埋地PVC管道地質雷達探測方法改進

李興迪　王永強

(西南科技大學環境與資源學院)

?

埋地PVC管道地質雷達探測方法改進

李興迪王永強

(西南科技大學環境與資源學院)

摘要地質雷達被廣泛用于埋地管道探測，但對埋深較大的非金屬管道探測效果不理想。根據地質雷達的探測原理，對PVC管道綁定金屬鐵絲和包裹錫箔紙，以增強地質雷達對埋地PVC管道的探測效果。計算機正演模擬與現場試驗結果基本吻合，上述方法有助于改善埋地PVC管道地質雷達的探測效果。

關鍵詞地質雷達PVC管道探測正演模擬

城市埋地管道多種多樣，其中較常見的有鋼管、混凝土管以及PVC管等，各類管道的埋深、管徑各不相同，埋設地面情況也不盡一致。由于非金屬管道對電磁波感應不靈敏，因而探測難度較大，不宜采用管線探測儀進行探測[1]，相對而言，地質雷達對于該類管道的探測效果較好[2]。地質雷達是通過發射天線向地下發射高頻電磁波，通常為1～ 1 000 MHz，通過天線接收反射回地面的電磁波進行探測，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發生反射。在地質雷達儀器性能條件一定的情況下，接收回波信號的強弱取決于介質性質、頻率和深度[3]。地質雷達的電磁反射是探測非金屬管道的有效手段，電磁波的傳播特性與反射特性即速度與衰減直受到非金屬管道導電特性變化的影響[4-7]，因此，地質雷達對非金屬管道探測具有一定困難。對此，本研究針對地質雷達對埋深較大的PVC管道探測效果不理想的問題[8-10]，對地質雷達探測方法進行適當改進，并通過計算機正演模擬及現場試驗進行驗證。

1試驗設計

(1)試驗1。給管道增加1根金屬鐵絲，軸向綁定，探究改進后對雷達探測信號的影響(圖1(a))。1#、2#管道對比，3#、4#管道對比，分析增加金屬絲之后的管道對雷達波形的影響；1#、3#管道對比，2#、4#管道對比，分析管道埋深對雷達波形的影響。

(2)試驗2。給管道包裹1層錫箔紙，探究改進后對雷達探測信號的影響(圖1(b))。1#、2#管道對比，3#、4#管道對比，分析包裹錫箔紙后的管道對雷達波形的影響；1#、3#管道對比，2#、4#管道對比，分析管道埋深對雷達波形的影響。

圖1　管道埋設布置剖面

2正演分析

本研究采用GPRmax2D[11]軟件進行正演分析，該軟件操作步驟：首先利用txt文檔按軟件的語法規則編寫建模程序，作為輸入程序；然后利用軟件的“windows文件”目錄下的“GPRmax2D”進行讀取并運算，輸出“geo”、“out”文件(“geo”為建模圖形文件，“out”為模擬仿真波形文件[11])；最后通過MATLAB軟件打開，利用函數調用出“geo”、“out”文件查看分析結果。模型采用探地雷達正演模擬的天線中心頻率為900 MHz，模型區域尺寸800 mm×600 mm，模型介質為土層，介電常數為15，電導率0.01 s/m，管道界面介電常數為3.0，電導率 0.01 s/m，增加的鐵絲半徑為0.004 m。模型模擬的網格步長為 2.5 mm，時窗為12 ns，計算步數為68。發射電線初始位置為(0.087 5，0.552 5)，接收天線初始位置為(0.112 5，0.552 5)，天線步長為10 mm。正演分析結果見圖2。

