地质雷达在地下管线探测中的应用

文章编号:1672 7940(2005)04 0260 04

地质雷达在地下管线探测中的应用

陈 军,赵永辉,万明浩

(同济大学海洋与地球科学学院,上海 200092)

作者简介:陈军(1966年 ),男,博士,副教授,同济大学海洋与地球科学学院从事教学和科研工作,主要研究方向为地球物理计算方

法和资料的综合解释。E mail:junxianch en@

摘 要:掌握地下管线的分布、

走向和埋深等信息对城市的规划、设计和施工等都具有非常重要的意义。使用地球物理方法探测地下管线,尤其是埋深较大的管线不仅具有必要性,而且也具有可行性。本文在简要介绍地质雷达基本原理后,结合工程实例介绍了使用地质雷达仪探测地下管线的情况。

关键词:地质雷达;地下管线;探测;应用

中图分类号:P631

325文献标识码:A 收稿日期:2005 04 13

THE APPLICATION OF GROUND PENETRATING RADAR

IN PROSPECTING UNDERGROUND PIPELINE

CHEN Jun,ZHA O Yong hui,WA N M ing hao

(School of Ocean &Earth Science,T ongj i Univer sity ,S hang hai 200092,China)

Abstract:It is v ery im po rtant for the designing ,planning and construction o f the city to learn the info rmatio n about the distribution,ex tension and depth of the under ground pipelines.It is not only necessar y,but also possible to prospect the underg round pipelines to use Ground Penetrating Radar(GPR),especially the deeper pipelines.H ere w e introduce one instance to detect the undergro und pipelines by means of GPR after introducing the basic principle of GPR.

Key words:Ground Penetr ating Radar;underg round pipeline;pr ospect;application

1 引 言

城市地下各类管线是一个城市重要的基础设施,担负着信息传输、能源输送等工作,也是城市赖以生存和发展的物质基础。但由于多方面的原

因,我国现有地下各类专业管线的资料残缺不全,且有关资料精度不高或与现状不符,造成在建设施工中时常发生挖断或挖坏地下管线,从而造成

停气、停水、停暖、通信中断、污水四溢等严重事

故。现在城市发展建设的速度比过去要快得多,每天都会有各种各样的建设工程开工,为了有正确的规划、设计和避免施工事故的出现,对规划、设计、施工等部门掌握准确可靠的地下管线的分布、走向、埋深等状态信息具有重要的意义。

通过工程设计和竣工资料或者直接现场开挖验槽可了解地下管线的信息,但有的管线施工时间跨度大,同时有的管线竣工资料同设计资料有

第2卷第4期

2005年8月 工程地球物理学报

CHIN ESE JO U RN A L O F EN GI NEERIN G GEOP HY SICS

V ol.2,N o.4

A ug.,2005

较大差异,而施工现场没有直接开挖条件,尤其是对埋深较大的管线直接开挖验槽根本不现实,依靠物探方法进行探测就有其必要性。同时,正如杨向东对各种材质地下管线地球物理性质的分析,使用地球物理方法探测地下管线具有可行性[1]

。

目前管线探测中主要的物探方法有两种:一是管线探测仪,另外就是地质雷达仪。对于非金属管道和深度较大的管道来说地质雷达仪的作用又更加重要。本文在简要介绍地质雷达仪工作原理的基础上,介绍了使用地质雷达仪探测江苏丹阳某工地超深天然气管道的情况。

2 地质雷达工作原理简介

地质雷达(Gro und Penetrating Radar ,简称GPR)是近几年迅速发展起来的高分辨率及高工作效率的无损探测技术,在岩土工程中的应用亦日趋广泛。

地质雷达方法是一种广谱电磁技术,它利用发射天线将高频电磁波(1~2500M H z)以宽频带短脉冲形式送入介质内部,经目标体或异常体的反射后回到地表,由接收天线接收回波信号。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度及波形随所通过的介质的电性性质及几何形态而变化,根据接收的反射回波的双程走时、幅度、相位等信息,可对介质的内部结构进行刻划。

图1以目前常见的分离式天线雷达系统为例,给出了地质雷达的探测原理示意图,其中s 为天线分离距,n x

为空间移动步长。

图1 探地雷达原理示意图(据PU L SE EKK O -4雷达使用手册)F ig 1 T he sketch map o f pr inciple of G ro und Penet rating Radar

(a)w orking model,(b)recording resu lt

实际工程应用中,地质雷达采集方式一般采用剖面法探测(图1a),将发射、接收天线以固定的分离距,沿测线方向以等步长同步移动,所有单道反射信息构成了雷达图像剖面,如图1b 所示,其中横坐标表示天线在水平方向的位置,纵坐标记录的是反射波的双程旅行时间。该剖面常以脉冲反射波的波形形式记录,波形的正负峰分别以黑、白表示,或者以灰阶或彩色表示,这样,同相轴或等灰线、等色线即可形象地表征出地下反射界面或目的体。

脉冲反射波在地下介质中旅行时间为:t =4z 2+s 2/v,其中z 为目标体的深度(m),v 为雷达波在介质中传播的速度(通常以m/ns 为单位,1m/ns=109

m/s)。当介质中波速v 为已知时,可根据测到的t 值(ns),由上式求出目标体的深度z 值。式中s 值在探测中是固定的,v 值可以用宽角方式(CDP)直接测量,也可以根据v =c/

r r

近似算出(实际应用中通常取磁导率 r =1),其中c 为光速(c =0.3m/m s), r 为地下介质的相对介电常数值,后者可利用理论数据或实际测定获

得。

雷达探测资料解释,包括两部分的内容,一为数据处理,二为图象解释。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器,介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性,使得脉冲到达接收天线时反射波的振幅被减少,波形变得与原始波形有较大的差别。另外,不同程度的各种随机信号噪声和干扰波,也歪曲了实测数据。因此,必须对接收信号实施适当的处理,以改善数据资料,为进一步

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第4期 陈军等:地质雷达在地下管线探测中的应用