探地雷達對非金屬管線有效探測深度的研究

陳少博,朱盛延,石宗源,黃建國,黃禮杰,羅小乾,姜 彤,朱四新

(1.華東勘察設計院(福建)有限公司,福州 350000;2.華北水利水電大學,鄭州 450046)

0 引言

管線作為城市的生命線,承擔著信息、能量、城市用水的傳輸和循環[1-3]。隨著城市建設的不斷進行,地下管線構成了復雜而龐大的系統[4]。在當今的城市地下管線普查中,由于存在大量私改、私接、管線原始數據丟失的情況,導致管線間的連接關系需要通過人工撬井蓋來確認。因此亟需精準快捷的探測技術對管線的位置、埋深進行精確定位,而探地雷達高效、直觀、無損的特點十分適用于城市地下管線的探測[5]。

雖然探地雷達在超前地質預報、冰川鹽巖等低耗介質探測領域有著較好的表現,但在對不均勻雜填土,隨機地下水位非金屬管線的探測中卻存在如下問題[6-7]:①探地雷達對非金屬管線的響應微弱,實際探測中甚至弱于干擾引起的假異常;②不均勻的雜填土如介質中許多小空洞等,都會導致背景的雜亂或響應雙曲線不連續[8-9];③部分含水非金屬管線周圍介電常數和電導率數倍于干燥值,導致電磁波高耗而降低探測能力[10-11]。針對此類問題,探地雷達天線頻率的選擇以及相關采集參數的設置,對目標非金屬管線探測結果起到了至關重要的作用。

針對上述問題,筆者使用GPRMax3.0對探地雷達非金屬管線探測進行正演模擬,通過總結常用的100 M、270 M、400 M天線對不同埋深、管徑、材質的非金屬管線探測深度,并結合實際非金屬管線探測結果進行對比,為探地雷達在城市地下非金屬管線探測工程應用提供一定的參考。

1 基本原理

1.1 探地雷達工作原理

Hulsenbeck (1926)指出介電常數不同的界面會使電磁波發生反射,提出了利用電磁脈沖探測地下物體的方法,從而形成了探地雷達的雛形[12]。隨著電子信息技術發展和數字處理技術的應用,當前的探地雷達由計算機主機控制天線收發,并存儲回波到達接收天線(Rx)的走時、相位、電場強度等運動和波型特征,形成直觀地下掃描剖面。發射天線(Tx)向地下發射特定主頻的高頻電磁波(1 M-10 GHz),當到達不同的介質分界面時,電磁波會發生反射透射和折射[13-14],進而由接收天線(Rx)接收到不同振幅、走時、同相軸等特征的電磁信號。通過分析此類電磁信號,則可較為準確的推斷出地下異常體的埋深、形態、結構等性質(圖1)。

圖1 探地雷達工作示意圖

1.2 電磁波及正演模擬基本理論

宏觀電磁場變化遵循Maxwell方程組。假設各向同性半無限介質電磁性質穩定,在無源空間中,電流密度和電荷密度為零[15]?？蓪⒁蕾嚂r域的麥克斯韋方程寫為:

(1)

(2)

對式(1)兩邊取旋度,然后帶入式(2)便可得到無源區域中電場強度矢量E形成波動方程形式:

式中:H為磁場強度;E為電場強度;μ為磁導率;ε為相對介電常數。

除電場強度外,同理可得磁場強度H在此無源區域滿足的波動方程。在直角坐標系中,可以將電場和磁場分解,每個波動方程便可寫為 3個標量方程,每個方程針對一個分量場,即形成 FDTD 的基礎式。

GPRMax基于Maxwell方程組和有限差分時間域(FDTD)方法,是一種數值模擬工具。GPRMax通過定義介質的電導率,介電常數,磁導率和邊界條件等參數來模擬電磁波在地下介質中的傳播和反射,從而得到地下介質的響應剖面,為工程實踐提供理論經驗支撐。

2 GPRMax層狀模型設置

筆者采用各向同性層狀介質來模擬人行道和公路兩種不同工況。人行道層狀模型自上而下分為0.1 m磚石層、0.5 m填土層和半無限黏土層(圖2)。

圖2 人行道層狀模型

公路層狀模型以我國常用典型結構半剛性瀝青路面為例[16-17],自上而下分為0.1 m瀝青層、0.2 m混凝土層,0.5 m填土層和半無限黏土層(圖3)。其中各材料的相對介電常數和電阻率如表1所示。

