物探方法在地下管线探测中的应用

物探方法在地下管线探测中的应用
本文概要介绍了探地雷达法、地震映像法和高密度电阻率法的基本原理，并结合多个工程实例介绍了这些方法在地下管线探测中应用效果，并对今后的应用提出了一些见解。

标签：地下管线探地雷达法地震映像法高密度电阻率法
1引言
近些年来各个城市都在进行地下管线的调查工作，目前大部分管线探测队伍使用金属管线仪器进行探测，这种工作方法只能对地下的金属管线或带有一定金属的管线（大的混凝土管），而对非金属管线基本上达不到无损探测的能力，针对一些疑难区开展地球物理勘探（以下简称物探）是非常有必要的。

2物探方法简介
2.1探地雷达法
探地雷达（也称地质雷达或透地雷达）法是利用广谱电磁波技术确定地下介质分布情况。

在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，由地质雷达系统中的窄脉冲发射源通过发射天线向地下发射高频宽频域单脉冲，该电磁波在探测物体内部传播过程中，遇到不同电性介质界面产生反射电磁波信号。

位于地面上的接收天线在接收到反射波后，直接传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到雷达主机，经处理后，传输到微机。

在微机中对信号依照幅度大小进行编码，并以伪彩色电平图/灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来，再经数据处理，用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数。

众所周知高频电磁波在地下介质中传播时可忽略传导电流，此时可用波动方程近似取代电磁波方程理论，也就是说单谐平面电磁波的传播特征是探地雷达的理论基础，而单谐平面电磁波在无限均匀介质中传播满足下式[1]：
A=C1·e-kZ
从上式可以看出电磁波的传播特性主要取决于波数（传播系数）k=b+ai，其中
上式中m=■为介质的电磁系数，ω为电磁波的角频率，μ为地下介质的磁导率，ε为地下介质的介电常数，σ为地下介质的电导率。

从上式中可以发现电磁波在介质中传播时，电磁波频率越高，地下介质电导率越大，则电磁波的衰减系数就越大，因此不同主频的雷达天线有其自身的探测深度和探测精度。

2.2地震映像法
地震映像（或称地震共偏移距）方法采用激发点和接收点保持相同的偏移距同步移动的方式沿剖面测量，由于激发和接收的条件保持不变，如果地质条件不变，折射波、反射波和面波等的同相轴在地震时间记录剖面上均为直线，时间剖面波形直观，易于分析解释，地震映像方法对于浅部的横向地质结构变化反映灵敏[2]。

地震映像法探测是以地下介质的波阻抗差异为前提的，地下管线材质和地下土体的波阻抗差异明显。

2.3高密度电阻率法
高密度电阻率法是二十世纪八十年代日本地球物理工作者为适应山地物探的需要而提出的一种电法勘探新技术，其基本原理与传统的电阻率法完全相同，所不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点，现场测量时，只需将全部电极布置在一定间隔的测点上，然后进行观测。

在设计和技术实施上，高密度电测系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，使用的电极数量多，而且电极之间可自由组合，这样就可以提取更多的地电信息，使电法勘探能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式。

与常规电法相比，高密度电法具有以下优点：（1）电极布设一次性完成，减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差;（2）能有效地进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息;（3）数据的采集和收录全部实现了自动化（或半自动化），不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误;（4）可以实现资料的现场实时处理和脱机处理，根据需要自动绘制和打印各种成果图件，大大提高了电阻率法的智能化程度。

3工程实例
3.1探地雷达法工作实例
图1为常州某地管线探测的雷达剖面图像，采用瑞典MALA公司的RAMAC 探地雷达，采用中心频率为500 MHz屏蔽天线，从雷达测试图像来看存在很明显的3处双曲线反射（管道反射信号），这3处管道都为非金属管线。

从上述工作实例中表明探地雷达法在城市地下管线探测中具有较强的应用前景，但是当地下介质电导率大于10ms/m时，探地雷达效果将非常不理想，因此应客观看待探地雷达在城市地下管线的探测问题。

3.2地震映像法工作实例
图2为常州某地管线探测的地震映像法波列图，采用重庆奔腾WZG-24型地震仪及100Hz垂直检波器测试，从测试波列图上可以发现存在2处明显同相轴的双曲线反射（管道反射信号），这两处管道直径分别为2.0m和0.8m。

图3为常州武进区某地地下箱涵的地震映像法伪彩色图像，箱涵两侧的角反射清晰。

3.3高密度电阻率法工作实例
图4为常州某地管线探测的高密度电阻率法视电阻率反演断面图，从中可以发现上部高阻层为地下水位以上的土层，深部低阻层为饱和水的淤泥质土层，浅部的低阻异常体为地下排水管道位置。

异常相对管道有扩大的现象。

4结束语
就地下管线探测的物探方法在实际使用中也是以不同的物性差异为前提条件的，虽然地下管线和地下介质物性差异都比较明显，但是当地下介质及外界干扰达到一定程度时就无法满足物探的工作条件了。

探地雷达是利用电磁波波动理论进行探测的一种新兴物探方法，具有高分辨率、高精度、高工作效率和无损伤探测等优点[3]，但同时也有其局限性，一般当介质电导率大于10ms/m时，探地雷达效果将非常不理想，此时探地雷达法在地下管线探测中效果就很差了。

地震映像法是利用弹性波动理论进行探测的一种物探方法，具有高分辨率、高精度、高工作效率和无损伤探测等优点。

地下介质前部不均匀性对其干扰较大，当外界震动强烈时，干扰非常大不利于工作开展。

高密度电阻率法在地下管线探测中具有勘探深度大、抗干扰相对较强、外界震动无影响等，但是最致命的是探测时测线要布设成直线场地上不一定能布设开的问题。

结合上述和实际工作的实例表明物探方法在地下管线探测中是有效的，在实际使用中要充分结合探测场地的特征合理运用。

参考文献
[1]傅良魁.应用地球物理教程-电法.
[2]单娜琳，程志平. 地震映像方法及应用.
[3]李大心.探地雷达探测方法与应用.北京：地质出版社.。