探地雷达在城市污水管道探测中的应用

朴彦辑

摘 要：探地雷达作为一种新型的地球物理探测方法，具有高效、无损、分辨率高等优势，被广泛应用于城市各种地下管道的探测项目中。而城市地下污水管道分布不明、管线接入混乱等问题越来越突出，严重影响了城市基础建设施工安全和城市化进程。因此，城市地下污水管道的精确探测越来越重要。基于此本文结合实际的工程案例来探讨了探地雷达在城市污水管道探测中的应用。以供相关人员参考。

关键词：探地雷达；污水管道

1 探地雷达概述

探地雷达的英文缩写是GPR，作为20世纪70年代左右兴起的一种针对特定目标进行探测的有效方法，它借助发射天线发射出的高频宽带电磁波在传播时碰到电性特征存在差异的目标体会发生反射的特性，利用接收天线接收来自目标物的回波（该回波可能是介质界面的反射波、异常体的散射波或者是经过某一路径到达接收天线的透射波），然后针对得到的接收波到达时间、幅度大小、相位和频谱特征以及同相轴形态等信息进行分析，以此分析得到介质结构和介质性质。随后，由于该技术不断地向前推进，并产生了性能更好的高频天线，探地雷达检测技术在更多的领域得到了应用和发展，包括工程勘探和地质勘探，隧道、管线和建筑等工程领域的探测等。

2 探地雷达基本原理

探地雷达是一般由控制单元、发射天线、接收天线、测距轮、计算机等几部分组成。其工作原理是利用一个发射天线将宽频带短脉冲形式的高频电磁波定向发射到地下地层或者目标体，电磁波在地下传播过程中遇到存在电性差异的地质界面时会产生反射和折射，反射回的电磁波被地面的接收天线所接收，通过对接收到的雷达反射波的走势、幅度及波形特征进行数据处理和分析，可推断地下目标体的分布情况，探地雷达工作原理如图1所示。

3 探地雷达在城市污水管道探测中的应用案例分析

针对本项目地区，使用探地雷达的目的是配合CCTV检测机器人、潜望镜QV等方法对城市地下管道安全隐患等级进行评估。项目大部分是在城市柏油路或水泥路上的人造地质环境中进行测量的，本次试验只对该范围内排水管道进行探查检测。

3.1 作业流程及要求

到达现场后，首先根据探查及检测好的图纸在实地找出预备施工的位置（图2），统一由南向北沿管线探测。仪器准备就绪后每隔5m采集一段剖面数据，依次边缓慢行走，边采集数据，同时在相应5m的标处打一个标。测完一条中间测线，再向左右各偏移0.7m，测两条测线，总共需测3条测线。至此，一段剖面数据采集完毕。以上是野外数据采集部分。

在后期处理中，需将主机中的数据读入电脑，使用Radand5软件进行图像优化。相对于其他作业方法，探地雷达的运作方式是动态的，即边走边测量。

3.2 原始资料处理流程

受很多因素（地下电缆、非排水管道、噪音、操作失误等）干扰，在野外恶劣环境中测量出的雷达原始图其成图效果较差。如何剔除这些干扰，突出隐患段也是雷达监测中一个重要环节。下面以图3中某测线为例说明使用Radand5软件进行处理的流程。

（1）打开软件RADAN，选择文件夹ViewCustomize（自定义）一Directories（存放數据的地方），选择open->file打开原文件；点击file菜单栏下的fileHeader，设置参数。

（2）将小窗口里的参数、cans/m改为60，m/mark改为5，Positeion改为一7.4，Top改为5，An-tenna改为270MHZ，DielConstan改为16，Depth改为5.625，Rangs（ns）改为150，Comp改为T1R1，scans/sec改为60；将A/D采样分辨率分为8bit16bit，24bit。由于本地区采用属于中高频天线，故用16bit的A/D采样分辨率，动态为中等，探测深度为2～5m。

扫描样点数：Samples/Scan共有128/scan256/scan1024/scan，2048/scan几种。对于不同天线频率F不同时窗长度Range，应满足：

Samples≥10·Range*F（3）

式（3）可以保证在使用频率下一个波形有10个采样点。因本地区探测采用Range=150；F=270MHZ，因此可选择接近值512扫描速率：它是定义每秒钟雷达采集多少扫描线的记录，扫描速率大时采集密集，天线的移动速度可以增大。其原则是要保证最小探测目标（SOB）内至少有20条扫描线记录：

TV≤Scan*sob/20（4）

本地区采用的是60scan/s，天线的移动速度大约是0.5m/s。

3..3 成果图分析

在本项目探测中，探地雷达主要是用于辅助验证的角色，即在CCTV检测机器人及潜望镜QV两种方法成像后，直观发现管道出现塌陷、渗漏、空洞、破损、缺陷等安全隐患；然后再对照雷达图像确认，进一步延伸到拍摄所不能照的底层内部，确定异常的范围。在以下编号为A5和A6，隐患类型为不密实的雷达图像（图5、图6）中，距离Y73井西7m和30m处出现明显的波形异常，这是典型的塌陷和不密实隐患点路况。对照瑞雷而波法勘探，此地出现频散曲线紊乱，存在异常，路段不吻合的情况，故而，判定该隐患段存在空洞或裂缝，需要及时处理。

4结束语

通过使用探地雷达的浅层地质勘探，结合CCTV检测机器人及潜望镜QV、浅层地震勘探等方法，查清了该项目地下管道隐患危害：包括结构性病害和功能性病害。结果表明，探地雷达成图效果相当明显，同时探地雷达也拥有很高的探测效率，极大降低了成本。

参考文献：

[1] 王勇.城市地下管线探测技术方法研究与应用[D].吉林大学，2017.

[2] 宿宁，魏东，姚爱军，董磊.雷达探测技术在北京某住宅区地下管线探测中的应用[A] 2016：3.