瞬态瑞雷波法在地下管线探测中的应用研究

奥村运明 陈宇源 王庆安 李梦杰

摘 要：地下管线作为市政建设的重要配套项目，承担着供水、供气、排水、排污和电力通讯等诸多功能。在漫长的城市化发展中，地下管线的建设资料往往存在遗失、难找寻的问题，导致城市在改扩建过程中无法确定地下管线的位置，在施工过程中可能会误破坏已有管线，对居民的正常生产生活造成不便，所以对于地下管线的探测定位就显得极为迫切。针对地下管线探测，借助于虚拟仪器技术搭建了一套利用瑞雷波探测地下管线的探测系统，并在埋有地下管线的实验地点进行地下管线的探测实验，实验结果表明，该系统在地下管线探测方面具有较好的应用前景。

关键词：地下管线;虚拟仪器;瑞雷波;探测

中图分类号：TU990.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）16-0123-04

Abstract： As an important supporting project of municipal construction， underground pipelines undertake many functions such as water supply， gas supply， drainage， sewage and electric power communication. In the long-term urbanization development， the construction materials of underground pipelines often have problems that are lost and difficult to find，it causes the location of underground pipelines to be determined during the process of urban reconstruction and expansion， which may be damaged during the construction process. Therefore， it is extremely urgent to detect and locate underground pipelines. Aiming at the detection of underground pipeline， a set of detection system using Rayleigh wave is set up by means of virtual instrument technology.And the detection experiment of underground pipeline is carried out in the experimental site where underground pipeline is buried. Experimental results show that the system has a good application prospect in the detection of underground pipeline.

Keywords： underground pipeline;virtual instruments;rayleigh wave;detection

在城市发展过程中，地下管线作为供水、供气、排水、排污和布设电力通讯线缆的通道，如同城市的生命线一般。中国的城市地下管线长度十分惊人，像北京、上海这样的特大城市，地下管线长度可以达到10万km左右，即使是一般的县城，其地下管線长度也能达到近1 000km。但是，在我国城市化发展中，人们往往重建设、轻管理，不同的城市建设部门对于地下管线的管理各自为政，没有形成统一规范的规划、报建、审批、勘测、验收备案以及资料归档管理，地下管线管理基本处于无序状态。在后期城市建设与改造中，由于管线档案资料缺失，引发了很多管线破坏、停电停水等诸多事故，给社会经济生产和居民正常生活造成了极大不便[1]。

对于地下管线的探查，多通过现场实勘和测量的方式，打开井盖探查内部的管道埋设深度以及走向，然后判断地下管线的埋设情况，但是对于较复杂埋设状况，上述方法就难以较好适用[2]。从管线材料或者材质上，可以分为金属类的管线和非金属类管线两大类，目前对于金属类管线使用地质雷达等手段取得了较好的探测效果，但对于非金属类管线，目前仍无较为精密准确的探测手段[3，4]。因此，基于地下管线的探测需求，本研究在虚拟仪器技术的基础上，采用瑞雷波探测方法构建了一套地下管线探测系统，并在埋有地下管线的实验地点进行了地下管线探测实验，最后通过揭开井盖查看具体管线埋设情况的方式对探测结果进行了实际比对。

1 仪器构建

1.1 探测原理

瑞雷波具有能量强、衰减慢、信噪比高、抗干扰能力强以及在层状介质中的频散特性，因此，瑞雷波勘探被广泛应用于无损检测、地质勘探等领域[5]。瑞雷波的探测方法有两种，分别为稳态瑞雷波法和瞬态瑞雷波法。本研究采用瞬态瑞雷波法，采用橡胶锤重击地面，激发出各种频率的瑞雷波，然后通过检波器接收瑞雷波，再进行频谱分析，最后可以得到相应频散曲线。瞬态瑞雷波法的探测原理如图1所示。

瑞雷面波的传播波速与介质的物理力学性质密切相关。因为瑞雷波是纵波和横波在介质界面附近复合振动形成的复合波，气体、液体等流体中不产生横波，在空洞和含水量过大的地层瑞雷波的频散曲线容易出现错断、中断、间断等[6]。因此，可以通过瑞雷面波测试来获取探测区域的频散曲线图，再通过分析频散曲线的特征来判断探测区域是否有地下管线。

1.2 硬件选择

本研究地下管线探测系统构成图如图2所示。地下管线探测系统需要用加速度传感器采集振动信号，并将其转换为电信号，但传感器本身输出的是微弱电压，所以需要对其进行调理、放大和滤波处理，而后通过信号采集卡将电信号传到电脑。

1.3 软件介绍

用于地下管线探测的探测系统使用LabVIEW编程语言自主开发完成，采用模块化编程的思路，主要包含了信号采集模块，信号处理与分析模块，结果显示与储存模块，探测系统的前面板和程序面板分别见图3和图4。

2 现场实验

2.1 实验布置

实验选择广场中的一个雨水井向外延伸的雨水管道作为探测实验对象，该处雨水井共与5条雨水管相连接（见图5），经测量得知，雨水管管径40mm，管顶埋深1.10m左右，图中箭头方向为雨水管连通方向。由于实验时需要将两个加速度传感器跨管道布置，大概各距管道1m左右，再选择两传感器轴线的任一端向外1.5m處作为击震点，于是先用卷尺配合粉笔在现场进行传感器和击震点的布置和标记，大概布置见图6。此次雨水管探测实验共进行8组实验，依次为环绕雨水井的8个方向，其中，有5次为地下埋有雨水管道的探测，3次为无地下雨水管道的探测，具体实验过程见图7和图8。

2.2 实验结果及分析

实验共分为8组，分别为标号①～⑧，各组实验频散曲线见图9～16。通过频散曲线反演可知，其中，①～⑤组的频散曲线显示探测到雨水管，⑥～⑧组的频散曲线显示为探测到雨水管，具体频散曲线反演结果见表1。由表1可知，频散曲线反演结果显示，在探测到雨水管的组别中，雨水管埋深的探测结果大致在0.9～1.1m，而推算出的雨水管管径为36～45mm，这与雨水井实勘情况较为吻合。

3 结论

从本研究的实验结果可以看出，瞬态瑞雷波法在地下管线探测方面具有良好的应用前景，对于地下管线存在与否，埋深及管径都具有一定的识别能力，但考虑到探测环境中复杂的地质条件以及现场其他振动都会对探测信号的采集和分析造成很大程度的干扰，故还需要在信号采集和处理分析过程中添加一定的滤波条件以滤除现场不良干扰，从而增强探测结果的精确度。

参考文献：

[1]周梦麟.浅议针对城市地下管网的安全防范措施和技术[J].中国公共安全，2015（9）：74-76.

[2]江贻芳，伍繁荣.城市地下管线普查探查过程质量控制[J].河南理工大学学报（自然科学版），2007（6）：687-693.

[3]陈杰华，陈敏.城市地下管线测量方法研究[J].江西测绘，2015（2）：38-41.

[4]张征，赵俊兰，张政委.校园地下管线探测实践[J].科技视界，2015（3）：30-32.

[5]刘富强.瞬态瑞雷波法在黏土压实度和公路裂缝深度检测的应用研究[D].郑州：郑州大学，2018.

[6]梁化洋.基于虚拟仪器技术的瑞雷波无损检测系统的开发研究[D].郑州：郑州大学，2016.