管線儀和探地雷達在地下管線探測中的應用

趙凱鵬

廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司 廣東 廣州 510000

1 地下管線探測的重要性

地下管線作為城市建設的重要基礎設施，承擔著給水、電力、熱力、通信等的傳輸功能，是一個城市的“生命線”[1,2]。而目前我國地下管線資料管理混亂、信息化程度低、準確性不高，僅憑資料收集難以獲得地下管線的準確信息。如何獲得準確的地下管線信息是工程設計和施工的基礎，管線儀和探地雷達作為管線探查中的重要儀器，不僅需要了解儀器的工作原理、使用方法，而且需要對實際探測中遇到的問題進行研究和解釋。

物探方法的必要前提是目標體與周圍介質有物性差異，如電導率、介電常數、磁導率、密度等。地下管線主要有金屬類(電力線纜、通信線纜、給水鑄鐵管)和非金屬類(水泥、PE管、PVC管)，地下管線在電導率和介電常數上與周圍介質有較大物性差異。管線儀主要用于金屬類管線的探查，探地雷達解決非金屬管線探測的難題。

2 RD8100管線儀的工作情況

2.1 RD8100管線儀的工作原理

RD8100管線儀的工作基本原理是電磁感應，地下管線材質與周圍介質電導率和磁導率存在較大差異，發射機供交變電流，形成交變磁場，該磁場在管線中形成交變電流，管線中的交變電流在管線周圍形成電磁場。通過管線儀接收機內部的線圈可以探查管線的位置和深度，一般將施加信號的管線等效為無限長通電直導線。

如圖1所示RD8100管線儀有兩個水品線圈t和b、一個豎直線圈v，目標管線頂部兩個水平線圈處的電磁場強度如圖中公式所示，通過這兩個公式可以計算出管線的埋深。管線周圍的解析表達式如方程(1)(2)：[2,3]

圖1 RD8100管線儀水平線圈測深示意圖

其中u為中介質中的磁導率，I為電流強度，h為管線埋深(探測線與地面重合時)，x為探測點到目標管線在地面投影的距離。谷彥斐等[1]通過方程(1)(2)定量分析了旁側管線干擾情況下產生誤差的原因，為外業管線探測的信號源判定提供了依據。

2.2 管線儀的探測方法

管線儀探測方法主要有直連法、夾鉗法、感應法。直連法是將管線儀的電纜正極(紅色)接在目標管線上，負極(黑色)接到接地電極上，負極接線盡可能垂直于目標管線的走向。常用于通信線、有示蹤線的燃氣管道、石油管道等；夾鉗法是將夾鉗閉合夾在目標管線上，使目標管線穿過夾鉗。多用于電力、通信線等的探測；感應法是將發射機置于目標管線上方，接收機接收管線激發的二次場的方法。信號強度衰減較快，且易于受到旁側管線的干擾。

管線儀的確定位置的方法主要有極大值法(峰值法)、極小值法(谷值法)、極大/極小值法(峰值/谷值法)等[4]。極大值法利用兩個水平線圈確定位置和深度，精度最高，抗干擾能力強；極小值法利用垂直線圈確定位置和深度，易受到干擾；極大/極小值法兼有極大值法和極小值法的優點，但間隔一段距離需要用極大值法或極小值法驗證。

2.3 管線儀實際使用的注意點

(1)探測區域無管線出露時，可以采用一人拿發射機、一人拿接收機間距15～20m相對移動的方式，在探測區域內呈“米”字型探測。

(2)埋深較大的管線定深度時宜采用70%法。如圖2所示，在目標管線頂部測的最大值為E，保持接收機與地面高度不變垂直移動接收機，找到管線兩側70%E強度的位置，用卷尺量出這兩個位置的長度為x，x即與管線的埋深h相等。

圖2 70%法定深示意圖

2 探地雷達的工作情況

2.1 探地雷達的工作原理

探地雷達的工作物性基礎在于地下目標體和周圍介質之間存在介電常數和磁導率的差異，如圖3。探地雷達發射天線(T)向地下發射高頻電磁波，遇到不同的目標發生來反射和透射，反射回來的電磁波被接收天線接收(R)，透射電磁波向下傳播繼續發射反射和投射，直到能量損耗完。

圖3 探地雷達原理示意圖

如圖3中所示，目標管線的埋深為h，發射天線和接收天線間距為x，v為介質中電磁波傳播速度，c為真空中電磁波傳播速度，分別為相對介電常數和相對磁導率，t為電磁波的雙程走時，滿足方程(3)(4)：

