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摘要: 地质雷达作为一种新的探测方法,在城市管线探测过程中得到了越来越广泛的应用。本文结合RAMAC型地质雷达在绍兴市管线普查中的实际应用,阐明了地质雷达的工作原理和方法,并得到了一些有意义的结论。
关键词: 探地雷达;非金属管线;探测
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.009
1 前言
由于绍兴市近年来非金属管线特别是塑料管线的大量应用,使用传统的金属管线仪已无法完全满足现有的管线探测需要,所以近年国内引入了地质雷达这项新技术。利用雷达探测管线不仅能准确地提供管线的平面位置和埋设深度等情况,为施工或管理提供可靠参数,更重要的是对非金属管线的探测提供了有力的技术支持。
2 工作方法原理
地质雷达勘探是一种以地下不同介质的介电常数差异为基础的物探方法。它利用一个天线发射高频宽频带电磁波,另一个天线接收来自介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化(李大心,1994)。接收天线接收返回地面的反射波,将其传入仪器内进行显示和记录,利用资料的后处理便可得到地下不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等参数。地质雷达的观测方式有两种:一种是宽角法,发射天线固定不动,接收天线沿测线移动并逐点接收来自反射界面的反射回波,则回波走时与天线距之间满足(1)式(图l)
图1 地质雷达工作原理
式中:为发射天线与接收天线之间的距离(m); 为电磁波在地下介质中的传播速度(m/ns);z为反射点到地面的垂向距离(m);t为回波走时(ns)。另一种方式是剖面法,保持发射和接收天线距固定不变,逐步移动装置。对于零天线距的单置式天线而言,即天线距很小且固定时同时激发并接收,则自激自收时间为(图l)(区福邦,1998)
3 应用实例
3.1非金属给水、燃气管道异常的判别
在绍兴市管线普查过程中,所遇到的非金属管道主要包括塑料(PVC)给水管、水泥(砼)给水管、(PVC)燃气管,在以往的管线普查中面对这两种管线经常束手无策。在使用了RAMAC型地质雷达后,有效地解决了这一难题。
图2是水泥(砼)给水管和塑料(PVC)燃气管的地质雷达图像,从图中我们可以发现,其异常效果很明显,反射波组的同相轴都是为向下开口的双曲线,呈伞状。根据异常形态,我们可以确定,双曲线的中心位置即为管线的中心位置。另外,对比这两条管线的异常我们也发现,虽然都是非金属管线,但是它们的异常特征有很大的区别。给水管有明显的多次波,根据反复的试验并结合给水管物理特性和反射波振幅特征我们发现,给水管最上面的异常为其管顶异常,下面两个异常分别为给水管管底反射波和管底二次反射波;燃气管只有一个管顶异常。根据图像我们判断该给水管距起点1.21m,埋深为0.54m左右,燃气管距起点3.18m,埋深为1.01m,经现场开挖验证,给水管线平面误差为0.03m,实际埋深为0.52m,误差仅为0.02m;燃气管平面误差为0.04m,实际埋深为0.97m,误差为4cm。根据波速试验并结合地质雷达图像处理软件判断出给水管和燃气管直径分别为600mm和300mm,结合其他勘测结果,经验证这两个估算还是很准的。
由于地下杂质影响使得有些雷达图像图异常并不很明显,很难准却判断埋深,这就需要结合波形相位来判断反射体。图3是塑料给水管的地质雷达图像,由于地面凹陷和地下杂质影响,使其异常较为杂乱。雷达波由空气到介质和由介质到水波速都是由大变小,由水到介质波速由小变大,因此管顶反射波应和地面反射波相位相同,而管底反射波应该和地面放射波相位相反。从波形首先判断出最上面的是地面反射波,中间振幅最大的波为给水管頂反射波,最下面的振幅最大的波为管底反射波。由程序可读出管顶埋深为0.94m,根据水的波速可计算出给水管直径为300mm,经开挖验证,实际埋深为0.98m,误差为0.04m,管径估算的也很准。
图2 给水管道和燃气管道地质雷达剖面图
图3 给水管道地质雷达剖面图
3.2综合管沟地质雷达异常判别
管沟也是管线普查中常见的一种现象,它主要包括电信的管块和排水的沟渠。由于其形状相近,因此它们有着相似的地电特性,其地质雷达图像也十分接近:同相轴都是有限的平板,界面反射的中部为平板状,两端有绕射现象,表现为半支开口向下的双曲线。图4剖面探测目标为综台管沟。管沟位于马路的人行道下,规格为3500cm×1800cm,顶盖板为0.2m厚预制水泥板.水泥板上为硬化水泥路面.管沟内底存有0.05m左右稀泥水层。地质雷达剖面图上层异常为正向连续同相轴板状体异常,正向同相轴对应内部空间顶界面.按混凝土波速计算界面到地面厚度为0.50m 下部强反射异常及多次波异常对直为薄泥水层.从顶界面同相轴到下层强反射反向同相轴双程走时为11.4ns.按空气波速0.3m/ns计算,管沟净空高为1.71m与实际的1.80m对比,偏高0.09m,这可能是由于封闭空间内水气较大,实际波速略小于0.3m/ns的原故。
