聲波振動(dòng)式非金屬燃?xì)夤芴綔y(cè)方法研究及應(yīng)用

葉 輝，楊永龍，張 超，閆海濤

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430100)

1 引 言

聚乙烯(Polyethylene,PE)管材由于施工方便,抗腐蝕和環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于中、低壓城鎮(zhèn)燃?xì)廨斔椭?。由于歷史原因，早期敷設(shè)的PE管道大部分缺少竣工圖紙或圖紙標(biāo)識(shí)的地面參照物發(fā)生改變,造成無(wú)法獲知地下管線的準(zhǔn)確位置[1-3]。這給市政建設(shè)施工及燃?xì)夤具\(yùn)營(yíng)管理和安全維護(hù)等帶來(lái)了很大的困難,給城市安全帶來(lái)很大的隱患，直接開(kāi)挖費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如何快速、準(zhǔn)確、方便地探查PE管線這是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的管線探測(cè)技術(shù)來(lái)看，地下金屬管線的探測(cè)技術(shù)已趨于成熟,目前主要采用電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行探測(cè)，基本能解決金屬燃?xì)夤艿蓝ㄎ粏?wèn)題[4-7]。然而，非金屬的PE管線不導(dǎo)電也不導(dǎo)磁，采用傳統(tǒng)的金屬管線探測(cè)儀器難以對(duì)其進(jìn)行有效探測(cè)[8，9]。近些年來(lái)，城市化建設(shè)步伐的加快，因第三方施工挖斷挖爆燃?xì)夤艿赖氖鹿暑l繁發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)很大的危害，造成的社會(huì)影響非常惡劣[10，11]。因此，非金屬燃?xì)夤艿赖奶綔y(cè)工作成為眾多物探技術(shù)人員工作的熱點(diǎn)。熊俊楠等[12]通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)法探明了燃?xì)夤艿赖钠矫嫖恢?、埋深，并指出使用探地雷達(dá)探測(cè)PE管道時(shí)，管道直徑與埋深之比大于0.1是比較合適的探測(cè)范圍。曹震峰[13]采用示蹤線法對(duì)PE燃?xì)夤艿肋M(jìn)行有效探測(cè)，準(zhǔn)確獲取PE管道的平面位置及埋深。白雪峰[14]用磁梯度法對(duì)大埋深燃?xì)夤艿肋M(jìn)行探測(cè)，能夠較準(zhǔn)確地獲得管道空間位置。王鵬飛等[15]用慣性陀螺儀定位技術(shù)和全站儀進(jìn)行模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示吻合度非常高。上述方法的應(yīng)用條件相對(duì)來(lái)說(shuō)比較苛刻，很難對(duì)某一區(qū)塊的地下燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行全覆蓋式探測(cè)。譬如，地質(zhì)雷達(dá)法要求探測(cè)地表較平整，探測(cè)的周邊環(huán)境無(wú)強(qiáng)電、磁干擾等，在多條管道并排時(shí)無(wú)法進(jìn)行分辨。基于電磁感應(yīng)法的管線探測(cè)儀僅適用于敷設(shè)有完整示蹤線的PE燃?xì)夤艿?。磁梯度法是以目?biāo)管線與周?chē)橘|(zhì)的磁性差異為基礎(chǔ)，該方法抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)精度高；但其理論不夠完善，缺乏定量分析方法，施工繁瑣，工期過(guò)長(zhǎng)，通常作為驗(yàn)證手段用以評(píng)價(jià)其他方法的有效性。慣性陀螺儀定位方法需要割開(kāi)管道兩端，成本非常高，不適宜開(kāi)展大范圍的探測(cè)定位工作。聲波振動(dòng)式探測(cè)方法的出現(xiàn)很好地解決了上述難題[16，17]。該方法前期準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單，不影響管網(wǎng)的正常運(yùn)行，由于聲波信號(hào)只在燃?xì)夤艿赖膬?nèi)部傳播，探測(cè)時(shí)是通過(guò)地面強(qiáng)音量區(qū)判斷管道位置，因此，多種管道并排時(shí)幾乎不會(huì)發(fā)生誤判；與傳統(tǒng)地質(zhì)雷達(dá)法相比，其效率更高，成本更低。本文基于聲學(xué)理論公式推導(dǎo)分析了管道中聲波傳播特性，為聲波振動(dòng)式探測(cè)方法及儀器的實(shí)際應(yīng)用提供了指導(dǎo)。本次研究以武漢市江夏區(qū)燃?xì)釶E管道探測(cè)項(xiàng)目為例,采用聲波振動(dòng)式探測(cè)方法探測(cè)該區(qū)非金屬的PE燃?xì)夤艿?，通過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證分析探測(cè)成果的精度，驗(yàn)證了該方法及儀器設(shè)備的準(zhǔn)確性及適用性。

