探地雷達(dá)在地下暗渠探測(cè)中的應(yīng)用

胡　曉

(舟山市定海區(qū)交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，浙江　舟山　316000)

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探地雷達(dá)在地下暗渠探測(cè)中的應(yīng)用

胡曉

(舟山市定海區(qū)交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，浙江舟山316000)

摘要：將探地雷達(dá)技術(shù)引入地下暗渠探測(cè)領(lǐng)域，采用時(shí)域有限差分法(FDTD法)模擬探地雷達(dá)探測(cè)地下暗渠，并根據(jù)模擬結(jié)果雷達(dá)剖面圖中目標(biāo)物的圖像特征指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用，成功地探測(cè)到地下暗渠的空間位置。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)；地下暗渠；探測(cè)

0引言

隨著城市道路的發(fā)展，很多明渠被掩埋在地下成為了城市地下排水管網(wǎng)的一部分。由于年代較遠(yuǎn)、資料缺失，無(wú)法知道地下暗渠的布設(shè)，不能為城市汛期防汛提供可靠的排水管網(wǎng)資料，或容易造成在建工程施工時(shí)對(duì)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(wǎng)管理部門和城市建設(shè)規(guī)劃部門提供相關(guān)資料[1]。

傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)法對(duì)金屬管線敏感，對(duì)非金屬管線的適應(yīng)性差。探地雷達(dá)可應(yīng)用于地下暗渠等非金屬管線探測(cè)，而且具有明顯的優(yōu)勢(shì)。探地雷達(dá)具有高分辨率、快捷、無(wú)損并能實(shí)時(shí)顯示地下圖像，準(zhǔn)確定位地下目標(biāo)物的優(yōu)點(diǎn)[2]。

1技術(shù)方法

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

探地雷達(dá)在地下暗渠探測(cè)中的應(yīng)用前提是，暗渠與周圍媒質(zhì)的電磁性參數(shù)存在明顯差異。暗渠除了上面蓋板材質(zhì)與周圍介質(zhì)存在一定差異外，更主要的是暗渠內(nèi)部媒質(zhì)如水、空氣等與周圍媒質(zhì)電磁性差異更大。電磁波在媒質(zhì)中的傳播特性反映了地下媒質(zhì)的物性差異。根據(jù)探地雷達(dá)儀器接收到反射波的雙程旅行時(shí)間、信號(hào)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(jù)雷達(dá)剖面圖中暗渠異常在測(cè)線上的位置確定，而到測(cè)線的垂直距離為[4]：

(1)

式中：d為目標(biāo)體到測(cè)線的垂直距離，m；V為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/ns；T為記錄的反射電磁波雙程走時(shí)，ns；X為發(fā)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(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，其取值可參照表1[4]。

表1　幾種常見介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

圖1　探地雷達(dá)工作原理圖

2數(shù)值模擬

探地雷達(dá)的數(shù)值模擬是研究電磁波在介質(zhì)中傳播路徑和傳播規(guī)律的有效手段，數(shù)值模擬結(jié)果的圖像特征對(duì)于提高探地雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋的準(zhǔn)確性具有重要的意義[5]。目前探地雷達(dá)數(shù)值模擬較為成熟的分析計(jì)算方法為時(shí)域有限差分法。時(shí)域有限差分法是在時(shí)域計(jì)算電磁場(chǎng)的一種數(shù)值方法，它從含時(shí)間變量的兩個(gè)Maxwell方程出發(fā)，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(dá)電磁波傳播以及與介質(zhì)相互作用的過(guò)程[6-8]。

假設(shè)探地雷達(dá)探測(cè)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(duì)介電常數(shù)εr為12.0，電導(dǎo)率σ為0.1S/m，相對(duì)磁導(dǎo)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(biāo)為(2.5,2.8)，右上角坐標(biāo)為(4.5，2.5)，相對(duì)介電常數(shù)εr為7.0，電導(dǎo)率σ為0.005S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr為1.0；空氣層左下角坐標(biāo)為(2.5,3.0)，右上角坐標(biāo)為(4.5,2.8)，相對(duì)介電常數(shù)εr為1.0，電導(dǎo)率σ為0.0S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr為1.0；水層左下角坐標(biāo)為(2.5,4.0)，右上角坐標(biāo)為(4.5,3.0)，相對(duì)介電常數(shù)εr為80.0，電導(dǎo)率σ為0.05S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr為1.0。

