利用地質雷達探測地下暗溝的應用

劉文伍，郭江寧，林海

(南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005)

1 引言

城市道路發展的需要，對原有的許多明溝、支流采用蓋板溝等形式進行了掩埋使之成為城市地下排水管網的一部分。由于歷史原因目前缺乏詳細的改造竣工資料，致使城市綜合地下管線信息系統在此方面的信息缺失，無法為城市汛期防汛提供準確可靠的排水管網數據。因此，探明城市地下暗溝(渠)狀況非常重要。

地質雷達是一種對地下或結構體內不可見的目標體或界面進行定位的電磁技術。地質雷達以其探測的高分辨率和高效性，被廣泛地應用于地下設施的探查工作。將地質雷達應用于地下暗溝(渠)的探測中，可以很大程度上解決此類疑難問題。

2 地質雷達工作原理和方法

在雷達主機控制下，脈沖源產生周期性的毫微秒信號形成雷達波，并直接饋給發射天線，經由發射天線耦合到地下的信號在傳播路徑上遇到介質的非均勻體(面)時，產生反射信號。位于地面上的接收天線在接收到地下回波后，直接傳輸到接收機，信號在接收機經過整形和放大等處理后，經電纜傳輸到雷達主機，經處理后，傳輸到微機。在微機中對信號依照幅度大小進行編碼，并以偽彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來，如圖1所示。經事后處理，可用來判斷地下目標的深度、大小和方位等特性參數。接收天線接收到反射波，測出反射波的入射、反射雙向走時，就可計算出反射波走過的路程長度，從而求出天線距反射面的距離d:

式中:d為天線到反射面的距離(cm);△t為雷達波的雙程走時(ns);V為雷達波的傳播速度(cm/ns)。

式中:X為兩天線的間距;Z為反射點的法線深度;V為電磁波在地下介質中的波速。

對于介質中雷達波的傳播速度，可近似由:

式中，C0為雷達波在空氣中的傳播速度(340 m/s)，ε為介質相對介電常數。

圖1 電磁波遇到地下物體后的反射示意圖

圖2 探地雷達記錄的回波曲線示意圖

3 地下暗溝(渠)的反射圖像特點

在探測地下暗溝(渠)的過程中，采用地質雷達勘探的方法，利用混凝土或塊石介質與其周圍黏土介質的物性差異較大，電磁波在介質交界處發生繞射和反射，同相軸發生錯斷，進而確定排洪渠邊界，暗溝(渠)與周邊介質的差異性表現在:

(1)由于暗溝(渠)外層為砼結構，在蓋板上會有均勻排列的鋼筋網，鋼筋網會表現出均勻的管徑較小的金屬管線反射圖像;即出現極性反轉，無多次反射的均勻排列的弱信號;

(2)暗溝渠頂部大多是平面的砼結構，在雷達波反射上能表現出一個較平整的平面反射信號，與地下空洞及其他地下管線有較明顯的不同。

4 工程實例

為了有效驗證地質雷達在探查地下暗溝(渠)的可靠性，我們根據現有地下暗溝(渠)的資料利用地質雷達進行探測。

選用地質雷達主要技術參數如表1所示。

選擇一段已被覆蓋在市政道路下的地下暗溝進行本次試驗。此段暗溝是城市汛期主要排水通道之一，其埋深和周邊管線的復雜性在城市市政道路中具有一定的代表性。根據目前掌握的該蓋板溝的資料表明頂部埋深約50 cm，暗溝所在地段路面下有自來水、煤氣和電纜溝槽，但暗溝周邊相對干擾較少。本實驗采用400 M和100 M天線獨立探測兩次，并與已知地下管線資料進行比較。實驗結果如圖3所示。

地質雷達主要技術參數表 表1

圖3

圖4 現有地下管線資料

通過400 M天線探測資料可以看到暗河頂板界面非常清晰，兩個肩部之間有連續小反射峰線，符合金屬類介質反射圖形演示，認為界面內可能含有鋼筋等目標，兩個邊界特征非常明顯(半支雙曲線);深度約15 ns。同時兩邊深部管道信號也是非常標準，典型雙曲線形態;深度約40 ns。與圖4資料情況相符合。

通過100 M天線探測資料可以看出地下暗溝的探測結果與400 M探測結果相一致。埋設較淺的煤氣管線信號也與400 M探測結果相吻合，100 M對埋設相對較深的道路中部的排水管線受淺層干擾信號影響無明顯回波反映。

5 結論

根據地質雷達探測的能力，可以較為準確地在現場確定地下暗溝(渠)位置，并能夠準確標注其位置。因為，地質雷達探測地下暗溝(渠)的效率高、準確、無損傷并能實時以圖像的形式展示地下結構，適合在城市各種場合使用。但由于雷達波受地下水等介質影像較大，為了保證地質雷達的使用范圍需進一步研究。地質雷達必將成為完善城市排水管網的較有效的工具。

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