2 探測(cè)原理及分析

2.1 探測(cè)原理

聲波振動(dòng)式管道探測(cè)法的基本原理是：通過(guò)音頻振動(dòng)器在燃?xì)夤艿纼?nèi)部產(chǎn)生很強(qiáng)的聲波信號(hào)，信號(hào)沿管道定向傳播至遠(yuǎn)端，該信號(hào)在管道壓力氣體中定向傳播的同時(shí)，通過(guò)管壁土壤傳播至地面；此時(shí)信號(hào)接收機(jī)在地面上捕捉該聲波信號(hào)，通過(guò)接收到的強(qiáng)音量區(qū)判斷管道的平面位置(圖1)。

圖1 聲波振動(dòng)式燃?xì)夤艿捞綔y(cè)原理Fig.1 Detection principle of acoustic wave vibration gas pipeline

2.2 管道中的聲波

2.2.1 傳播形式

管道中聲波的特點(diǎn)是聲波被約束在管道內(nèi)，傳播距離很遠(yuǎn)。例如：船艙內(nèi)管道的傳聲、隧道內(nèi)車(chē)輛發(fā)動(dòng)的聲音、隧道里的風(fēng)機(jī)噪聲都可以傳播到很遠(yuǎn)的距離。雖然燃?xì)夤苤械穆暡ㄝ^為復(fù)雜，但是可以基于聲學(xué)理論公式推導(dǎo)分析理想條件下燃?xì)夤艿纼?nèi)部的聲波傳播特性，對(duì)該復(fù)雜問(wèn)題做出合理的推斷。

圖2 燃?xì)夤艿览硐肽Ｐ虵ig.2 Ideal model of gas pipeline

輸氣管道內(nèi)理想流體介質(zhì)中聲波平面波[17,18]的表達(dá)式為

p(x)=p0ej(ω t-kx)

(1)

式中:p0為初始聲壓振幅,單位dB;ω為角頻率,單位rad/s，ω=2πf;k為波數(shù)或者傳播常數(shù),單位m-1。

在管內(nèi)可以產(chǎn)生理想的平面波, 聲壓解為

pmn=Ammcos(mθ-φm)Jm(kmnr)ej(ω t-kzz)

(2)

Pmn=Amnej(ω t-kz)

(3)

通過(guò)對(duì)比式 (3) 與式 (1) 可得，(0,0) 波即為沿管軸直線傳播的一維平面波模式，稱之為主波,除 (0,0) 次以外的波稱為高次波。只有當(dāng)聲源的激發(fā)頻率大于管中某一簡(jiǎn)正頻率fmn時(shí), 才會(huì)在管內(nèi)激起對(duì)應(yīng)的(m,n) 次波, 其中

(4)

式中：r為管道半徑, 單位m;c0為傳播速度，單位m/s;kmn為波數(shù),單位m-1。因此，當(dāng)聲源頻率低于管道中的激發(fā)頻率時(shí),管內(nèi)聲波都以平面波的形式傳播。

(5)

根據(jù)式(5),對(duì)于實(shí)際城鎮(zhèn)中、低壓天然氣管線,分別計(jì)算其平面波的截止頻率,得到表1。

從表1可知，只要發(fā)射頻率低于772.5 Hz，聲波以平面波形式傳播。實(shí)際上，在實(shí)際應(yīng)用中，為了使信號(hào)較好的傳播至遠(yuǎn)端的地面，發(fā)射信號(hào)頻率一般控制在300～600 Hz之間。

2.2.2 管道中聲波的衰減

聲波在管中的衰減由多種因素引起，主要有氣體的黏滯運(yùn)動(dòng)、燃?xì)夤艿膹澱?、分支、管徑的變化、管壁的振?dòng)等[19,20]。在長(zhǎng)直的輸氣管道中，主要考慮氣體的黏滯運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的聲音衰減。在圖3的模型中，輸氣管道內(nèi)中聲波衰減系數(shù)[20,21]，α可以表示為

