地下非金属管线探地雷达图像特征的研究及应用

曹震峰，丘广新，葛如冰

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

地下非金属管线探地雷达图像特征的研究及应用

曹震峰∗，丘广新，葛如冰

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

探地雷达技术是目前地下非金属管线探测的主要方法，开展地下管线的探地雷达异常特征的研究可大幅提高其探测方法的有效性和精度，同时还发现了一些新规律并加以应用。本文针对探地雷达运用的一些关键点，从模型实验研究入手，深入探讨和剖析了影响非金属管道探测的几个因素，并根据模型实验和大量的实际探测结果，提出了管道内载体的电性参数是决定管线异常图像特征的首要因素。另外，首次提出了按照非金属给水管的多次反射波间距计算其管径的公式，并得到了不同管径的实例验证，为探地雷达在城市地下管线普查中的应用提供新的借鉴。

管线探测；探地雷达；载体；管径

1 引 言

近年来，非金属管道被广泛地运用于城市地下管线建设工程之中，塑料管道占其中的大部分，在给水、煤气和排水管道中更是大量采用。因此，对塑料管道及其周围介质的物性结构进行研究，分析它们的探地雷达异常特征以及影响其异常特征的因素，探讨更有效的探测技术参数和手段，对拓宽探地雷达方法的应用范围是非常有意义的。

在大量的实际探测应用中，笔者发现非金属管内载体的电性参数对雷达的异常特征有非常大的影响，使管线的异常特征变化极大，直接影响到探地雷达的应用效果。在开展不同频率天线，进行不同管径、埋深、材质、管内载体的模型实验后，进一步证实了管内载体的电性参数是影响非金属管线探地雷达图像特征首要因素，并且其多次反射波间距与管径有直接的对应关系。

2 方法原理

探地雷达是研究高频短脉冲(106Hz～109Hz)电磁波在地下介质中传播规律的一种技术方法，它能使用户快速获得相关探测区域的详细信息。基本的探地雷达系统由发射－接收装置组成，通过向地下发射电磁脉冲波，并接收含有不同电介质特性的不连续物质表面反射的回波。电磁波在介质(包括沥青、砼、土壤、岩土以及地下管线、空洞等)中传播时，其路径、波形将随所通过介质的电性和几何形态的不同而变化，当忽略天线距时，反射界面的深度可由公式h＝v△t/2＝c△t/2 (ε1/2)求得。(其中c为电磁波在空气中的速度，△t为电磁波在介质中的双程走时，ε为介质的相对介电常数值)。

探地雷达通常以反射剖面法工作，并按数字化形式采样记录，波形的正负峰以灰阶或彩色表示其幅值的强弱变化，或分别以黑、白表示之。地下管线异常在雷达图像上的典型异常是一条双曲线同相轴，可根据这一特征来判定管线位置和深度。

2.1 常见介质的电性特征

探地雷达应用的物性前提是目标管线体必须与周围介质的介电常数和电磁波波速存在明显差异。各种相关介质的介电常数如表1所示。

常见介质的介电常数表 表1

从表中可以看到，金属管线中电磁波波速为零，管线与周围介质存在显著的电磁性差异，电磁波在金属管壁产生全部反射；非金属管线除管线本身材质与周围介质存在一定差异外，其周围的介质也有不同的电性差异，如混凝土介电常数为 6.4，传播速度为0.12 m/ns，而湿土介电常数为 10～15，波速为0.07 m/ns～0.10 m/ns。可见，非金属管线的异常将具有多样性。

反射系数和波速是两个重要的参数，其大小一般由介电常数决定，设反射系数R，波速为v，周围介质介电常数ε1、管线或管线内介质介电常数ε2，则它们有如下关系:

如果地面下存在管线或其他目标物，并存在一定得电性差异，这时雷达系统接收到的回波幅度会明显变强，其剖面图像上将出现双曲线异常。

目标管线反射系数｜R｜≥0.1，是满足探地雷达探测的必要物性前提条件。

2.2 探测参数选择

为了获得最佳性能，首先是选择合适频率的天线，正确地设置采集时窗、每扫点数、波速、点距，还有选择合适的增益方式也很重要。

(1)一般选取探测深度h为目标深度的1.3倍。设最大探测深度dmax和波速v，则采样时窗W(单位ns):

(2)对于不同天线频率F(MHz)、采样时窗W，选择的采样率S应满足下列关系:

(3)评估可分辨两相邻管线的间距。能否分辨取决于两管线间距是否大于第一Fresnel带直径的1/4，即的四分之一，其中v为波速，f为天线中心频率，h为埋深。

(4)增益方式宜选择自动，当地面或者地下介质有明显变化时，要及时重新获取自动增益曲线，然后再继续探测。

雷达波速的给定值将直接影响到目标物的探测埋深，宜采用由已知深度的管线标定波速v的方式确定。

3 模型实验

本次模型实验以小口径非金属管线(直径DN50～ 150)探测研究为主，实验的管道选用直径为DN63、90、110的PE管道。考虑到模型内的介质应均匀并尽量与实际情况接近，故选择自然状态的河沙作为管道周围的介质，模型沙堆采取梯形结构，保持顶面尺寸为200 cm×150 cm(长×宽)，高度为120 cm。

