探地雷達在地下暗渠探測中的應用

胡　曉

(舟山市定海區交通工程質量監督站，浙江　舟山　316000)

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探地雷達在地下暗渠探測中的應用

胡曉

(舟山市定海區交通工程質量監督站，浙江舟山316000)

摘要：將探地雷達技術引入地下暗渠探測領域，采用時域有限差分法(FDTD法)模擬探地雷達探測地下暗渠，并根據模擬結果雷達剖面圖中目標物的圖像特征指導實際工程應用，成功地探測到地下暗渠的空間位置。

關鍵詞：探地雷達；地下暗渠；探測

0引言

隨著城市道路的發展，很多明渠被掩埋在地下成為了城市地下排水管網的一部分。由于年代較遠、資料缺失，無法知道地下暗渠的布設，不能為城市汛期防汛提供可靠的排水管網資料，或容易造成在建工程施工時對暗渠的破壞。因此，有必要探明地下暗渠的分布狀況，為城市地下管網管理部門和城市建設規劃部門提供相關資料[1]。

傳統的電磁感應法對金屬管線敏感，對非金屬管線的適應性差。探地雷達可應用于地下暗渠等非金屬管線探測，而且具有明顯的優勢。探地雷達具有高分辨率、快捷、無損并能實時顯示地下圖像，準確定位地下目標物的優點[2]。

1技術方法

探地雷達是一種使用高頻電磁波探測地下媒質的非開挖性探測方法，由發射天線向地下發射高頻電磁波，遇到不同的媒質，部分電磁波發生反射現象返回，為接收天線所接收，其工作原理見圖1。

探地雷達在地下暗渠探測中的應用前提是，暗渠與周圍媒質的電磁性參數存在明顯差異。暗渠除了上面蓋板材質與周圍介質存在一定差異外，更主要的是暗渠內部媒質如水、空氣等與周圍媒質電磁性差異更大。電磁波在媒質中的傳播特性反映了地下媒質的物性差異。根據探地雷達儀器接收到反射波的雙程旅行時間、信號幅度與波形等資料確定地下暗渠的位置[3]。

地下暗渠的平面位置可根據雷達剖面圖中暗渠異常在測線上的位置確定，而到測線的垂直距離為[4]：

(1)

式中：d為目標體到測線的垂直距離，m；V為電磁波在介質中的傳播速度，m/ns；T為記錄的反射電磁波雙程走時，ns；X為發射天線與接收天線之間的距離，m。

(2)

其中：C為光速(0.3m/ns)；εr為介質相對介電常數，其取值可參照表1[4]。

表1　幾種常見介質的相對介電常數

圖1　探地雷達工作原理圖

2數值模擬

探地雷達的數值模擬是研究電磁波在介質中傳播路徑和傳播規律的有效手段，數值模擬結果的圖像特征對于提高探地雷達數據解釋的準確性具有重要的意義[5]。目前探地雷達數值模擬較為成熟的分析計算方法為時域有限差分法。時域有限差分法是在時域計算電磁場的一種數值方法，它從含時間變量的兩個Maxwell方程出發，利用二階精度的中心差分代替Maxwell方程中的微分算符，從而模擬探地雷達電磁波傳播以及與介質相互作用的過程[6-8]。

假設探地雷達探測地下暗渠的地電模型如圖2所示，地表以上是空氣層，地表以下是濕粘土層，濕粘土層中有地下暗渠。濕粘土層深度為5.0m，假定其相對介電常數εr為12.0，電導率σ為0.1S/m，相對磁導率μr為1.0。地下暗渠分為三層，上層為混凝土蓋板，中層為空氣，下層為水?；炷辽w板左下角坐標為(2.5,2.8)，右上角坐標為(4.5，2.5)，相對介電常數εr為7.0，電導率σ為0.005S/m，相對磁導率μr為1.0；空氣層左下角坐標為(2.5,3.0)，右上角坐標為(4.5,2.8)，相對介電常數εr為1.0，電導率σ為0.0S/m，相對磁導率μr為1.0；水層左下角坐標為(2.5,4.0)，右上角坐標為(4.5,3.0)，相對介電常數εr為80.0，電導率σ為0.05S/m，相對磁導率μr為1.0。

探地雷達數值模擬時，選擇Ricker子波作為激勵源，設置100MHz中心頻率的天線，時窗長度為160ns，天線間距1.0m，步距0.1m，測線從1.0m到6.0m且垂直于暗渠走向，共采集51道，采用matlab語言進行編程，數值模擬結果如圖3。暗渠的橫斷面為矩形，從圖3中可知，其在探地雷達剖面圖上的圖像特征為：中間表現出一個近似直線的反射信號，兩端各為半支下開口的拋物線。