表1 層狀模型介質電性參數

圖3 公路層狀模型

3 GPRMax正演模擬實驗

本文中GPRMax正演模擬采用經驗基準徑深比1∶10,非金屬管線的埋深則以0.1 m深度差遞加,覆蓋非金屬管線中心埋深的范圍自0.3 m到3 m。

3.1 400 M天線非金屬管線探測實驗

圖4為某小型公路下鋪設的同一雨水管線不同位置剖面,中間標記位置為管線位置,管頂實際埋深均為1.1 m,管徑為400 mm。由圖4可知,400 M天線在1.5 m以內可以獲得清晰的非金屬管線響應,但埋深大于1.5 m后400 M天線探測效果較不穩定,雙曲線連續性較差,對干擾較大或者衰減嚴重的區域,非金屬管線響應的有效信息表現微弱,難以識別甚至會被完全掩蓋。

圖4 400 M天線實測剖面

以此實測數據為依據,設置非金屬管線中心基準埋深為0.5 m、1 m和1.5 m的三組對照實驗,實驗的模型均為人行道層狀模型。

1)當非金屬管線中心基準埋深為0.5 m,時窗為60 ns時,設置5組管徑為0.05 m的PVC管線,該管線對應的中心埋深由左至右分別為0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m。

2)當非金屬管線中心基準埋深為1 m,時窗為60 ns時,設置7組管徑為0.1 m的PVC管線,該管線對應的中心埋深由左至右分別為0.7 m、0.8 m、0.9 m、1 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m。

3)當非金屬管線中心基準埋深為1.5 m,時窗為60 ns時,設置5組管徑為0.15 m的PVC管線,該管線對應的中心埋深由左至右分別為1.3 m、1.4 m、1.5 m、1.6 m、1.9 m。

通過圖5、圖6、圖7可知,當非金屬管徑相同時,400 M探地雷達的回波信號隨著埋深顯著衰減,三次模擬整體上回波強度是遞減的,同時雙曲線曲率也隨著深度變大而變小。當非金屬管線中心埋深大于1.6 m時,回波能量僅為直達波的1/45,且10次疊加就可將其異常平滑掉,難以識別。故400 M探地雷達的探測深度不宜超過1.5 m,1 m以內效果較好。

圖5 400 M天線0.5 m埋深基準的正演結果

圖6 400 M天線1 m埋深基準的正演結果

圖7 400 M天線1.5 m埋深基準的正演結果

3.2 270 M天線非金屬管線探測實驗

根據實際探測經驗,270 M天線對部分非金屬管線的探測深度可達3 m,故針對270 M探地雷達GPRMax正演模擬實驗,設置非金屬管線中心基準埋深為1.5 m和2 m的兩組對照實驗,實驗模型均為人行道層狀模型。

1)當非金屬管線中心基準埋深為1.5 m,時窗為100 ns時,設置5組管徑為0.15 m的PVC管線,該管線對應的中心埋深由左至右分別為0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m。

2)當非金屬管線中心基準埋深為2 m,時窗為100 ns時,設置7組管徑為0.2 m的PVC管線,該管線對應的中心埋深由左至右分別為1.7 m、1.8 m、1.9 m、2.0 m、2.1 m、2.2 m、2.3 m。

由圖8、圖9可知,當非金屬管線在高耗介質中且管線中心埋深大于1.5 m時,經驗基準徑深比1∶10喪失了其參考意義。當非金屬管線的中心埋深大于2 m時,小管徑管線的回波最大強度只為直達波的1/44,由于兩翼能量的衰減,270 M探地雷達對于中心埋深大于2 m的小管徑管線識別效果不佳。

圖8 270 M天線1.5 m埋深基準的正演結果

圖9 270 M天線2 m埋深基準的正演結果

3)通過對某市主要區域非金屬管線的統計發現,城市主干道以下2 m～3 m存在較多的0.6 m大管徑非金屬主管,故再設置非金屬管線中心基準埋深為2 m和2.6 m,管徑為0.6 m的兩組對照實驗,實驗的模型公路層狀模型。又因大管徑的非金屬主管線多為雨污水管線,故設置對應的介質為濕混凝土構造。兩組實驗中濕混凝土管線對應的中心埋深由左至右分別為1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m和2.4 m、2.6 m、2.8 m、3.0 m。