(6)

式中：r為管道半徑,單位m；ρ為初始流場(chǎng)的不可壓縮流體密度，視為常數(shù)，單位kg/m3；ω為聲波的角頻率，rad/s；μ為氣體的切變黏滯系數(shù)，單位為N·s/m2。

從式(6)可知，聲波在管中的衰減與管道半徑r成反比，管徑越小衰減越快；同時(shí)衰減與聲波頻率的平方根成正比，頻率越高衰減越快。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，為了保障聲波信號(hào)傳播的足夠遠(yuǎn)，發(fā)射到燃?xì)夤軆?nèi)的聲信號(hào)頻率不宜過(guò)高；對(duì)于大管徑、硬質(zhì)路面，聲波信號(hào)衰減相對(duì)較慢，地面強(qiáng)信號(hào)區(qū)范圍較大，難以追蹤，可考慮降低發(fā)射信號(hào)功率和提高發(fā)射信號(hào)頻率，縮小強(qiáng)信號(hào)區(qū)域范圍，便于管道位置的追蹤；對(duì)于小管徑、埋深大的管道，地面信號(hào)較弱，宜根據(jù)情況及時(shí)提高發(fā)射信號(hào)功率或降低發(fā)射頻率，增強(qiáng)地面聲波信號(hào)辨識(shí)度，方便追蹤管道位置。

4 案例分析

4.1 工區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于武漢市江夏區(qū)，工區(qū)內(nèi)人行道及綠化帶分布燃?xì)夤艿?、給水管、通信電纜、雨水管和污水管等各種材質(zhì)管道。該工區(qū)內(nèi)的燃?xì)夤艿谰鶠镻E材質(zhì)，前期均未敷設(shè)示蹤線，埋設(shè)深度1.0～2.8 m；地表情況大多是表層人工填土,主要由瀝青路面、水泥路面、碎石路基、黃土組成。顯然，采用常規(guī)的地質(zhì)雷達(dá)及管線探測(cè)儀器探測(cè)難以識(shí)別,另外一些干擾源對(duì)管線的探測(cè)精度也有很大影響,這些干擾主要來(lái)自于水泥路面的鋼筋網(wǎng)、路中及路邊的鐵柵欄、鐵質(zhì)的廣告牌、人行道旁的架空電力線、管線間的相互干擾、正在施工的電器、地表人工填土中的鐵質(zhì)雜物及來(lái)往穿梭的汽車(chē)等。為了查明該區(qū)PE材質(zhì)燃?xì)夤艿赖叵驴臻g位置，采用聲波振動(dòng)式管道探測(cè)儀器進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行了驗(yàn)證。

4.2 探測(cè)設(shè)備

本項(xiàng)目采用中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司自研的CSPD-21型燃?xì)夤艿捞綔y(cè)儀器開(kāi)展試驗(yàn)工作，儀器照片如圖3所示。儀器由聲波信號(hào)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，音頻振動(dòng)器通過(guò)燃?xì)夤艿赖拈y井放散口、法蘭等固件連接，向管道內(nèi)施加聲波信號(hào)。發(fā)射機(jī)控制器可調(diào)節(jié)信號(hào)頻率、功率大小及聲波振動(dòng)方式。發(fā)射機(jī)信號(hào)頻率范圍100～1 000 Hz，功率大小由 5～50 W 可調(diào)節(jié)，聲波振動(dòng)方式有正弦波、方波、變頻模式三種。信號(hào)接收機(jī)由手持機(jī)、高靈敏度拾音探頭和耳機(jī)等組成，拾音探頭通過(guò)高靈敏的加速度傳感器拾取到的微弱振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波、時(shí)頻分析、相關(guān)處理。處理后的信號(hào)分為兩路，一路通過(guò)手持機(jī)上的液晶屏顯示信號(hào)的相對(duì)振幅強(qiáng)度和頻譜特征，另外一路轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)供技術(shù)人員定量分析判斷管道位置。

