未見(jiàn)管底反射，未見(jiàn)多次波反射。

圖2 內(nèi)充滿污水排水管雷達(dá)圖像

2.2 排水箱涵雷達(dá)圖像特征

排水箱涵多為磚混結(jié)構(gòu)，多為半充水狀態(tài)。圖3為新華路民生大樓前雷達(dá)探測(cè)圖像，現(xiàn)場(chǎng)采用250 MHz天線探地雷達(dá)探查。雷達(dá)圖像顯示平面位置在3.9 m～7.8 m間有兩明顯弧形異常，推斷為兩孔排水箱涵管道。緊鄰排水箱涵右側(cè)，埋深約2.5 m，同相軸斷裂，有一明顯排水箱涵異常，水平位置分別7.75 m、9.56 m處有明顯邊界繞射波現(xiàn)象。

綜合雷達(dá)探查結(jié)果及收集資料情況，確認(rèn)了現(xiàn)場(chǎng)并排分布有兩排水箱涵，一條為中間有隔離墻排水箱涵，另一條為單孔排水箱涵。

圖3 排水箱涵雷達(dá)圖像

圖像特征:異常平緩邊界處電磁波繞射現(xiàn)象明顯，多次反射波現(xiàn)象明顯，可見(jiàn)箱涵底部反射。

3 給水管道探測(cè)

給水管道內(nèi)充填情況只有充滿自來(lái)水一種情況，其雷達(dá)探測(cè)圖像隨管道材質(zhì)不同而各異。

3.1 充滿自來(lái)水鑄鐵管雷達(dá)探測(cè)圖像特征

充滿自來(lái)水砼管雷達(dá)探測(cè)有較明顯反映，混凝土(管壁材料)介電常數(shù)6.4，反射系數(shù)－0.22～0.21，反射系數(shù)較小，有多次反射現(xiàn)象，但因管內(nèi)水電磁波吸收系數(shù)較大，所以多次反射現(xiàn)象微弱。圖4為玫瑰園西路1 200 mm給水管(250 MHz天線)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果。顯示在平面位置 2.83 m深度為1.05 m是一條直徑為 1 200 mm的給水管道，材質(zhì)為砼。圖5(500 MHz天線)為赫山路400 mm給水鑄鐵管雷達(dá)探測(cè)結(jié)果顯示在平面位置1.05 m深度為0.65 m是一條直徑為400 mm的給水管道，材質(zhì)為鑄鐵。圖6為二七路上250 MHz天線雷達(dá)探測(cè)圖像，左邊3.2 m處異常為 400 mm自來(lái)水管，材質(zhì)為鑄鐵，埋深約0.9 m。中間 3.2 m處異常為一條 1 000 mm自來(lái)水管，材質(zhì)為砼，頂部埋深約為 1.0 m。右邊異常為400 mm的天然氣管，材質(zhì)為PE，埋深大約為1.3 m。

圖像特征:充滿自來(lái)水鑄鐵管存在具備電磁波強(qiáng)反射的電性分界面，填土層介電常數(shù)2.6～15，金屬管介電常數(shù)300，二者差異20倍～100倍，反射系數(shù)R＝－0.83～－0.63，電磁波遇到此電性分界面全反射，且反射波振幅很強(qiáng)，雙曲線特征明顯，無(wú)多次反射現(xiàn)象。另外鑄鐵管與砼管反射波同相軸反相。

圖4 給水砼管雷達(dá)圖像

圖5 給水鑄鐵管雷達(dá)圖像

圖6 不同材質(zhì)給水管雷達(dá)圖像

3.2 充滿自來(lái)水PE管道雷達(dá)探測(cè)圖像特征

某測(cè)區(qū)已知位置(檢修井)顯示直埋電纜北側(cè)0.5 m分布有直徑為300 mm的給水PE管道，為驗(yàn)證其走向與埋深，布設(shè)兩條垂直管道走向剖面。圖7顯示在平面位置 1.42 m雙程走時(shí) 20 ns處是已知直埋電力，利用管線儀探測(cè)深度為0.95 m，據(jù)此推算波速為0.095 m/ns；在平面位置 1.93 m，深度為 1.55 m是直徑為300 mm的給水PE管道。圖8顯示在平面位置4.38 m深度為0.98 m是直埋電力線，在平面位置5.07 m深度為1.5 m是直徑為300 mm的給水PE管道。

圖像特征:內(nèi)充滿自來(lái)水PE管道雷達(dá)探測(cè)雙曲線特征明顯，管壁反射振幅較金屬管弱，管內(nèi)自來(lái)水雷達(dá)波吸收強(qiáng)，僅見(jiàn)管頂反射，多次反射現(xiàn)象不明顯。

圖7 給水PE管雷達(dá)圖像

圖8 給水PE管雷達(dá)圖像

4 天然氣管道雷達(dá)圖像特征

天然氣電介質(zhì)常數(shù)同空氣為1，因此其管道雷達(dá)探測(cè)效果僅與管道材質(zhì)有關(guān)，其材質(zhì)分為球墨鑄鐵管、鋼管、PE管3種情況，雷達(dá)探測(cè)圖像球墨鑄鐵管、鋼管相似，PE管圖像與其不同。

