管线仪和探地雷达在地下管线探测中的应用

赵凯鹏

广东省水利电力勘测设计研究院有限公司 广东 广州 510000

1 地下管线探测的重要性

地下管线作为城市建设的重要基础设施，承担着给水、电力、热力、通信等的传输功能，是一个城市的“生命线”[1,2]。而目前我国地下管线资料管理混乱、信息化程度低、准确性不高，仅凭资料收集难以获得地下管线的准确信息。如何获得准确的地下管线信息是工程设计和施工的基础，管线仪和探地雷达作为管线探查中的重要仪器，不仅需要了解仪器的工作原理、使用方法，而且需要对实际探测中遇到的问题进行研究和解释。

物探方法的必要前提是目标体与周围介质有物性差异，如电导率、介电常数、磁导率、密度等。地下管线主要有金属类(电力线缆、通信线缆、给水铸铁管)和非金属类(水泥、PE管、PVC管)，地下管线在电导率和介电常数上与周围介质有较大物性差异。管线仪主要用于金属类管线的探查，探地雷达解决非金属管线探测的难题。

2 RD8100管线仪的工作情况

2.1 RD8100管线仪的工作原理

RD8100管线仪的工作基本原理是电磁感应，地下管线材质与周围介质电导率和磁导率存在较大差异，发射机供交变电流，形成交变磁场，该磁场在管线中形成交变电流，管线中的交变电流在管线周围形成电磁场。通过管线仪接收机内部的线圈可以探查管线的位置和深度，一般将施加信号的管线等效为无限长通电直导线。

如图1所示RD8100管线仪有两个水品线圈t和b、一个竖直线圈v，目标管线顶部两个水平线圈处的电磁场强度如图中公式所示，通过这两个公式可以计算出管线的埋深。管线周围的解析表达式如方程(1)(2)：[2,3]

图1 RD8100管线仪水平线圈测深示意图

其中u为中介质中的磁导率，I为电流强度，h为管线埋深(探测线与地面重合时)，x为探测点到目标管线在地面投影的距离。谷彦斐等[1]通过方程(1)(2)定量分析了旁侧管线干扰情况下产生误差的原因，为外业管线探测的信号源判定提供了依据。

2.2 管线仪的探测方法

管线仪探测方法主要有直连法、夹钳法、感应法。直连法是将管线仪的电缆正极(红色)接在目标管线上，负极(黑色)接到接地电极上，负极接线尽可能垂直于目标管线的走向。常用于通信线、有示踪线的燃气管道、石油管道等；夹钳法是将夹钳闭合夹在目标管线上，使目标管线穿过夹钳。多用于电力、通信线等的探测；感应法是将发射机置于目标管线上方，接收机接收管线激发的二次场的方法。信号强度衰减较快，且易于受到旁侧管线的干扰。

管线仪的确定位置的方法主要有极大值法(峰值法)、极小值法(谷值法)、极大/极小值法(峰值/谷值法)等[4]。极大值法利用两个水平线圈确定位置和深度，精度最高，抗干扰能力强；极小值法利用垂直线圈确定位置和深度，易受到干扰；极大/极小值法兼有极大值法和极小值法的优点，但间隔一段距离需要用极大值法或极小值法验证。

2.3 管线仪实际使用的注意点

(1)探测区域无管线出露时，可以采用一人拿发射机、一人拿接收机间距15～20m相对移动的方式，在探测区域内呈“米”字型探测。

(2)埋深较大的管线定深度时宜采用70%法。如图2所示，在目标管线顶部测的最大值为E，保持接收机与地面高度不变垂直移动接收机，找到管线两侧70%E强度的位置，用卷尺量出这两个位置的长度为x，x即与管线的埋深h相等。

图2 70%法定深示意图

2 探地雷达的工作情况

2.1 探地雷达的工作原理

探地雷达的工作物性基础在于地下目标体和周围介质之间存在介电常数和磁导率的差异，如图3。探地雷达发射天线(T)向地下发射高频电磁波，遇到不同的目标发生来反射和透射，反射回来的电磁波被接收天线接收(R)，透射电磁波向下传播继续发射反射和投射，直到能量损耗完。

图3 探地雷达原理示意图

如图3中所示，目标管线的埋深为h，发射天线和接收天线间距为x，v为介质中电磁波传播速度，c为真空中电磁波传播速度，分别为相对介电常数和相对磁导率，t为电磁波的双程走时，满足方程(3)(4)：

