埋地PVC管道地质雷达探测方法改进

李兴迪　王永强

(西南科技大学环境与资源学院)



埋地PVC管道地质雷达探测方法改进

李兴迪王永强

(西南科技大学环境与资源学院)

摘要地质雷达被广泛用于埋地管道探测，但对埋深较大的非金属管道探测效果不理想。根据地质雷达的探测原理，对PVC管道绑定金属铁丝和包裹锡箔纸，以增强地质雷达对埋地PVC管道的探测效果。计算机正演模拟与现场试验结果基本吻合，上述方法有助于改善埋地PVC管道地质雷达的探测效果。

关键词地质雷达PVC管道探测正演模拟

城市埋地管道多种多样，其中较常见的有钢管、混凝土管以及PVC管等，各类管道的埋深、管径各不相同，埋设地面情况也不尽一致。由于非金属管道对电磁波感应不灵敏，因而探测难度较大，不宜采用管线探测仪进行探测[1]，相对而言，地质雷达对于该类管道的探测效果较好[2]。地质雷达是通过发射天线向地下发射高频电磁波，通常为1～ 1 000 MHz，通过天线接收反射回地面的电磁波进行探测，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射。在地质雷达仪器性能条件一定的情况下，接收回波信号的强弱取决于介质性质、频率和深度[3]。地质雷达的电磁反射是探测非金属管道的有效手段，电磁波的传播特性与反射特性即速度与衰减直受到非金属管道导电特性变化的影响[4-7]，因此，地质雷达对非金属管道探测具有一定困难。对此，本研究针对地质雷达对埋深较大的PVC管道探测效果不理想的问题[8-10]，对地质雷达探测方法进行适当改进，并通过计算机正演模拟及现场试验进行验证。

1试验设计

(1)试验1。给管道增加1根金属铁丝，轴向绑定，探究改进后对雷达探测信号的影响(图1(a))。1#、2#管道对比，3#、4#管道对比，分析增加金属丝之后的管道对雷达波形的影响；1#、3#管道对比，2#、4#管道对比，分析管道埋深对雷达波形的影响。

(2)试验2。给管道包裹1层锡箔纸，探究改进后对雷达探测信号的影响(图1(b))。1#、2#管道对比，3#、4#管道对比，分析包裹锡箔纸后的管道对雷达波形的影响；1#、3#管道对比，2#、4#管道对比，分析管道埋深对雷达波形的影响。

图1　管道埋设布置剖面

2正演分析

本研究采用GPRmax2D[11]软件进行正演分析，该软件操作步骤：首先利用txt文档按软件的语法规则编写建模程序，作为输入程序；然后利用软件的“windows文件”目录下的“GPRmax2D”进行读取并运算，输出“geo”、“out”文件(“geo”为建模图形文件，“out”为模拟仿真波形文件[11])；最后通过MATLAB软件打开，利用函数调用出“geo”、“out”文件查看分析结果。模型采用探地雷达正演模拟的天线中心频率为900 MHz，模型区域尺寸800 mm×600 mm，模型介质为土层，介电常数为15，电导率0.01 s/m，管道界面介电常数为3.0，电导率 0.01 s/m，增加的铁丝半径为0.004 m。模型模拟的网格步长为 2.5 mm，时窗为12 ns，计算步数为68。发射电线初始位置为(0.087 5，0.552 5)，接收天线初始位置为(0.112 5，0.552 5)，天线步长为10 mm。正演分析结果见图2。

图2　正演分析结果

从图2(a)中可清晰看到4组双曲线，分别对应了4条埋地管道，各管道的管顶绕射波有较明显的显示，而管底绕射波不够明显。通过该图可很明显看到在x=0.2，x=0.5处有双曲线反应，而在x=0.3及x=0.6处，由于管道埋深较大，因此双曲线反应不够明显，强度减弱，1#、3#管道雷达波形较2#、4#管道清晰。从图2(b)可清晰看到4组双曲线及少量重复波形，该4组双曲线分别对应了4根埋地管道，各管道的管顶绕射波均有较明显的显示，管底绕射波也较明显。通过该图可很明显看到在x=0.2，x=0.5处有双曲线反应，而在x=0.3及x=0.6处，由于管道埋深较大，较之浅层，管道雷达反应强度有所减弱，相对于2#、4#管道，1#、3#管道雷达波形改变较显著，无论是管顶绕射波还是管底绕射波，均明显增强，可见，给管道包裹锡箔纸显著提高了雷达的感应强度，增强了探测效果。

3现场试验

试验1、试验2的现场试验结果见图3。

图3　现场试验结果

通过图3(a)可很明显看出1#、2#、3#、4#管道的4个典型曲线拱，其中1#、3#管道的曲线拱更清晰，波形更明显，左右管道间隔距离一定，埋深两两水平，埋深分别为0.25，0.42 m，图中很难观察到管底绕射波。较之2#、4#管道，1#、3#管道由于增加了铁丝，图像更清晰，波形更明显，可见，管道增加铁丝可较明显地增强雷达探测反射信号。通过图3(b)可很明显看出1#管道的曲线拱，而2#、3#管道的曲线拱则较弱，4#管道的曲线几乎难以辨认，左右管道间隔距离一定，埋深两两水平，埋深分别为0.25，0.42 m，图中很难看到管底绕射波。相对于2#、4#管道，1#、3#管道由于包裹了锡箔纸，图像非常清晰，波形非常明显，可见，将管道包裹锡箔纸可显著增强雷达探测反射信号。

4结论

(1)由于铁丝作为优良导体，对电磁波的反应较灵敏，对于同一埋深的PVC管道，增加1根金属铁丝做标记，可较明显地增强雷达探测信号。

(2)由于锡箔纸对电磁波的反应非常灵敏，对于同一埋深的PVC管道，增加锡箔纸包裹处理，可显著增强雷达探测信号。

(3)在管道敷设过程中，可在管道交叉、密集的部位有针对性的给管道绑扎铁丝或包裹锡箔纸，以增强雷达探测信号，在PVC管道生产过程中，建议在管道表面镀1层很薄的锡层，有助于提高关键区域PVC管道地质雷达探测的精准性。

参考文献

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[2]周立军，董荣伟，徐波，等.探地雷达在城市地质调查中的应用[J].工程地球物理学报，2009(10)：632-635.

[3]徐宏武，邵雁，邓春为.探地雷达技术及其探测的应用[J].岩土工程技术，2005(4)：191-194.

[4]王勇.城市地下管线探测技术方法研究与应用[D].长春：吉林大学，2012.

[5]杨峰，彭苏萍.地质雷达探测原理与方法研究[M].北京：科学出版社，2006.

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[11]周奇才，李炳杰，郑宇轩，等.基于GPRmax2D的探地雷达图像正演模拟[J].工程地球物理学报，2008(4)：396-399.

(收稿日期2015-10-19)

李兴迪(1990—)，男，硕士研究生，621010 四川省绵阳市涪城区青义镇。