模型实验的探地雷达天线频率以900 MHz为主，200 MHz、600 MHz天线的实验为辅。探讨不同管径、埋深，以及管道载体、地面材料对探测结果的影响。

3.1 单一管线模型的探测实验

本次实验模型的地介质采用中粒度沙，选择单一小口径PE管道(管径为DN63)为探测对象，将管道保持水平夯入到预定深度位置，然后进行模型探测实验。

实验结果表明较高频率的天线在一定埋深(50 cm以内)范围内可探测单一的中空小口径塑料管道，并有较明显的双曲线异常特征。DN63管道空气载体模型的900 MHz天线探测实验结果如图1所示。

图1 单一非金属管线模型的雷达图像

3.2 并行管线模型的探测实验

为了解900 MHz天线对并行管线的分辨率情况，开展了并行非金属管线探测的模型实验工作，选择管径为DN63和DN90，间隔为30 cm～50 cm的模型。模型探测实验结果如图3所示，其结果表明，在管顶埋深小于50 cm时，该雷达天线可区分间距大于30 cm的并行小口径塑料管。图2左侧图像是2根PE管存在时的雷达图像，中间是将模型右边的DN63管抽掉后保留孔穴时的雷达图像，结果表明前后的两个雷达图像差异不大。右侧图是将DN63空孔充填后的雷达图像，这时右边的管线异常已经消失了。这组实验结果说明了塑料管本身的介电常数与空气的差别确实不明显(其理论比值在1.4～1.8之间)，也证明了采用雷达探测小口径塑料煤气管道确实存在较大的难度。

图2 并行双非金属管线模型的雷达图像

3.3 不同管径非金属管线模型的探测实验

为确定 900 MHz天线的探测分辨能力，建立了DN40、DN63、DN90等3条不同管径的物理模型，管道的水平间隔为 30 cm，呈品字形分布，DN40的在上方(埋深20 cm)，DN90在左下方(埋深35 cm)，DN63在右下方(埋深 33 cm)。模型探测实验结果如图3所示，其结果表明，DN40位置处基本没有管线异常特征，表明900 MHz天线无法探测到DN40及以下的空塑料管道。

图3 不同管径非金属管线模型的雷达图像

3.4 不同管道载体的模型实验

根据以往的理论研究和雷达探测的应用情况，非金属管道内载体的不同会改变管道的物理性质，对雷达的探测结果产生较大的影响。因此，开展了改变管道载体的模型实验工作，在不改变其他条件的情况下，分别将管道内注满水(模拟给水管)或排空后(模拟煤气管)进行探测实验，比较其结果的不同。模型探测实验结果如图4所示，其结果表明，当将左侧的DN63塑料管道内注满水后，载水的管道的雷达图像具有明显的双曲线异常特征，幅值比空管时强很多，并且有多次波，如图3左图所示；将右侧的DN90塑料管道内注满水后，左边管道排空，则DN90管道的雷达图像具有明显的双曲线异常特征，幅值比左边的空管强很多，并且有多次波，如图3右图所示。该实验表明，由于管道内水的介电常数(81)比空气或煤气以及塑料管道本身的介电常数(均小于6)大很多，在水与管壁之间形成了一个强电磁波反射面，故塑料水管会有明显的雷达异常。它从实验角度证明了为什么在实际探测中会常遇到同样管径的非金属煤气管的探地雷达异常要比水管的弱很多的这样一种现象。

图4 不同载体非金属管线模型的雷达图像

3.5 不同地面材料的模型实验

在雷达的实际探测工作中，地面材料对探测结果也会产生一定的影响。为探讨其作用程度，通过在沙堆模型的顶面铺盖地砖的方式，模拟不同地面材料下的非金属管线探测实验。模型实验的管径为DN90、DN110，管顶埋深分别为 0.32 m、0.34 m。模型探测实验结果如图5所示，其结果表明当地面铺有地砖、岩石或其他材料时，地砖与沙土之间界面的强反射以及其缝隙间和边缘的绕射波效应会产生干扰波，影响管线异常的识别。在实际的探测应用中，除上述的影响外，地面材质的变化有时还会削弱、淡化管线的雷达异常信号，甚至会形成浅部介质界面的全反射现象，使电磁波根本穿透不下去，导致无法探测到下部的目标管线。这一点在实际探测中应该特别加以注意。

