地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在城市供水管網(wǎng)探測(cè)的應(yīng)用

黃文偉

（江門(mén)市金盾供水消防工程有限公司，廣東 江門(mén) 529000）

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，原有城市地下供水管網(wǎng)資料欠缺的矛盾越來(lái)越突出，因此查明地下供水管網(wǎng)，并確定其分布、埋深及走向的任務(wù)引起了人們的重視。然而地下供水管網(wǎng)分布復(fù)雜、埋設(shè)較深、金屬管與非金屬管混雜和干擾源較多的條件下給探測(cè)任務(wù)帶來(lái)了不少的難度。使用傳統(tǒng)的金屬管線儀已無(wú)法完全滿足現(xiàn)有的管線探測(cè)需要，所以近年國(guó)內(nèi)引入了地質(zhì)雷達(dá)這項(xiàng)新技術(shù)，取得了不錯(cuò)的效果。

1 工作方法原理

地質(zhì)雷達(dá)是以地下各種介質(zhì)的電阻率和介電常數(shù)差異為物理?xiàng)l件，通過(guò)向地下發(fā)射高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的無(wú)損探測(cè)儀器。雷達(dá)通過(guò)在地面上移動(dòng)的發(fā)射天線向地下發(fā)射50kHz～1000kHz的大功率脈沖高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到不同的電性界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射及折射，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)間的電性差異越大，反射回波的能量也就越大，反射到地面的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，精確記錄下反射回波的時(shí)間、相位、振幅、波長(zhǎng)等參數(shù)，再通過(guò)信號(hào)疊加放大、濾波、圖像合成等數(shù)據(jù)處理后，獲得地下剖面的掃描圖像，對(duì)雷達(dá)圖像的識(shí)別，可以得到地下管線的分布位置和狀態(tài)。

2 地下供水管網(wǎng)的雷達(dá)波特征

3.1 無(wú)管線時(shí)的雷達(dá)波特征

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)完整，沒(méi)有電性差異時(shí)，雷達(dá)波根本不發(fā)生反射或發(fā)生能量很弱，但地下往往是層狀介質(zhì)，比如道路自上而下有瀝青層、回填層、原土層等，這些層狀介質(zhì)都不同程度地存在著電性差異，因此也會(huì)產(chǎn)生反射波。此外道路下局部還存在著如廢棄的金屬、磚塊、瓦礫等障礙物，都會(huì)產(chǎn)生反射波。一般來(lái)說(shuō)，但層狀介質(zhì)、障礙物等的雷達(dá)波圖像與管線的雷達(dá)波圖像是有明顯區(qū)別的。具體表現(xiàn)為，管線異常在雷達(dá)圖像上反映的是一條平滑的多層雙曲線，可根據(jù)這一異常特征來(lái)判定管線是否以及管線的位置、深度。層狀介質(zhì)的雷達(dá)波圖像為水平狀或傾斜狀，而障礙物的雷達(dá)波圖像則比較雜亂。

如圖1為無(wú)地下供水管網(wǎng)的雷達(dá)波圖像，圖中反射波圖像主要為水平層狀特征，局部有障礙物發(fā)射特征，未見(jiàn)"弧形"的地下管線反射波圖像特征。

圖1 無(wú)管線的雷達(dá)波圖像

2.2 金屬管線的雷達(dá)波圖像

在雷達(dá)圖像中，由于金屬管線的電性（介電常數(shù)及電導(dǎo)率）與道路下土層的電性存在較大差異，因此管線頂部的反射波信號(hào)較強(qiáng)，如圖2，供水管均為金屬管線，雷達(dá)波圖像表現(xiàn)為"白色"，表示反射信號(hào)強(qiáng)。此外，由于管徑較大，所以"弧形"寬度較寬。

圖2 Φ800mm的供水管雷達(dá)波圖像

2.3 非金屬管線的雷達(dá)波圖像

非金屬管線一般為混凝土管、PVC塑料管等，其導(dǎo)電性差，而道路下土層中通常含地下水，因此地下土層的電導(dǎo)率相對(duì)非金屬要明顯低，當(dāng)遇到發(fā)射波時(shí)，非金屬管線也會(huì)產(chǎn)生明顯的反射波，不過(guò)一般情況下，其反射波強(qiáng)度要比金屬管線弱，如圖3所示為Φ1000mm雨水管（混凝土）的雷達(dá)波圖像，"弧形"特征較為明顯，但反射波強(qiáng)度比圖2的上水管明顯要弱。這也是區(qū)分金屬管、非金屬管的一個(gè)參數(shù)。

圖3 Φ1000mm的非金屬管雷達(dá)波圖像

3.4 相距很近的兩條平行管線的雷達(dá)波圖像

我們知道，管線探測(cè)儀對(duì)相距較近的兩條平行管線往往難以區(qū)分，在沒(méi)有已知資料的情況下，通常被認(rèn)為是一根管線，管線平面位置是兩條平行管線的中間位置，這樣就會(huì)給工程建設(shè)造成損失。對(duì)于相距較近的平行管線，地質(zhì)雷達(dá)可以發(fā)揮不可替代的作用。如圖4所示兩條相距很近的雷達(dá)波圖像，左側(cè)為頂深0.7m的雨水管，右側(cè)為頂深1.4m的煤氣管，兩者中心相距0.8m，從圖像中可以明顯區(qū)分為兩條管線，并且左側(cè)管線反射波較弱，可判定為非金屬管線，右側(cè)管線的反射波較強(qiáng)，可判定為金屬管線。原因就是，管線探測(cè)儀的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)通常有10m以上的距離，接收機(jī)接收的是感應(yīng)電磁波，感應(yīng)電磁波對(duì)相距較近的金屬管同時(shí)接收，因此難以分辨。而地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射、接收同步進(jìn)行，它只接收管線頂部的反射波，因此能夠區(qū)分相距很近的地下管線，同時(shí)也能夠定性區(qū)分管線性質(zhì)。

圖4 相距很近的兩條管線的雷達(dá)波圖像

3.5 管線位置、深度確定

根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)的地電條件、工作環(huán)境以及以往工作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定采樣時(shí)間、觸發(fā)間隔、雷達(dá)波速速參數(shù)。管線深度確定與雷達(dá)波速有關(guān)，管線頂深h為：

式中：

v為雷達(dá)波速（可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或已知管線的埋深測(cè)量后得到）；

T為雷達(dá)波反射時(shí)間（可從雷達(dá)波圖像中讀出）。

根據(jù)上述公式可確定管線的頂深。

平面位置通過(guò)在地面設(shè)定標(biāo)記獲得，因?yàn)?弧形"頂點(diǎn)就是管線的平面位置。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，隨著城市工程事業(yè)的發(fā)展，對(duì)地下供水管網(wǎng)特別是非金屬管線的探測(cè)要求會(huì)越來(lái)越高，地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用也將會(huì)得到不斷推廣。因?yàn)樗且环N無(wú)損探測(cè)，不會(huì)造成路面破壞，交通中斷，只需做少量的開(kāi)挖驗(yàn)證。但是，研究表明地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)效率較低、成本偏高，不適宜大區(qū)域開(kāi)展探測(cè)，建議結(jié)合其他探測(cè)設(shè)備配合使用，會(huì)取得更佳的效果。

[1]周正寶，探地雷達(dá)在非金屬管線探測(cè)中的應(yīng)用[J].科技展望,2010.09

[2]劉文伍，儲(chǔ)征偉，田慶福.武漢市地下管線探測(cè)方法技術(shù)的應(yīng)用研究[J].城市勘測(cè),2006.01