由圖10、圖11可知,適用270 M探地雷達對中心埋深2 m～3 m,管徑0.6 m的濕混凝土管線探測,探測的效果要明顯優于淺埋深的PVC管線。這是由于潮濕導致非金屬管線具有了更大的相對介電常數,從而獲得更強的回波能量值,但270 M探地雷達的有效探測深度仍在3 m以內。

圖10 270 M天線2 m埋深基準大管徑管線正演結果

圖11 270 M天線2.6 m埋深基準大管徑管線正演結果

3.3 100 M天線非金屬管線探測實驗

圖12為實測某公路下方埋深為3 m的混凝土套管,中間標記位置為管線位。由實測數據及經驗知,100 M探地雷達對于非金屬管線的有效探測范圍為3 m～4 m,故針對100 M探地雷達GPRMax正演模擬實驗設置非金屬管線中心基準埋深為2 m和3 m的兩組對照實驗,實驗的模型均為公路層狀模型。

圖12 100 M天線實測剖面

1)當非金屬管線中心基準埋深為2 m時,設置7組管徑為0.2 m的PVC管線,該管線對應的中心埋深由左至右分別為1.8 m、1.9 m、2.0 m、2.1 m、2.2 m、2.3 m、2.4 m。

由圖13可知,當100 M探地雷達掃描中心埋深為2 m,管徑為0.2 m的PVC管線時,最大的回波能量僅為直達波的1/39,其能量衰減比率要小于高頻天線,符合極化衰減理論。但由于100 M探地雷達所產生的波長較大,當介質不均勻時易產生散射、色散等不利影響,導致其整體探測效果的優勢相對高頻天線并不明顯。因此在對小管徑非金屬管線的探測工作中,100 M探地雷達的探測深度不宜大于2 m。

圖13 100 M天線2 m基準埋深正演結果

2)鑒于埋深3 m左右的非金屬管線多為濕混凝土管線,故當濕混凝土管線的中心基準埋深為3 m,設置5組管徑為0.3 m的管線,對應的中心埋深由左至右分別為2.7 m、2.9 m、3.1 m、3.3 m。

3)當濕混凝土管線的中心基準埋深為3 m,設置5組管徑為0.6 m的管線,對應的中心埋深由左至右分別為2.7 m、2.9 m、3.1 m、3.3 m。

由圖14、圖15可知,當非金屬管線埋深較大時,同一埋深基準對應不同管徑的非金屬管線探測回波強度差異極小,非金屬管線材質及管徑的變化都不足以補償埋深的增大。埋深大于3 m時,探地雷達對非金屬管線的響應很難辨識,故認為對濕混凝土管線的有效探測深度為3 m之內。

圖14 100 M天線3 m埋深基準正演結果

圖15 100 M天線3 m埋深基準正演結果

4 結語

通過GPRMax正演模擬,可直接觀測到探地雷達頻率與非金屬管線的有效探測深度的負相關關系。又因不同頻率天線對于非金屬管線的有效測深度無統一界定標準,故在工程的實測環境中就需要根據實際干擾強度和地下介質情況,通過標定介電常數、測量電導率,來獲得相應的電磁屬性,進而通過正演獲得回波的特征,觀察不同天線的效果差異,選擇最佳的天線進行探測。

筆者依據實際非金屬管線探測資料,主流探測經驗以及正演驗證的結果匯總得到以下結論:

1)在上述假定地質狀況的前提下,不同頻率探地雷達對非金屬管線探測深度為:①400 M天線對非金屬管線的有效測深為1.5 m以內;②270 M天線對PVC管線的有效測深在2 m以內,對濕混凝土管線則在3 m范圍以內;③100 M天線的最佳測深同樣在3 m以內。

2)實際工程勘測中,不同類型非金屬管線周圍的介質會有較大差異(例如供水管線常常滲漏,其周圍土體介電常數可以到達20左右)。介質差異會導致不同的電磁波速,除影響有效測深外,還對非金屬管線有效響應的雙曲線曲率有所影響,速度越大,曲率越小,雙曲線越平緩,當同一幅實測圖像出現兩翼不同收斂的響應,可判斷收斂大的異常區域含水量大,其實際深度也較小。筆者基于經驗以及工程實測數據進行正演研究,并從理論上對非金屬管線探測的經驗進行了佐證,給出了各頻率天線對非金屬管線的有效測深范圍,對東南沿海城市地下非金屬管線探測有一定的指導意義。