探地雷達(dá)數(shù)值模擬時(shí)，選擇Ricker子波作為激勵(lì)源，設(shè)置100MHz中心頻率的天線，時(shí)窗長(zhǎng)度為160ns，天線間距1.0m，步距0.1m，測(cè)線從1.0m到6.0m且垂直于暗渠走向，共采集51道，采用matlab語(yǔ)言進(jìn)行編程，數(shù)值模擬結(jié)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(dá)剖面圖上的圖像特征為：中間表現(xiàn)出一個(gè)近似直線的反射信號(hào)，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(duì)介電常數(shù)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(fā)射天線與接收天線之間的距離X為1.0m。探地雷達(dá)模擬剖面圖上暗渠蓋板電磁波反射雙程走時(shí)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(dá)模擬剖面圖

3工程應(yīng)用

圖4為探地雷達(dá)在市政道路下暗渠探測(cè)中的應(yīng)用。根據(jù)場(chǎng)地環(huán)境和探測(cè)目的選用100MHz天線進(jìn)行探測(cè)。儀器的采集參數(shù)如下：時(shí)窗長(zhǎng)度160ns，天線間距1.0m，步距0.1m，疊加次數(shù)16次，里程計(jì)觸發(fā)。

圖4中異常區(qū)域圖像中間表現(xiàn)出一個(gè)近似直線的反射信號(hào)，兩端各為半支下開口的拋物線，與圖3中探地雷達(dá)模擬圖中地下暗渠的圖像特征一致，所以圖4中異常區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)物地下暗渠。從圖4中可知，地下暗渠位于測(cè)線3.5m至6.4m，暗渠蓋板電磁波反射雙程走時(shí)約為34ns，而天線間距為1.0m，根據(jù)表1并結(jié)合場(chǎng)地經(jīng)驗(yàn)假定電磁波傳播速度為0.087 m/ns(相對(duì)介電常數(shù)取12)，代入公式(1)，可知蓋板埋深約為1.4m，與現(xiàn)場(chǎng)開挖情況基本符合。

圖4　探地雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面圖

4結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，越來(lái)越受工程界的青睞。文中根據(jù)濕粘土中埋設(shè)暗渠的地電模型，采用FDTD法模擬探地雷達(dá)探測(cè)地下暗渠。從模擬結(jié)果雷達(dá)剖面圖可知，界面反射的中間表現(xiàn)出一個(gè)近似直線的反射信號(hào)，兩端各為半支下開口的拋物線，與表現(xiàn)為向下開口呈傘形狀拋物線的圓形管道有所區(qū)別。探地雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面圖中地下暗渠的圖像特征與模擬結(jié)果相似，說(shuō)明探地雷達(dá)在地下暗渠探測(cè)中的應(yīng)用是可行的。

在地下暗渠探測(cè)應(yīng)用中，為了較為精準(zhǔn)地定位地下暗渠的平面位置，可采用里程計(jì)現(xiàn)場(chǎng)定位，探測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)雷達(dá)剖面圖上的異常信號(hào)，通過(guò)里程計(jì)的前進(jìn)或后退功能定出地下暗渠在測(cè)線的位置，再結(jié)合雷達(dá)剖面圖中目標(biāo)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(xiàn):

[1]陳軍，趙永輝，萬(wàn)明浩． 地質(zhì)雷達(dá)在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用[J]．工程地球物理學(xué)報(bào)，2005，2(4)：260-263.

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

[3]吳寶杰，張莉，楊樺，等．探地雷達(dá)在基坑流砂掏空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用[J]．工程地球物理學(xué)報(bào)，2007，4(5)：425-429.

[4]張順東，方成，黃圣棕．地質(zhì)雷達(dá)在樁底巖溶探測(cè)中的應(yīng)用[J]．地震地磁觀測(cè)與研究，2005，26(4)：103-106.

[5]曾昭發(fā)，劉四新，王者江，等．探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2006.

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

[7]戴前偉，馮德山，王啟龍，等． 時(shí)域有限差分法在地質(zhì)雷達(dá)二維正演模擬中的應(yīng)用[J]．地球物理學(xué)進(jìn)展，2004，19(4)：898-902.

[8]喻振華，馮德山，戴前偉，等．復(fù)雜地電模型的探地雷達(dá)時(shí)域有限差分正演[J]．物探化探計(jì)算技術(shù)，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(jiǎn)介：胡曉(1982-)，男，浙江定海人，工程師，E-mail：173958346@qq.com。

中圖分類號(hào):TU992

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

文章編號(hào)：1671-234X(2016)01-0026-03