圖2　正演分析結果

從圖2(a)中可清晰看到4組雙曲線，分別對應了4條埋地管道，各管道的管頂繞射波有較明顯的顯示，而管底繞射波不夠明顯。通過該圖可很明顯看到在x=0.2，x=0.5處有雙曲線反應，而在x=0.3及x=0.6處，由于管道埋深較大，因此雙曲線反應不夠明顯，強度減弱，1#、3#管道雷達波形較2#、4#管道清晰。從圖2(b)可清晰看到4組雙曲線及少量重復波形，該4組雙曲線分別對應了4根埋地管道，各管道的管頂繞射波均有較明顯的顯示，管底繞射波也較明顯。通過該圖可很明顯看到在x=0.2，x=0.5處有雙曲線反應，而在x=0.3及x=0.6處，由于管道埋深較大，較之淺層，管道雷達反應強度有所減弱，相對于2#、4#管道，1#、3#管道雷達波形改變較顯著，無論是管頂繞射波還是管底繞射波，均明顯增強，可見，給管道包裹錫箔紙顯著提高了雷達的感應強度，增強了探測效果。

3現場試驗

試驗1、試驗2的現場試驗結果見圖3。

圖3　現場試驗結果

通過圖3(a)可很明顯看出1#、2#、3#、4#管道的4個典型曲線拱，其中1#、3#管道的曲線拱更清晰，波形更明顯，左右管道間隔距離一定，埋深兩兩水平，埋深分別為0.25，0.42 m，圖中很難觀察到管底繞射波。較之2#、4#管道，1#、3#管道由于增加了鐵絲，圖像更清晰，波形更明顯，可見，管道增加鐵絲可較明顯地增強雷達探測反射信號。通過圖3(b)可很明顯看出1#管道的曲線拱，而2#、3#管道的曲線拱則較弱，4#管道的曲線幾乎難以辨認，左右管道間隔距離一定，埋深兩兩水平，埋深分別為0.25，0.42 m，圖中很難看到管底繞射波。相對于2#、4#管道，1#、3#管道由于包裹了錫箔紙，圖像非常清晰，波形非常明顯，可見，將管道包裹錫箔紙可顯著增強雷達探測反射信號。

4結論

(1)由于鐵絲作為優良導體，對電磁波的反應較靈敏，對于同一埋深的PVC管道，增加1根金屬鐵絲做標記，可較明顯地增強雷達探測信號。

(2)由于錫箔紙對電磁波的反應非常靈敏，對于同一埋深的PVC管道，增加錫箔紙包裹處理，可顯著增強雷達探測信號。

(3)在管道敷設過程中，可在管道交叉、密集的部位有針對性的給管道綁扎鐵絲或包裹錫箔紙，以增強雷達探測信號，在PVC管道生產過程中，建議在管道表面鍍1層很薄的錫層，有助于提高關鍵區域PVC管道地質雷達探測的精準性。

參考文獻

[1]李大心.探地雷達原理及應用[M].北京：地質出版社，1994.

[2]周立軍，董榮偉，徐波，等.探地雷達在城市地質調查中的應用[J].工程地球物理學報，2009(10)：632-635.

[3]徐宏武，邵雁，鄧春為.探地雷達技術及其探測的應用[J].巖土工程技術，2005(4)：191-194.

[4]王勇.城市地下管線探測技術方法研究與應用[D].長春：吉林大學，2012.

[5]楊峰，彭蘇萍.地質雷達探測原理與方法研究[M].北京：科學出版社，2006.

[6]陳德莉.探地雷達地下目標ROI提取算法研究[D].哈爾濱：國防科學技術大學， 2003.

[7]鄧華，蔡迎春，張蓓.小波變換在路用雷達信號處理中的應用[J].鄭州大學學報：工學版，2002，23(1)：101-103.

[8]劉敦文，黃仁東，徐國元.探地雷達技術在地下管道探測中的應用[J].湘潭礦業學院學報，2001，16(6)：75-77.

[9]袁明德.探地雷達探測地下管線的能力[J].物探與化探，2002，26(2)：152-155.

[10]馬忠海，楊棟，張倩.城市地下管線探測技術研究[J].中國產業，2011(1)：78-79.

[11]周奇才，李炳杰，鄭宇軒，等.基于GPRmax2D的探地雷達圖像正演模擬[J].工程地球物理學報，2008(4)：396-399.

(收稿日期2015-10-19)

李興迪(1990—)，男，碩士研究生，621010 四川省綿陽市涪城區青義鎮。