地质雷达探测地下管线的应用

地质雷达探测地下管线的应用

福建铁路建设有限公司 王兴照

[摘要] 随着城市现代化的发展,地下管线的密集度越来越大,在大量的城市地下施工过程中,地下管线的保护越来越显得重要,掌握施工地段地下管线的敷设又是确保地下管线和施工安全的前提,该文简要介绍了地质雷达的基本原理和数据处理方法,并结合工程实例,分析了地质雷达在探测地下管线分布中的作用。

[关键词] 地质雷达 探测 地下管线

近年来,随着城市现代化的发展,地下管线的密集度越来越大,在大量的城市地下施工过程中,它们的安全直接关系到经济建设、市民生活,同时,也影响到施工人员的人身安全。因此,如何在施工时,避免破坏这些地下管线就变得越来越重要。地质雷达作为一种高分辨探测技术,能够探明施工区段地下管线、线路的敷设情况,避免由于不明地下管线的分布而造成施工时挖断管线带来的损失,确保施工安全,近年来得到了普遍的应用。

1 地质雷达探测原理

地质雷达(GPR )的原理概括地说,它是通过对电磁波在地下介质中传播规律的研究与波场特点的分析,查明介质结构、属性、几何形态及其空间分布特征。地质雷达由地面上的发射天线 T 将高频电磁波(主频为10~10Hz) 以宽频带短脉冲形式送入地下,经地下目标体或不同电磁性质的介质分界面反射后返回地面,为另一接收天线 R 所接收,而其余电磁能量则穿过界面继续向下传播,在更深的界面上继续反射和折射,直至电磁能量被地下介质全部吸收(见图 1)。

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录下电磁波从发射到接收的双程旅时△t ,当电磁波在介质内传播的速度V 已知时,可由D =V ·△t /2式求出反射面的深度即目标体的深度。

在地质雷达法勘探中,电磁波通常被近似为均匀平面波。其传播速度在高阻媒介中取决于媒质的相对常数εr ,即

V=C/εr

式中 C =0. 3m /ns

(1/2)

εr 为媒质的相对介电常数

1/21/2

(ε1)−(ε2)R =1/21/2

(ε1)+(ε2)

电磁波在遇到不同媒质界面时的反射系数为:

由此可知,电磁波的反射系数取决于界面两边媒质的相对介电常数的差异,差异越大,反射系数也越大。

2 仪器设备

本次检测使用的是美国劳雷公司生产的(GSSI) SIR-3000地质雷达,该地质雷达由发射、接收和控制三部分组成。发射部分由脉冲发生电路和发射天线构成,产生并发电磁脉冲;接收部分由接收天线、高频放大电路和采样电路构成,接收的高频信号被放大后,采样电路变换为低频信号,送到信号处理电路;控制部分是由产生整体装置同步信号的基准同步信号发生器、控制采样电路的采样控制器、处理接收信号的信号处理电路、以及显示处理信号的输出显示部分组成的。采样数据经一定处理后,由输出显示设备输出探测结果。

图1 地质雷达工作原理图

地质雷达发射天线在介质表面向其内部发射频率为数百兆赫兹的高频电磁波,当电磁波遇到不同界面时会发生反射及透射,反射波返回介质表面,又被接收天线所接收(所用的天线为收发合一的屏蔽天线)。此时,雷达主机记

3 工程实例 3.1 工程概况

本工程位于福州市茶亭街与群众路、交通路两个交叉口及群众路交叉口西侧(原居民住宅区内),跨越茶亭街。根据现场调研及资料的情况来看,目前茶亭街两侧多为已拆迁后的居民住房,在原道路两侧已用砖墙围档;在群众路和交通

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路地下通道范围内均有一组军用光缆和电信长途通信光缆未拆迁。另外在本工程施工范围内地下管线错综复杂,有上水管、煤气管、电话电线、污水管、雨水管、电力电缆、照明、信号和有线电视等九大类地下管线,部分线路分布在施工开挖区内,施工期间必须切实做好管线的处理方案,确保各类管线的安全和正常使用,才能避免窝工,提高效率其工作顺利与否,直接影响到工程的施工进度。因此,探明施工区地下管线、线路的敷设情况是确保施工安全的重要前提。

