湯博

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

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瑞典MALA探地雷達(dá)在管線探測(cè)中的應(yīng)用

湯博

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

應(yīng)用瑞典MALA探地雷達(dá)進(jìn)行了地下管線探測(cè)的研究。根據(jù)地下管線的材質(zhì)、周圍介質(zhì)及埋設(shè)深度的不同選擇，不同頻率的天線同時(shí)設(shè)置必要的工作參數(shù)，對(duì)不同類型的地下管線進(jìn)行了探測(cè)，并對(duì)工程實(shí)例中典型的管線異常特征進(jìn)行了分析。

MALA；探地雷達(dá)；管線探測(cè)

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱CPR）是利用超高頻（106～109Hz）脈沖電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法。經(jīng)過長期多次的實(shí)踐，分辨率能夠達(dá)到地下0.1m，正因其特有的高分辨率探測(cè)方法，在淺層與超淺層地質(zhì)勘查中有著極其廣闊的應(yīng)用和發(fā)展。在20世紀(jì)90年代初期，探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的研制水平有所提高，同時(shí)引進(jìn)了國外的先進(jìn)儀器，因此探地雷達(dá)系統(tǒng)在基礎(chǔ)工程質(zhì)量檢測(cè)、工程地質(zhì)勘查、地質(zhì)災(zāi)害與考古調(diào)查等眾多領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可，并取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 工作原理

探地雷達(dá)方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（1MHz～1GHz）電磁技術(shù)。探地雷達(dá)利用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個(gè)天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波。高頻短脈沖電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及集合形態(tài)而變化，由此通過對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

探地雷達(dá)工作時(shí)頻率很高，在探測(cè)的介質(zhì)中利用位移電流，并遵循波動(dòng)方程。雖然探地雷達(dá)方法與地震方法采用的物理量不一樣，但是這兩種方法具有相同形式的波動(dòng)方程，均使用脈沖源，且通過記錄地下介質(zhì)交界面的反射波或透射波來探測(cè)地下介質(zhì)中異常物體的分布，具有分辨率高、無損、操作簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于大多數(shù)環(huán)境條件。

探地雷達(dá)通過電磁波曲線二維映像進(jìn)行分析，一般來講，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)均勻、完整并沒有管線時(shí)，電磁波曲線光滑、相位一致、幅值大小相同；而當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中含有管線時(shí)，電磁波曲線在相位、幅值等特征上將發(fā)生變化。若地下無管線時(shí)，其反射波很弱甚至無反射；當(dāng)存在管線時(shí)，其雷達(dá)圖像表現(xiàn)為向下開口的拋物線呈傘形狀或較強(qiáng)的反射波。通過對(duì)這些信息的提取與分析，就可以判斷地下是否埋設(shè)有管線，并能大致估算其埋深和大小。

2 探測(cè)方法

地下管線埋設(shè)時(shí)大多是以地面開槽或機(jī)械頂管等方式埋設(shè)，一般埋深在0.5～5m之間。管線周圍一般都是回填土或壤土，大多數(shù)管徑為0.1～1.5m，管道內(nèi)的都是以水、空氣、可燃?xì)怏w等填充，管道的材質(zhì)一般為鋼、水泥、塑料等工程材料。

在管線比較集中的街道十字路口位置，通過探測(cè)可大致確定出地下管線的數(shù)量和埋深。當(dāng)?shù)叵鹿芫€走向已知時(shí)，雷達(dá)測(cè)線的布置要垂直管線走向。當(dāng)管線走向不詳時(shí)可采取交叉布置測(cè)線。地下管線探測(cè)中一般采用500，300，100MHz雷達(dá)天線，測(cè)量方法為剖面法。當(dāng)測(cè)垂直地下管線時(shí)，地下管線在雷達(dá)剖面上呈雙曲線形態(tài)。金屬管線或電纜，因其介電常數(shù)與周圍土介質(zhì)的介電常數(shù)差別較大，地下管線形成的反射或繞射信號(hào)能量強(qiáng)，埋藏較淺的金屬管線，在雙曲線下伴隨有較強(qiáng)的多次波。非金屬管線因其相對(duì)介電常數(shù)與土介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的差別較小，反射波較弱。因此埋藏較淺的地下管線，在地下介質(zhì)交均勻的條件下一般都有較好的探測(cè)效果，而對(duì)埋藏較淺的地下管線，探地雷達(dá)的探測(cè)仍有較大的難度。

3 參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)采用的探地雷達(dá)屬瑞典瑪拉公司（MALA GEOSCIENCE）。天線的中心頻率為100～1600MHz，時(shí)窗范圍為0～200ns，雷達(dá)脈沖寬度為0.5～10ns，脈沖間隔為1×104～5×104ns，脈沖幅值達(dá)100～150V。雷達(dá)配有4套天線，以適應(yīng)不同介質(zhì)的探測(cè)要求。

采用的天線頻率以探測(cè)目標(biāo)管線深度和空間分辨率所決定。天線頻率按式（1）計(jì)算:

式中x為空間分辨率（m）；E為管線周圍介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)估算。

在城市或農(nóng)村的管線探測(cè)中，管線埋深的區(qū)間0.3～2.0m之間，管徑一般都在100mm以上，由式（1）計(jì)算得出天線頻率應(yīng)選擇400MHz。但是一般都采用500MHz屏蔽天線，雖然這樣探測(cè)的分辨率有所提高，但容易對(duì)1.5m深度以下的管線造成漏測(cè)。如果要加深探測(cè)深度，可以采用250MHz屏蔽天線，探測(cè)深度可達(dá)5m，但對(duì)100mm以下管線就失去了探測(cè)能力。

本文采用數(shù)據(jù)后處理軟件為Reflexw2D，主要處理步驟為：①去直流漂移，去除信號(hào)深部振幅上的常數(shù)偏移；②靜校正切除，去除水平信號(hào)(有直達(dá)波信號(hào)，有固定源干擾，有儀器自身的干擾信號(hào)等，這些信號(hào)的所有特征就是水平且振幅一致的信號(hào))，也叫水平濾波；③自動(dòng)增益控制，按窗口長度分段放大深部的反射信號(hào)的振幅；④帶通濾波，用來去除整個(gè)信號(hào)頻段范圍內(nèi)無用的頻段信號(hào)，有高截頻和低截頻兩個(gè)選擇；⑤滑動(dòng)平均，用來剔除信號(hào)里的噪聲和毛刺，讓圖像更加干凈和平滑。

4 工程實(shí)例

天津市武清區(qū)某居民小區(qū)內(nèi)探測(cè)PE材質(zhì)燃?xì)夤芫€的雷達(dá)剖面圖如圖1?，F(xiàn)場(chǎng)綜合考慮管線直徑和探測(cè)深度，采用500MHz頻率的屏蔽天線，雷達(dá)圖像中灰框處反射較為強(qiáng)烈，表現(xiàn)為向下開口的拋物線，與周圍平行的同相軸形成明顯異常特征，據(jù)此判斷此處為管線的特征反映，根據(jù)附近燃?xì)庹{(diào)壓井里的管線走向驗(yàn)證了此處為燃?xì)夤芫€。

圖1 天津某小區(qū)燃?xì)夤芫€雷達(dá)剖面圖

秦皇島市撫寧縣探測(cè)的PVC材質(zhì)的輸水管線雷達(dá)剖面圖如圖2?，F(xiàn)場(chǎng)綜合考慮管線直徑和探測(cè)深度，采用500MHz頻率的屏蔽天線，雷達(dá)圖像中灰框處反射強(qiáng)烈，表現(xiàn)為向下開口的拋物線呈傘形狀，與周圍平行的同相軸形成明顯異常特征，據(jù)此判斷此處為管線的特征反映，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)圖中紅框處的異常特征位置開挖驗(yàn)證，確定為埋深0.6m的輸水管線。

圖2 撫寧縣輸水管線雷達(dá)剖面圖

5 結(jié)語

探地雷達(dá)的發(fā)展主要得益于其廣泛而有效的應(yīng)用，在地下管線探測(cè)的應(yīng)用中其效果也非常顯著，具有探測(cè)準(zhǔn)確、快速、高效、無損等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)金屬管線的探測(cè)效果尤為突出，同時(shí)也是PVC、PE、混凝土等非金屬管線探測(cè)的首選工具。但由于探地雷達(dá)的工作原理限制了一定的場(chǎng)地和地質(zhì)條件，使得探測(cè)效果并不理想，所以在管線探測(cè)的工作中需要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件并能夠與其他管線探測(cè)設(shè)備配合使用，以達(dá)到更好的探測(cè)效果，避免了漏測(cè)或誤測(cè)。

［1］錢榮毅.探地雷達(dá)在非金屬管線探測(cè)中的應(yīng)用［A］.地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)及其在工程檢測(cè)中的應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì)［C］.2005.

［2］馮新，周晶.RAMAC探地雷達(dá)在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用［A］.地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)及其在工程檢測(cè)中的應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì)［C］.2005.

［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］王秀明.應(yīng)用地球物理方法原理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［5］曾昭發(fā).探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

App lication of ground penetrating radar for detecting pipeline

TANG Bo
（Hebei Research Institute of Investigation&Design ofWater Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250，China）

Swedish MALA ground penetrating radar（GPR）is applied in this article has carried on the research of under-ground pipeline detection.According to thematerial of underground pipeline and the surroundingmedium and the different choices of differentembedding depth,different frequencies of the antenna at the same time setup necessary working param-eters,the different types of underground pipeline detection,and the anomaly characteristics of the engineering examples of typical pipeline are analyzed.

MALA；ground penetrating radar；detecting pipeline

P624

B

1672-9900（2015）01-0095-02

2015-01-21

湯博（1986-），男（漢族），河北唐山人，助理工程師，主要從事工程物探與工程檢測(cè)工作，（Tel）13821242652。