3.6 不同频率天线的模型实验

对于同一个模型体，通过 200 MHz、600 MHz和900 MHz等3种不同频率天线的探测对比试验，了解管线异常随频率改变的变化特征。该模型的布置(从左到右)参数为:一根满水 PE管(DN110)，埋深0.5 m，一根空心 PE管(DN90)，埋深 0.5 m，一根DN50的钢管，埋深 0.39 m。其间距分别为 0.45 m、0.35 m，管线周围介质为自然堆积状态的河沙。模型实验的探测结果如下图 6所示。从其结果可见，900 MHz天线可清晰地分辨出3条不同的管线异常，且异常特征较明显；600 MHz天线可勉强分别出左右两条管线的异常，但无法辨认中间的PE空管的异常；而200 MHz天线则基本无法分辨这3条管线的反射波。由此可见，高频天线具有较高的分辨率，有利于浅部、细小管线的探测应用。

图5 有(左)、无(右)地砖模型的雷达图像对比

图6 不同频率(900M，600M，200M)天线的模型实验结果对比

3.7 应用实例

非金属管道内的载体不同，将会对探地雷达的异常特征产生很大的影响，这一点不但是模型实验中得到的结论，同时也得到大量实际探测工程的验证。图7为实际探测工程中的一组典型雷达图像，左侧图为两条间距是0.55 m并行的DN110的PVC给水管道的异常图像，可见该异常具有幅值强、多次波明显的特征；右侧图则是一条DN160的PE煤气管道的异常图像，其特点是幅值较弱，且无多次反射波。

图7 给水与煤气塑料管道的探测实例

4 多次反射波的新应用

一直以来，探地雷达基本上只是用来探测地下管线的位置与埋深，对于管线的管径，则基本上都是利用已知资料或开挖取证。也有人提出过利用雷达波的宽度对管径进行估算，但这样的计算结果一是误差会很大，而且技术也很不成熟。我们在模型实验和实际探测过程发现，非金属给水管线的探地雷达反射图像中，往往存在着管线的多次反射波信号，其中就包含有管径的信息，处理这些信息，即可获取准确的管径数据。

在分析不同管径的非金属给水管道GPR图像中的多次反射波发现:管径与其多次反射波的间距成正比，其管径可按公式D＝Vc水×∑(Ti＋1－Ti)/2(n－1)计算。

其中:Vc水是水的电磁波速度，Vc水＝0.033 m/ns。Ti＋1、Ti是相邻上下反射波的走时，单位为ns，n为可截取到的雷达反射波的总个数。

模型实验的多次波间距与其管径的对照表 表2

现场探测的多次波间距与其管径的对照表 表3

表2是模型实验时3种管径的计算结果，其偏差均小10%；表3是给水管线探测实例中不同管径的计算结果，其偏差均小7%。由此可见，模型实验和实际探测结果均验证了上述管径计算公式的正确性。

5 结 语

探地雷达方法具有无损、快速的优点，正日益广泛地运用于管线探测及其他探测和检测领域，如何更好地应用这种物探方法，除选择合适的仪器、天线频率和工作方法外，根据图像特征正确地识别管线异常也是一个非常重要的环节。本文采取与实际情况较为接近的模型实验的方法，对非金属管线探测中影响探地雷达图像异常特征的几个因素进行了系统分析和论证，找出了影响雷达异常特征的主要因素，这对非金属管线探测将提供非常有益的指导和借鉴。另外，利用多次反射波计算管径的公式不但与模型实验结果吻合，还得到了大量实例的验证，它成功地解决了给水非金属管管径的探测问题。

[1]李大心.探地雷达原理与应用[M].北京:地质出版社，1994

[2]袁明德.探地雷达探测地下管线的能力[J].物探与化探，2002，26(2):152－155＋162

[3]王惠濂.探地雷达目的体物理模拟研究结果[J].地球科学，1993，18(3):266－284＋368

[4]张汉春，曹震峰.RIS－K2探地雷达在地下管线竣工测量中的应用[J].工程地球物理学报，2007，5(4):395～399

[5]邓世坤.探地雷达野外工作参数选择的基本原则[J].工程地球物理学报，2005，2(5):323～329

Research and Application of the GPR Image Characteristics of Underground Nonmetallic Pipelines

Cao ZhenFeng，Qiu GuangXin，Ge RuBing
(Guangzhou Urban Planning＆Survey Design Research Institute，Guangzhou 510060，China)

Recently，The GPR is a commonly used method in the underground nonmetallic pipeline survey.The research of the image characteristics of underground pipelines can increase the efficiency and accuracy of this method significantly.At the same time，it can also discover some new rules and application of them.This paper focuses on some key points in the application of the GPR，begins with the study of model experiment，thoroughly analyses several factors which have effect on underground nonmetallic pipeline survey，and states that electrical parameter of pipeline carrier is the most important factor which determines the GPR image characteristics of pipelines.In addition，it presents a formula of calculating the diameter of nonmetallic waterline，according to the distance of the multiple reflected wave of GPR at the first time.The formula is confirmed by the actual survey and provides a new method of the application of the GPR in urban underground utilities general survey.

Pipeline survey；GPR；Pipeline carrier；Pipeline diameter

1672－8262(2010)02－172－05

P631

B

2009—08—18

曹震峰(1962—)，男，高级工程师，从事地下管线探测、工程物探及矿产物探工作。