3.2 探测情况概述

根据道路平面布置和管线埋深情况,分别在道路两侧的中心线上布置了两条主测线,在两侧人行道及原居民区部分别布置了20条测线。探测天线采用了100MHz 、400 MHz 两种天线。其中在两条主测线上采用了 100 MHz 天线进行探测,时窗设置为200ns ,探测深度为7m 左右。在两侧人行道及原居民区布置采用 400 MHz 天线进行探测,时窗设置为50ns ,探测深度为2m 左右。根据地质情况,介电常数均采用经验值15。

3.3 数据处理

应用地质雷达方法在采集地下目标体的有效反射信息时,还会接收到各种规则的或随机的干扰信息,地质雷达数据处理的目的,就是为了压制这些干扰波,最大限度地突出有效波,以便提高雷达记录的信噪比和分辨率,提供和显示记录中包含的与地下目标体的位置、形态、结构和属性等有关的信息,为地质雷达资料解释服务,地质雷达数据资料处理流程图详见图2。

3.4 资料分析

根据地质雷达波的探测原理,当两个介质的介电常数相差较大时,雷达波会发生明显的反射、绕射等现象。选取2组典型的地质雷达波图形(见图3、图4),当雷达波扫描至

图3 地质雷达探测地下管线反射波形图

图2 地质雷达数据资料处理流程图

地下管线时,雷达波会产生明显的绕射现象。从图4、图5中我们可以清楚地看出地质雷达波的反射现象,弧形的大小反映了反射物体的大小,由于地下管线较小,雷达波上呈小弧形反射,下水道呈弧形较大的空洞式反射。通过对时间及速度参数的计算更准确的得出管线的实际位置。这与施工单位

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图4 地质雷达探测下水道反射波形图

4 结论

通过采用地质雷达对地下管线的探测,现场地下管线位置的记录得到了准确的反映,然而,更深入一步,如从中分析求证出管线的粗细、材质,以及其中的充填物和其他信息,则需要进行从施工参数的选取到后期数据的处理和解释等一系列的细微工作。由于地质雷达在应用过程中效率高、无损伤并能实时展示地下图像,适合在城市各种场合使用,因此,

(上接第58页)(3)“三闻”:在运行中要注意发电机是否有异味产生。如果闻到异常气味,说明发电机可能内部发生了故障或者外部电路有问题,必须立即停机检查或检修,防止事故进一步扩大。

(4)“四查”:在运行中必须对发电机经常检查。按规定要求每小时检查一次。(1)查发电机温度和发电机轴承温度是否正常。可用手背去接触发电机外壳,看发电机温度是否正常,与过去相比是否有大的变化,是否有过热或局部过热,一般手感到不烫是正常的。(2)查发电机机壳内是否有杂物,尤其是老鼠喜欢将食物、塑料袋、破物等拖入发电机内甚至还会把发电机线圈咬坏掉。如地处偏僻山区的大山水电站由

152-155.

[2] 李大心. 探地雷达方法与应用[M]. 北京:地质出版社, 1994.

随着人们对地质雷达进一步研究,它必将成为城市管线探测的最有效工具。

参考文献

[1] 袁明德. 探地雷达探测地下管线的能力[J]. 物探与化探, 2002,2(26):

于机组停机时间比较长,就发生过老鼠钻入发电机内筑窝并

咬坏发电机线圈,造成发电机内部短路而烧坏绕组的事故。

因此,运行值班人员必须定期对发电机两端及气隙槽进行清

理,防止鼠害的发生,确保发电机机组的安全运行。

总之,要做好发电机机组的运行与维护工作。首先,启

动前要测量发电机各部分的绝缘电阻要求达到规定的标准

才能投入运行。

其次,

要认真做好运行中发电机机组的维护、

监视和检查等工作,做到定期检查;及时发现故障、及时处

理。把故障消灭在萌牙状态,以确保发电机机组的安全稳定运行。

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