劉文伍，郭江寧，林海

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005)

1 引言

城市道路發(fā)展的需要，對(duì)原有的許多明溝、支流采用蓋板溝等形式進(jìn)行了掩埋使之成為城市地下排水管網(wǎng)的一部分。由于歷史原因目前缺乏詳細(xì)的改造竣工資料，致使城市綜合地下管線信息系統(tǒng)在此方面的信息缺失，無(wú)法為城市汛期防汛提供準(zhǔn)確可靠的排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)。因此，探明城市地下暗溝(渠)狀況非常重要。

地質(zhì)雷達(dá)是一種對(duì)地下或結(jié)構(gòu)體內(nèi)不可見的目標(biāo)體或界面進(jìn)行定位的電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)以其探測(cè)的高分辨率和高效性，被廣泛地應(yīng)用于地下設(shè)施的探查工作。將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于地下暗溝(渠)的探測(cè)中，可以很大程度上解決此類疑難問(wèn)題。

2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理和方法

在雷達(dá)主機(jī)控制下，脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號(hào)形成雷達(dá)波，并直接饋給發(fā)射天線，經(jīng)由發(fā)射天線耦合到地下的信號(hào)在傳播路徑上遇到介質(zhì)的非均勻體(面)時(shí)，產(chǎn)生反射信號(hào)。位于地面上的接收天線在接收到地下回波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，信號(hào)在接收機(jī)經(jīng)過(guò)整形和放大等處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī)，經(jīng)處理后，傳輸?shù)轿C(jī)。在微機(jī)中對(duì)信號(hào)依照幅度大小進(jìn)行編碼，并以偽彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來(lái)，如圖1所示。經(jīng)事后處理，可用來(lái)判斷地下目標(biāo)的深度、大小和方位等特性參數(shù)。接收天線接收到反射波，測(cè)出反射波的入射、反射雙向走時(shí)，就可計(jì)算出反射波走過(guò)的路程長(zhǎng)度，從而求出天線距反射面的距離d:

式中:d為天線到反射面的距離(cm);△t為雷達(dá)波的雙程走時(shí)(ns);V為雷達(dá)波的傳播速度(cm/ns)。

式中:X為兩天線的間距;Z為反射點(diǎn)的法線深度;V為電磁波在地下介質(zhì)中的波速。

對(duì)于介質(zhì)中雷達(dá)波的傳播速度，可近似由:

式中，C0為雷達(dá)波在空氣中的傳播速度(340 m/s)，ε為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

圖1 電磁波遇到地下物體后的反射示意圖

圖2 探地雷達(dá)記錄的回波曲線示意圖

3 地下暗溝(渠)的反射圖像特點(diǎn)

在探測(cè)地下暗溝(渠)的過(guò)程中，采用地質(zhì)雷達(dá)勘探的方法，利用混凝土或塊石介質(zhì)與其周圍黏土介質(zhì)的物性差異較大，電磁波在介質(zhì)交界處發(fā)生繞射和反射，同相軸發(fā)生錯(cuò)斷，進(jìn)而確定排洪渠邊界，暗溝(渠)與周邊介質(zhì)的差異性表現(xiàn)在:

(1)由于暗溝(渠)外層為砼結(jié)構(gòu)，在蓋板上會(huì)有均勻排列的鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)會(huì)表現(xiàn)出均勻的管徑較小的金屬管線反射圖像;即出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，無(wú)多次反射的均勻排列的弱信號(hào);

(2)暗溝渠頂部大多是平面的砼結(jié)構(gòu)，在雷達(dá)波反射上能表現(xiàn)出一個(gè)較平整的平面反射信號(hào)，與地下空洞及其他地下管線有較明顯的不同。

4 工程實(shí)例

為了有效驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)在探查地下暗溝(渠)的可靠性，我們根據(jù)現(xiàn)有地下暗溝(渠)的資料利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)。

選用地質(zhì)雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

選擇一段已被覆蓋在市政道路下的地下暗溝進(jìn)行本次試驗(yàn)。此段暗溝是城市汛期主要排水通道之一，其埋深和周邊管線的復(fù)雜性在城市市政道路中具有一定的代表性。根據(jù)目前掌握的該蓋板溝的資料表明頂部埋深約50 cm，暗溝所在地段路面下有自來(lái)水、煤氣和電纜溝槽，但暗溝周邊相對(duì)干擾較少。本實(shí)驗(yàn)采用400 M和100 M天線獨(dú)立探測(cè)兩次，并與已知地下管線資料進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

地質(zhì)雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)表 表1

圖3

圖4 現(xiàn)有地下管線資料

通過(guò)400 M天線探測(cè)資料可以看到暗河頂板界面非常清晰，兩個(gè)肩部之間有連續(xù)小反射峰線，符合金屬類介質(zhì)反射圖形演示，認(rèn)為界面內(nèi)可能含有鋼筋等目標(biāo)，兩個(gè)邊界特征非常明顯(半支雙曲線);深度約15 ns。同時(shí)兩邊深部管道信號(hào)也是非常標(biāo)準(zhǔn)，典型雙曲線形態(tài);深度約40 ns。與圖4資料情況相符合。

通過(guò)100 M天線探測(cè)資料可以看出地下暗溝的探測(cè)結(jié)果與400 M探測(cè)結(jié)果相一致。埋設(shè)較淺的煤氣管線信號(hào)也與400 M探測(cè)結(jié)果相吻合，100 M對(duì)埋設(shè)相對(duì)較深的道路中部的排水管線受淺層干擾信號(hào)影響無(wú)明顯回波反映。

5 結(jié)論

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的能力，可以較為準(zhǔn)確地在現(xiàn)場(chǎng)確定地下暗溝(渠)位置，并能夠準(zhǔn)確標(biāo)注其位置。因?yàn)椋刭|(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下暗溝(渠)的效率高、準(zhǔn)確、無(wú)損傷并能實(shí)時(shí)以圖像的形式展示地下結(jié)構(gòu)，適合在城市各種場(chǎng)合使用。但由于雷達(dá)波受地下水等介質(zhì)影像較大，為了保證地質(zhì)雷達(dá)的使用范圍需進(jìn)一步研究。地質(zhì)雷達(dá)必將成為完善城市排水管網(wǎng)的較有效的工具。

［1］袁明德.探地雷達(dá)探測(cè)地下管線的能力［J］.物探與化探，2002，2(26):152 ～155

［2］李文忠.F-K偏移技術(shù)在地質(zhì)雷達(dá)資料處理方面的應(yīng)用［J］. 物探化探計(jì)算技術(shù)，1998，3(22):280 ～283

［3］李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］.北京:地質(zhì)出版社，1994

［4］王興泰主編.工程與環(huán)境物探新方法新技術(shù)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1996

［5］張鴻升，王萬(wàn)順，楊鳳召等編.地下管線探測(cè)原理、方法與技術(shù)［M］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998

［6］鐘金寧，華安中，楊婭麗等.應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下空穴的研究［J］.城市勘測(cè)，2010(Z2)，109～111