图4 综合管沟的地质雷达剖面图
3.3强干扰情况下的塑料管线探测
a,填土不密实的情况下
当目标管线周围是疏松介质时,雷达断面上的波形表现得杂乱无章。目标管线的反射波形基本被掩盖,以致无法对图像正确分析(如图5)。
图5,填土不密实的情况下塑料管线雷达断面图
由图5可以看见在塑料燃气管线处有明显的扰动波形,但是并看不出有平滑的双曲线。我们把平面定在该异常的中心位置即x=2.9m的地方,定深度z=1.2m。后经开挖知道x=2.85m,z=1.4m。而在该位置,当挖到1.0m以后土壤与周围比起来明显疏松、多空隙。由此我们可以看出,在探测开挖敷设且回填土没有压实情况的管线时,得到的雷达断面图像极易让我们在分析图像时发生错误。但却可以利用开挖沟槽中回填土与周围土壤的差异探测出管线的大致位置,然后结合钎探等方法探测出管线深度。
b,地下长条形、椭圆形物体的干扰
有些时候,在我们布设的雷达断面上,目标管线附近有一些能够产生类似管线异常的物体,使我们得出错误的结论。在分析如图6这个断面图时,会将卵石产生的异常定为了燃气管线.结果开挖后才知道实为一长椭圆形卵石。所以在这种情况下,应该在附近的地方重新布设雷达断面,以消除此类物体的影响。
图6,地下椭圆形物体干扰时塑料管线雷达断面图
以上几种情况是我们在使用地质雷达探测管线常碰到的现象,为尽量避免这些情况给我们的探测带来错误,我们就需要在不同的地方多做些雷达断面,以及在情况允许的条件下适当开挖验证。
4 结语
探地雷达方法具有速度快、探测精度高、可获得连续结果等特点,是一项应用十分广泛的近地表地球物理探测技术,其应用领域在不断扩展。但是,要充分发挥这一技术手段的优势和潜力,必须将地质与工程问题的特点与探地雷达技术自身特点结合起来加以考虑,采用合适的工作方法,选择正确的工作参数。本文通过工程实例说明了该方法对探测地下目标体具有良好的效果,弥补了钻探勘探范围小的不足,节约了施工成本,提高了工程进度。
参考文献
1、李大心.1994.地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1
2、区福邦.1998.城市地下管线普查技术与应用[M].东南大学出版社,12
作者简介:
周正宝,男,工程师,项目经理,从事地下管线探测工作。
关键词: 探地雷达;非金属管线;探测
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.009
1 前言
由于绍兴市近年来非金属管线特别是塑料管线的大量应用,使用传统的金属管线仪已无法完全满足现有的管线探测需要,所以近年国内引入了地质雷达这项新技术。利用雷达探测管线不仅能准确地提供管线的平面位置和埋设深度等情况,为施工或管理提供可靠参数,更重要的是对非金属管线的探测提供了有力的技术支持。
2 工作方法原理
地质雷达勘探是一种以地下不同介质的介电常数差异为基础的物探方法。它利用一个天线发射高频宽频带电磁波,另一个天线接收来自介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化(李大心,1994)。接收天线接收返回地面的反射波,将其传入仪器内进行显示和记录,利用资料的后处理便可得到地下不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等参数。地质雷达的观测方式有两种:一种是宽角法,发射天线固定不动,接收天线沿测线移动并逐点接收来自反射界面的反射回波,则回波走时与天线距之间满足(1)式(图l)
图1 地质雷达工作原理
式中:为发射天线与接收天线之间的距离(m); 为电磁波在地下介质中的传播速度(m/ns);z为反射点到地面的垂向距离(m);t为回波走时(ns)。另一种方式是剖面法,保持发射和接收天线距固定不变,逐步移动装置。对于零天线距的单置式天线而言,即天线距很小且固定时同时激发并接收,则自激自收时间为(图l)(区福邦,1998)
3 应用实例
3.1非金属给水、燃气管道异常的判别
在绍兴市管线普查过程中,所遇到的非金属管道主要包括塑料(PVC)给水管、水泥(砼)给水管、(PVC)燃气管,在以往的管线普查中面对这两种管线经常束手无策。在使用了RAMAC型地质雷达后,有效地解决了这一难题。