對(duì)于管道的埋深，首先確認(rèn)出管道的準(zhǔn)確平面位置，然后記錄正上方及旁邊30～50 cm處的振動(dòng)信號(hào)波形，接著對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波、時(shí)頻分析、自相關(guān)等處理后通過(guò)手持機(jī)上的智能深度計(jì)算模塊進(jìn)行定量分析，最后用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系函數(shù)校正得到管道的參考埋深。

4.3 成果分析

驗(yàn)證管線探測(cè)方法及設(shè)備的實(shí)用性及精確性，最直觀、最有效的辦法是開(kāi)挖驗(yàn)證。為了使數(shù)據(jù)精度分析具有較高的可信度和統(tǒng)計(jì)意義，從探測(cè)確定的PE管道點(diǎn)位中隨機(jī)選取20處作為探測(cè)精度分析的樣本。開(kāi)挖后分別量取了各點(diǎn)位相對(duì)固定參照物的探測(cè)距離、開(kāi)挖距離、探測(cè)埋深、開(kāi)挖埋深,并以此結(jié)果作為精度分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 開(kāi)挖點(diǎn)照片F(xiàn)ig.4 Excavation point photo

由表2和圖5分析可知，20組的探測(cè)數(shù)據(jù)與開(kāi)挖數(shù)據(jù)對(duì)比，探測(cè)點(diǎn)的平面差在0.06～0.24 m，高程差在0.07～0.21 m。探測(cè)點(diǎn)與開(kāi)挖點(diǎn)的水平差及深度差均未超過(guò)0.30 m，完全滿足城市建設(shè)施工及燃?xì)夤驹诤笃诠芫W(wǎng)維護(hù)中的精度需求。另外，根據(jù)《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程(CJJ61-2017)》對(duì)表1的數(shù)據(jù)按照公式計(jì)算隱蔽管線點(diǎn)探查平面位置中誤差mts、埋深中誤差mth：

表2 探測(cè)點(diǎn)與開(kāi)挖點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比

圖5 探測(cè)點(diǎn)與開(kāi)挖點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)較差值對(duì)比Fig.5 Comparison between coordinate data of probe point and excavation point

通過(guò)計(jì)算得出：mts=0.090 m≤0.10h，mth=0.097 m≤0.15h。由該數(shù)據(jù)分析可知，本次試驗(yàn)采用的聲波振動(dòng)式燃?xì)夤艿捞綔y(cè)方法及設(shè)備滿足規(guī)范的要求，在實(shí)際的PE燃?xì)夤芫€探測(cè)工作中可以采用該方法及設(shè)備開(kāi)展大范圍的探測(cè)定位工作。

5 結(jié)論與討論

通過(guò)分析當(dāng)前城鎮(zhèn)燃?xì)釶E管道的特殊性及主要的PE管道的探測(cè)定位方法，重點(diǎn)介紹了聲波振動(dòng)式探測(cè)方法的原理，并借助聲波理論公式推導(dǎo)簡(jiǎn)單燃?xì)夤艿滥Ｐ椭新暡ǖ膫鞑ヌ匦约耙?guī)律，為實(shí)際應(yīng)用工作提供指導(dǎo)，最后通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證了該方法的水平及深度精度誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明，聲波振動(dòng)式管道探測(cè)法操作簡(jiǎn)單、高效、準(zhǔn)確、成本低，是當(dāng)前開(kāi)展城鎮(zhèn)中壓、低壓燃?xì)夤艿捞綔y(cè)工作的理想方法。

相比傳統(tǒng)的PE燃?xì)夤艿捞綔y(cè)方法，聲波振動(dòng)式管道探測(cè)法雖然具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是，在實(shí)踐中，該方法及設(shè)備存在以下方面需要改進(jìn)和完善的地方：

1)對(duì)于超長(zhǎng)距離的、超大埋深的燃?xì)夤艿?，由于衰減導(dǎo)致拾取的信號(hào)較弱甚至無(wú)法接收到有效信號(hào)，因此有必要進(jìn)一步開(kāi)展研究，如可否通過(guò)盡可能提高發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，以提升探測(cè)深度及距離；

2)對(duì)于深度計(jì)算，是依靠經(jīng)驗(yàn)關(guān)系統(tǒng)計(jì)推斷，雖然能夠基本滿足實(shí)際需求，但是還缺少完善的理論基礎(chǔ)，建議開(kāi)展相關(guān)的理論研究，進(jìn)一步提升參考深度的準(zhǔn)確率。