通過簡單推到可以得到方程(5)

其中t可以在探地雷達的采集軟件上讀取，相對介電常數可以通過現場試驗獲得，通過方程(5)即可獲得目標管線的埋深。

3.2 探地雷達的工作方法

BS-M探地雷達的發射天線和接收天線集為一體，所以工作方法主要有以下三種：A-scan、B-scan、C-scan[5]。A-scan即為單點連續采集的工作模式，采集得到的數據是單道數據；B-scan即為剖面線采集模式，沿著垂直于管線的剖面線采集數據，常見推車的作業模式即為該種模式。C-scan即間隔一定距離按照B-scan的方式作業，得到三位地下數據。對于B-scan法，有以下幾個重要的參數概念[6]：

(1)時窗：時窗一般選擇目標管線1.2～1.5倍深度，電磁波從儀器到該深度的雙程走時作為時窗大小。

(2)采樣點數：采用點數在條件允許下盡量大，與天線頻率和時窗大小滿足關系：采樣點數0.01天線頻率視窗大小。

(3)延時：通過單道窗口調節，波形顯示完整即可。

(4)觸發方式：一般有連續、鍵盤觸發、測距輪觸發，根據作業環境選擇即可。

3.3 探地雷達圖像識別和理解

以湛江市飲調水工程某測區內的DN1200鑄鐵接水管為例。

天線頻率為200MHz，相對介電參數為7。可以看到在深度約為1.4m處有明顯的反射曲線。經過前期資料搜集和現場開井查看，判斷為DN1200的鑄鐵水管。為了更清楚的了解電磁波在該處的傳播情況，選擇用GprMax開源軟件進行模擬。GprMax是時間域有限差分正演算法，設置模型大小為4mx2m，網格尺寸為0.005m，時窗為60ns，子波是主頻200MHz的雷克子波，天線步進距離為0.1m。

如圖4所示，模型頂部是空氣，兩側和底部是吸收層，管道為一定厚度的鑄鐵管，管道內部充滿水：

圖4 DN1200鑄鐵管模型圖

正演模擬可以看到30ns有一條明顯的反射曲線，代表給水管。反射曲線無其他雜波干擾，延伸較長。為了更清楚的了解電磁波在節水鑄鐵管中的傳播情況，取出波場快照進行研究。

可以看到20ns電磁波抵達管頂，發生了部分反射和投射，35ns鑄鐵管反射的電磁波已經到達地表。通過正演圖像和波場快照可以看到，電磁波在通過給水管時發生的反射和投射。

該工程某測區有DN315材質PVC的燃氣管存在，使用RD8100管線探測儀直連法，連接燃氣的示蹤線沒有穩定連續信號，推測為示蹤線被破壞。因此使用探地雷達探測，采集軟件的介電常數為10。

可以看到較為明顯的反射曲線，但收到起伏地表和旁側管線的干擾，反射曲線不連續。

為了解電磁波的在燃氣管中傳播情況，使用GprMax軟件進行模擬，設置模型大小為3mx2m，網格尺寸為0.005m，時窗為60ns，子波是主頻200MHz的雷克子波，天線步進距離為0.05m，介質參數如表1所示。

表1 介質參數表

正演模擬數據如圖5所示，為了更清楚的顯示反射曲線，去除地面直達波得到數據如圖6：

圖5 PVC管道正演圖

圖6 去除地面回波圖像

從圖6中可以看到明顯的三條反射曲線A、B、C，曲線強度B最強C最弱；B曲線較為“尖銳”，C曲線“平緩”，在曲線相互交錯的地方出現了多次波。在野外數據采集時，若信號較弱，需要提高顯示系數，避免丟失底部較弱的信號。

4 結束語

本文簡單的敘述了管線儀和探地雷達的基本原理、工作方法、實際工作使用等情況，采用GprMax軟件對實際中的目標管線進行正演模擬，研究了電磁波在地下的傳播情況。給出以下建議：

(1)管線儀和探地雷達在管線探測由于工作原理和工作方法各不相同，發揮著不同的作用，結合兩者的優點可以更好地服務于管線探測；

(2)管線儀在金屬管線探測方面優勢顯著，提高管線儀的使用效果在管線普查方面會發揮更大作用；

(3)探地雷達是一種無損、高效的探測方案，實測數據由于地表起伏變化地下情況復雜，目標管線的反射曲線會發生扭曲，不易識別。通過GprMax軟件正演模擬電磁波的傳播過程，可以更清楚了解電磁波的傳播規律，有利于實際數據的識別。