图2是水泥(砼)给水管和塑料(PVC)燃气管的地质雷达图像,从图中我们可以发现,其异常效果很明显,反射波组的同相轴都是为向下开口的双曲线,呈伞状。根据异常形态,我们可以确定,双曲线的中心位置即为管线的中心位置。另外,对比这两条管线的异常我们也发现,虽然都是非金属管线,但是它们的异常特征有很大的区别。给水管有明显的多次波,根据反复的试验并结合给水管物理特性和反射波振幅特征我们发现,给水管最上面的异常为其管顶异常,下面两个异常分别为给水管管底反射波和管底二次反射波;燃气管只有一个管顶异常。根据图像我们判断该给水管距起点1.21m,埋深为0.54m左右,燃气管距起点3.18m,埋深为1.01m,经现场开挖验证,给水管线平面误差为0.03m,实际埋深为0.52m,误差仅为0.02m;燃气管平面误差为0.04m,实际埋深为0.97m,误差为4cm。根据波速试验并结合地质雷达图像处理软件判断出给水管和燃气管直径分别为600mm和300mm,结合其他勘测结果,经验证这两个估算还是很准的。
由于地下杂质影响使得有些雷达图像图异常并不很明显,很难准却判断埋深,这就需要结合波形相位来判断反射体。图3是塑料给水管的地质雷达图像,由于地面凹陷和地下杂质影响,使其异常较为杂乱。雷达波由空气到介质和由介质到水波速都是由大变小,由水到介质波速由小变大,因此管顶反射波应和地面反射波相位相同,而管底反射波应该和地面放射波相位相反。从波形首先判断出最上面的是地面反射波,中间振幅最大的波为给水管頂反射波,最下面的振幅最大的波为管底反射波。由程序可读出管顶埋深为0.94m,根据水的波速可计算出给水管直径为300mm,经开挖验证,实际埋深为0.98m,误差为0.04m,管径估算的也很准。
图2 给水管道和燃气管道地质雷达剖面图
图3 给水管道地质雷达剖面图
3.2综合管沟地质雷达异常判别
管沟也是管线普查中常见的一种现象,它主要包括电信的管块和排水的沟渠。由于其形状相近,因此它们有着相似的地电特性,其地质雷达图像也十分接近:同相轴都是有限的平板,界面反射的中部为平板状,两端有绕射现象,表现为半支开口向下的双曲线。图4剖面探测目标为综台管沟。管沟位于马路的人行道下,规格为3500cm×1800cm,顶盖板为0.2m厚预制水泥板.水泥板上为硬化水泥路面.管沟内底存有0.05m左右稀泥水层。地质雷达剖面图上层异常为正向连续同相轴板状体异常,正向同相轴对应内部空间顶界面.按混凝土波速计算界面到地面厚度为0.50m 下部强反射异常及多次波异常对直为薄泥水层.从顶界面同相轴到下层强反射反向同相轴双程走时为11.4ns.按空气波速0.3m/ns计算,管沟净空高为1.71m与实际的1.80m对比,偏高0.09m,这可能是由于封闭空间内水气较大,实际波速略小于0.3m/ns的原故。
图4 综合管沟的地质雷达剖面图
3.3强干扰情况下的塑料管线探测
a,填土不密实的情况下
当目标管线周围是疏松介质时,雷达断面上的波形表现得杂乱无章。目标管线的反射波形基本被掩盖,以致无法对图像正确分析(如图5)。
图5,填土不密实的情况下塑料管线雷达断面图
由图5可以看见在塑料燃气管线处有明显的扰动波形,但是并看不出有平滑的双曲线。我们把平面定在该异常的中心位置即x=2.9m的地方,定深度z=1.2m。后经开挖知道x=2.85m,z=1.4m。而在该位置,当挖到1.0m以后土壤与周围比起来明显疏松、多空隙。由此我们可以看出,在探测开挖敷设且回填土没有压实情况的管线时,得到的雷达断面图像极易让我们在分析图像时发生错误。但却可以利用开挖沟槽中回填土与周围土壤的差异探测出管线的大致位置,然后结合钎探等方法探测出管线深度。
b,地下长条形、椭圆形物体的干扰
有些时候,在我们布设的雷达断面上,目标管线附近有一些能够产生类似管线异常的物体,使我们得出错误的结论。在分析如图6这个断面图时,会将卵石产生的异常定为了燃气管线.结果开挖后才知道实为一长椭圆形卵石。所以在这种情况下,应该在附近的地方重新布设雷达断面,以消除此类物体的影响。
图6,地下椭圆形物体干扰时塑料管线雷达断面图
以上几种情况是我们在使用地质雷达探测管线常碰到的现象,为尽量避免这些情况给我们的探测带来错误,我们就需要在不同的地方多做些雷达断面,以及在情况允许的条件下适当开挖验证。
4 结语
探地雷达方法具有速度快、探测精度高、可获得连续结果等特点,是一项应用十分广泛的近地表地球物理探测技术,其应用领域在不断扩展。但是,要充分发挥这一技术手段的优势和潜力,必须将地质与工程问题的特点与探地雷达技术自身特点结合起来加以考虑,采用合适的工作方法,选择正确的工作参数。本文通过工程实例说明了该方法对探测地下目标体具有良好的效果,弥补了钻探勘探范围小的不足,节约了施工成本,提高了工程进度。
参考文献
1、李大心.1994.地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1
2、区福邦.1998.城市地下管线普查技术与应用[M].东南大学出版社,12
作者简介:
周正宝,男,工程师,项目经理,从事地下管线探测工作。