探地雷達在電廠地下管線探測中的研究與應用

王睿東　胡永哲　徐東坡　李兵　高世明

摘要：地下管網是電廠基礎設施的重要組成部分，但因其縱橫交叉、情況復雜，且水、電、氣分別歸屬不同的管理機構，使得管理信息孤立、更新困難、人工數據檢索效率低，從而導致電廠地下設施建設、管理與維護困難極大。本文使用探地雷達作為檢測工具，針對火電廠地下管網研究一種細觀尺度的快速檢測技術，打破探地雷達和管線檢測之間的壁壘，通過客觀、快速的檢測手段，實現電廠地下管網快速檢測，為數字電廠的建設提供技術支撐。

關鍵詞：探地雷達;電廠地下管網;快速檢測技術

引言

現在地下工程中，對地下管線資料整理分析的方法仍然主要采用的是二維的信息圖紙，這些二維圖紙只是對圖形和地理符號的描述，并不能完整地加載其相關附加信息。一旦出現管線泄漏、第三方施工挖斷管線等事故，所造成的經濟損失不可估量。本項目的開展可為管理層降低決策風險，提高施工效率，規避挖斷管線所造成的損失。

當前探地雷達主要應用于檢測隧道的襯砌厚度、施工時塌方位置及處理情況、橋梁混凝土與鋼筋情況等。近年來隨著探地雷達技術的不斷推廣，開始逐步應用到市政地下管線檢測方面，但是由于地質、結構復雜，形成的雷達波形千變萬化，因此通常無法精確探測所有管線，且僅限于針對性施工條件下的管線定位與故障排查。本文結合探地雷達技術與傳統土壤檢測方法，從中觀檢測層面提出了一種快速檢測土壤土體構型的方法。

1研究基礎

1.1 電廠地下管網特性

當前對于地下管網主要采用人工管理方式，作為管理依據的文字檔案及圖形檔案都存在紙介質上，數據和圖紙是分離的，更新很困難，一致性難以保證;手工進行數據檢索，由于數據量大，信息分散，檢索效率很低，往往只能依賴具有一定實踐經驗或經歷的工程、維護人員充任“活地圖”，給電廠地下設施建設、管理與維護帶來極大困難。另外由于地下管線的資料殘缺不全、精度不高或與現狀不符，造成在施工中時常發生挖斷或挖壞地下管線，由此造成事故的直接與間接經濟損失不可估量。

目前地下管網的可視化應用還處于初步探索階段，要實現更高效、更精細的地下綜合管線三維可視化建模方法，需要建立更多的新的系統族模型，以及高配置的電腦來建模。但隨著信息化的發展和數字地球的推廣，可視化學習型建模技術在地下工程的應用將會越來越多，該技術在地下工程的應用也將漸漸走向成熟，將使電廠建設更加智能化。

1.2 探地雷達原理

探地雷達是以電磁波傳播理論為基礎，通過發射天線發射超高頻短脈沖電磁波在地下介質中向不同方向傳播，若電磁波遇到由路基含水量增加、疏松濕軟、脫空、潛水面或地下管線等引起的介電差異的分界面時，便發生反射、繞射和透射等現象，其雷達回波被接收天線所接收，然后在主機中記錄，根據接收到的雷達反射波的波形、振幅強度、相位特征及雙程走時等參數，對上述參數進行分析后便可推測出地下介質的分布、介電性質、埋深及結構特征等。

探地雷達由發射部分和接收部分組成。發射部分由產生高頻脈沖波的發射機和向外輻射電磁波的天線（Tx）組成。發射天線以60°～90°的波束角向地下發射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面產生反射。反射波被設置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，與此同時接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達波，反射波和直達波同時被接收機記錄或在終端顯示出來。且雷達的電磁波頻率越高，探測深度越淺，探測精度越高;頻率越低，探測深度越深，探測精度越低。

探地雷達數據處理的目標是壓制隨機的和有規律的干擾，以最大可能分辨率在探地雷達圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用的參數（電磁波速度，振幅和波形等）來幫助解釋。探地雷達依靠脈沖回波信號，其子波長度都由發射源控制。脈沖在地下傳播過程中，能量會產生球面衰減，也會由于介質對波的能量的吸收而減弱，在地下介質不均時還會發生散射、反射與透射。但穩定的干擾經過后期的校正零偏、FIR濾波、IIR濾波和背景消除等技術處理后，不會對土體構型分析造成較大的影響。探地雷達工作原理如圖1所示。

2 研究方法

2.1數據分析

TDR （ Time domain reflectometry），名為即時域反射技術，是雷達探測技術的一種應用，是根據探測器發出的電磁波在不同介電常數物質中的傳輸時間的不同，而得出被測物的介電常數。可用以直接測量土壤或其他介質的介電常數。

電磁波在介質中傳播的速度與介質的介電常數的平方根成反比，可用以下公式表示：

式中：C為電磁波在介質中的傳播速度;C為真空中的電磁傳播速度3x108m/s）;ε為介質的介電常數;μ為介質的磁導率，在無磁介質中，μ=1。

TDR脈沖源發射出一個電壓的階梯狀高頻脈沖信號，沿著土壤中的探針（長度為l）傳播，部分能量在探針末端反射，形成TDR反射信號，可通過計量傳播時間t，求得電磁波的傳播速度C（見式2），得出介質的介電常數μ。

2.2實驗驗證

2.2.1敏感性實驗的研究驗證

在電廠實地勘測的基礎上，以測試基礎數據為依托，對不同管線類別及埋藏深度設定實驗室模擬指標，測試并驗證單一探測技術對不同管線的針對性與敏感度。

2.2.2提出采集設備的功能、精度等要求

通過實驗室測試，驗證該電廠地下管網智慧探查系統的敏感性、可行性和可靠性，對采集設備的功能、精度提出要求，從而達到對地下管網準確探查的目的。

2.2.3綜合集成勘測技術研究

電磁感應法、探地雷達法、高密度電阻率法、聲學探測法可分別完成對不同性質管線的精確探測，在此基礎上研究地下管網的綜合集成勘測技術，建立電廠多種類地下管網關聯拓撲關系檢測系統，該系統由探測模塊、分析模塊、輸出模塊組成。通過將勘測車輛在行駛過程中采集到的信息實時傳回到數據分析計算機，根據實時數據將雷達采集到的信號通過計算分析，轉化為地下管網的布局資料。

3 結論與展望

本文采用探地雷達作為探測工具，結合地下管網的精度需求，對通過電磁感應法、探地雷達法、高密度電阻率法、聲學探測法等不同方法檢測數據的精度、尺度進行歸一化的研究確認，并解決各檢測儀器間的相互干擾問題，保證數據源的真實性和可靠性。電廠地下管線探測技術的研究，通過掌握管網的外部形狀、地理位置、管網之間的相互影響等信息，可以形成對新建管線走向、深度等的約束條件，并提供維護相關管線的決策依據，為更安全、合理的解決方法和預案奠定數據基礎。

參考文獻

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作者簡介：王睿東，男，1974年10月，漢族，內蒙古赤峰市，高級工程師，從事火力發電企業管理工作。