圖2　地電模型

模型中粘濕土的相對介電常數εr為12.0，代入公式(2)，可知電磁波在濕粘土中的傳播速度約為0.087 m/ns，模型中發射天線與接收天線之間的距離X為1.0m。探地雷達模擬剖面圖上暗渠蓋板電磁波反射雙程走時約為59ns，代入公式(1)，可知蓋板埋深約為2.5m，與模型一致。

圖3　探地雷達模擬剖面圖

3工程應用

圖4為探地雷達在市政道路下暗渠探測中的應用。根據場地環境和探測目的選用100MHz天線進行探測。儀器的采集參數如下：時窗長度160ns，天線間距1.0m，步距0.1m，疊加次數16次，里程計觸發。

圖4中異常區域圖像中間表現出一個近似直線的反射信號，兩端各為半支下開口的拋物線，與圖3中探地雷達模擬圖中地下暗渠的圖像特征一致，所以圖4中異常區域為目標物地下暗渠。從圖4中可知，地下暗渠位于測線3.5m至6.4m，暗渠蓋板電磁波反射雙程走時約為34ns，而天線間距為1.0m，根據表1并結合場地經驗假定電磁波傳播速度為0.087 m/ns(相對介電常數取12)，代入公式(1)，可知蓋板埋深約為1.4m，與現場開挖情況基本符合。

圖4　探地雷達實測剖面圖

4結語

探地雷達技術的應用領域較為廣泛，越來越受工程界的青睞。文中根據濕粘土中埋設暗渠的地電模型，采用FDTD法模擬探地雷達探測地下暗渠。從模擬結果雷達剖面圖可知，界面反射的中間表現出一個近似直線的反射信號，兩端各為半支下開口的拋物線，與表現為向下開口呈傘形狀拋物線的圓形管道有所區別。探地雷達實測剖面圖中地下暗渠的圖像特征與模擬結果相似，說明探地雷達在地下暗渠探測中的應用是可行的。

在地下暗渠探測應用中，為了較為精準地定位地下暗渠的平面位置，可采用里程計現場定位，探測時發現雷達剖面圖上的異常信號，通過里程計的前進或后退功能定出地下暗渠在測線的位置，再結合雷達剖面圖中目標物的深度位置，從而確定地下暗渠的整體空間位置。

參考文獻:

[1]陳軍，趙永輝，萬明浩． 地質雷達在地下管線探測中的應用[J]．工程地球物理學報，2005，2(4)：260-263.

[2]薛飛，吳賽鋼，吳寶杰． 探地雷達在地下障礙物探測中的應用[J]．市政技術，2010，28(3)：157-159.

[3]吳寶杰，張莉，楊樺，等．探地雷達在基坑流砂掏空區探測中的應用[J]．工程地球物理學報，2007，4(5)：425-429.

[4]張順東，方成，黃圣棕．地質雷達在樁底巖溶探測中的應用[J]．地震地磁觀測與研究，2005，26(4)：103-106.

[5]曾昭發，劉四新，王者江，等．探地雷達方法原理及應用[M]．北京：科學出版社，2006.

[6]葛德彪，閆玉波．電磁波時域有限差分方法[M]．第二版．西安：西安電子科技大學出版社，2005.

[7]戴前偉，馮德山，王啟龍，等． 時域有限差分法在地質雷達二維正演模擬中的應用[J]．地球物理學進展，2004，19(4)：898-902.

[8]喻振華，馮德山，戴前偉，等．復雜地電模型的探地雷達時域有限差分正演[J]．物探化探計算技術，2005，27(4)：279-283.

Application of Ground-Penetrating Radar in Detecting Underdrain

HU Xiao

(Dinghai District of Zhoushan Traffic Engineering Quality Supervision Station，Zhoushan 316000，China)

Abstract:With the development of urban roads,a lot of open channelbeing buried in the ground become underdrain.Because of the lack of data,do not know its distribution.In this paper,the ground penetrating radar technique is introduced into the underdrain detection field,using the finite difference time domain method (FDTD) simulate the GPR ground penetrating radar to detect the underdrain, and according to the simulation results radar profile of target in image feature guide practical engineering application, successfully detect the spatial position of the underdrain.

Key words:ground penetrating radar；underdrain；detect

收稿日期：2015-12-22

作者簡介：胡曉(1982-)，男，浙江定海人，工程師，E-mail：173958346@qq.com。

中圖分類號:TU992

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2016.01.006

文章編號：1671-234X(2016)01-0026-03