4.1 金屬管道探測(cè)

魯磨路東側(cè)管徑200 mm天然氣管道使用管線儀探測(cè)無(wú)信號(hào)，懷疑該管道材質(zhì)為PE。使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，圖9雷達(dá)剖面圖顯示在平面位置 3.54 m，深度為0.9 m是一條直徑為200 mm的天然氣管道，異常雙曲線特征明顯，未見(jiàn)多次波反射現(xiàn)象，根據(jù)異常特征推斷該管道材質(zhì)為球墨鑄鐵管(電性連接差，管線儀探測(cè)信號(hào)很差)。

4.2 PE管道探測(cè)

在漢口勝利街與二耀路的交叉口有一材質(zhì)為PE煤氣管道，管徑 400 mm，現(xiàn)場(chǎng)使用中心頻率為250 MHz的天線進(jìn)行探測(cè)。圖10的雷達(dá)圖像顯示:煤氣PE管在距起點(diǎn)3.75 m處，埋深約 1.55 m，雙曲線尖銳且多次反射現(xiàn)象明顯；距起點(diǎn) 7.9 m埋深約 2 m可見(jiàn)排水砼管異常，雙曲線寬緩，管底界面反射明顯。

天然氣介電常數(shù)為1，管道內(nèi)如同充滿空氣，電磁波可穿透管頂?shù)竭_(dá)管底，因此可見(jiàn)多次反射現(xiàn)象。同時(shí)注意到，反射同相軸非金屬管與金屬管是反相的，如果非金屬管是波峰—波谷—波峰的話，那么金屬管是波谷—波峰—波谷，而且強(qiáng)度高。

圖9 天然氣鋼管雷達(dá)圖像

圖10 天然氣PE管雷達(dá)圖像

5 實(shí)例反演

圖11是付家坡天橋工程兩條平行雷達(dá)探測(cè)圖像，13.4 m處為漏測(cè)管線，異常特征:曲線較窄、振幅強(qiáng)、無(wú)多次波反射現(xiàn)象，推斷為小管徑給水管道。使用管線儀驗(yàn)證，感應(yīng)探測(cè)信號(hào)強(qiáng)，連續(xù)追蹤至一給水閥門井，管徑150 mm。

圖11 未知管道雷達(dá)圖像

6 結(jié) 論

(1)由于金屬管道相對(duì)于非金屬管道有較大的反射系數(shù)，因此前者的反射異常更明顯，波振幅能量大，顯示出較粗寬的波形。金屬管的相對(duì)介電常數(shù)一般較大，導(dǎo)電率極強(qiáng)，衰減比較大，因此金屬管頂部反射會(huì)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，無(wú)管底反射。而非金屬管的介電常數(shù)一般較小，導(dǎo)電率小，衰減小，頂部反射極性正常，管底部反射同相軸明顯。

(2)對(duì)非金屬管而言，管內(nèi)流動(dòng)的物質(zhì)不同，管線的波形特征不同，當(dāng)管線內(nèi)部充水時(shí)，在水界面發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，無(wú)多次反射波的出現(xiàn)；當(dāng)管道內(nèi)部為天然氣時(shí)，對(duì)于非金屬管線，則在記錄圖上常常會(huì)有多次反射波的出現(xiàn)。另外，同時(shí)由于水的衰減系數(shù)較大，故充水管的下界面的反射將明顯減弱。

(3)管道的直徑越大，反射弧的曲率半徑越大，對(duì)非金屬管而言，管頂部與管底部反射時(shí)間相差越大。

根據(jù)結(jié)論1可判斷管道的材質(zhì)，根據(jù)結(jié)論2可對(duì)管道內(nèi)載體性質(zhì)作出粗判，根據(jù)結(jié)論3可對(duì)管道的尺寸作出大概判斷，掌握上述規(guī)律對(duì)于不明管道的性質(zhì)推斷將起到一定作用。以上觀點(diǎn)屬作者本人生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)的規(guī)律，不對(duì)之處期望同行指證。

[1]王惠濂.探地雷達(dá)目的體物理模擬研究結(jié)果.地球科學(xué)，1993(03)

Ground－penetrating Radar to Detect Underground Pipeline Images Qualitative Research

Liu ChuanFeng1，2
(1.China University of Geosciences Institute of Geophysics and Space Information，Wuhan 430074，China；2.Wuhan Institute of Survey and Design，Wuhan 430022，China)

This paper has accumulated on the production practice of different pipe materials，different shapes and different filling underground pipes under ground－penetrating radar image analysis and study，summarized above situation underground pipeline features of ground－penetrating radar images，summed up on the ground－penetrating radar to detect underground pipeline qualitative data to explain the basic rules with a view to the nature and operation of underground pipeline condition given reference.

ground－penetrating radar；Pipeline Material；filling；image；Qualitative interpretation

1672－8262(2010)03－144－04

P631

B

2009—12—31

劉傳逢(1976—)，男，高級(jí)工程師，主要從事城市工程物探與地下工程測(cè)量技術(shù)工作。