通过简单推到可以得到方程(5)

其中t可以在探地雷达的采集软件上读取，相对介电常数可以通过现场试验获得，通过方程(5)即可获得目标管线的埋深。

3.2 探地雷达的工作方法

BS-M探地雷达的发射天线和接收天线集为一体，所以工作方法主要有以下三种：A-scan、B-scan、C-scan[5]。A-scan即为单点连续采集的工作模式，采集得到的数据是单道数据；B-scan即为剖面线采集模式，沿着垂直于管线的剖面线采集数据，常见推车的作业模式即为该种模式。C-scan即间隔一定距离按照B-scan的方式作业，得到三位地下数据。对于B-scan法，有以下几个重要的参数概念[6]：

(1)时窗：时窗一般选择目标管线1.2～1.5倍深度，电磁波从仪器到该深度的双程走时作为时窗大小。

(2)采样点数：采用点数在条件允许下尽量大，与天线频率和时窗大小满足关系：采样点数0.01天线频率视窗大小。

(3)延时：通过单道窗口调节，波形显示完整即可。

(4)触发方式：一般有连续、键盘触发、测距轮触发，根据作业环境选择即可。

3.3 探地雷达图像识别和理解

以湛江市饮调水工程某测区内的DN1200铸铁接水管为例。

天线频率为200MHz，相对介电参数为7。可以看到在深度约为1.4m处有明显的反射曲线。经过前期资料搜集和现场开井查看，判断为DN1200的铸铁水管。为了更清楚的了解电磁波在该处的传播情况，选择用GprMax开源软件进行模拟。GprMax是时间域有限差分正演算法，设置模型大小为4mx2m，网格尺寸为0.005m，时窗为60ns，子波是主频200MHz的雷克子波，天线步进距离为0.1m。

如图4所示，模型顶部是空气，两侧和底部是吸收层，管道为一定厚度的铸铁管，管道内部充满水：

图4 DN1200铸铁管模型图

正演模拟可以看到30ns有一条明显的反射曲线，代表给水管。反射曲线无其他杂波干扰，延伸较长。为了更清楚的了解电磁波在节水铸铁管中的传播情况，取出波场快照进行研究。

可以看到20ns电磁波抵达管顶，发生了部分反射和投射，35ns铸铁管反射的电磁波已经到达地表。通过正演图像和波场快照可以看到，电磁波在通过给水管时发生的反射和投射。

该工程某测区有DN315材质PVC的燃气管存在，使用RD8100管线探测仪直连法，连接燃气的示踪线没有稳定连续信号，推测为示踪线被破坏。因此使用探地雷达探测，采集软件的介电常数为10。

可以看到较为明显的反射曲线，但收到起伏地表和旁侧管线的干扰，反射曲线不连续。

为了解电磁波的在燃气管中传播情况，使用GprMax软件进行模拟，设置模型大小为3mx2m，网格尺寸为0.005m，时窗为60ns，子波是主频200MHz的雷克子波，天线步进距离为0.05m，介质参数如表1所示。

表1 介质参数表

正演模拟数据如图5所示，为了更清楚的显示反射曲线，去除地面直达波得到数据如图6：

图5 PVC管道正演图

图6 去除地面回波图像

从图6中可以看到明显的三条反射曲线A、B、C，曲线强度B最强C最弱；B曲线较为“尖锐”，C曲线“平缓”，在曲线相互交错的地方出现了多次波。在野外数据采集时，若信号较弱，需要提高显示系数，避免丢失底部较弱的信号。

4 结束语

本文简单的叙述了管线仪和探地雷达的基本原理、工作方法、实际工作使用等情况，采用GprMax软件对实际中的目标管线进行正演模拟，研究了电磁波在地下的传播情况。给出以下建议：

(1)管线仪和探地雷达在管线探测由于工作原理和工作方法各不相同，发挥着不同的作用，结合两者的优点可以更好地服务于管线探测；

(2)管线仪在金属管线探测方面优势显著，提高管线仪的使用效果在管线普查方面会发挥更大作用；

(3)探地雷达是一种无损、高效的探测方案，实测数据由于地表起伏变化地下情况复杂，目标管线的反射曲线会发生扭曲，不易识别。通过GprMax软件正演模拟电磁波的传播过程，可以更清楚了解电磁波的传播规律，有利于实际数据的识别。