探地雷达探测地下管道图像的定性研究

刘传逢

(1.中国地质大学地球物理与空间信息学院，湖北武汉 430074； 2.武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

探地雷达探测地下管道图像的定性研究

刘传逢1，2∗

(1.中国地质大学地球物理与空间信息学院，湖北武汉 430074； 2.武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

通过对生产实践中积累的不同管道材料、不同形状及不同充填条件下地下管道探地雷达图像的分析研究，总结了上述情形地下管道的探地雷达图像特征，总结对探地雷达地下管线探测资料进行定性解释的基本规律，以期对地下管道的性质及运行状况给出参考意见。

探地雷达；管道材料；充填条件；图像；定性解释

1 前 言

管线探查过程中经常遇到不明管线(道)，无出露点且难以查询其历史资料，管线仪感应有信号或者探地雷达图像有所反应，但我们对其是何种管线、是否在用难以做出判断。本文通过在武汉市的生产实践，对不同材质、不同形状及不同充填条件下地下管道探地雷达图像的分析研究，总结出一些图像规律，期望能够对不明管道的材质、形状甚至充填物作出解释，进而对管道运行状况给出参考意见。

2 排水管道或箱涵雷达图像特征

2.1 排水管道

排水管道材质多为砼，少量压力管材质为铸铁，内充填情况可分为空管、半充填雨污水、充满雨污水(多为压力管)3种情况，其雷达探测图像与管道材质、充填物状态均有关系。

(1)内空或有少量水砼管

后官湖大道两根并排排水管道管径分别为800 mm、1 000 mm，检修井中发现800 mm排水管道已封堵且内空，管顶埋深1.5 m，1 000 mm雨水管道在用(天晴时有很少量水)，管顶埋深 1.6 m。为验证1 000 mm管道准确走向，使用250MHz天线在后官湖大道快车道布设雷达测线，图 1雷达图像显示在11.7 m、14.5 m位置为两大口径管道异常，管顶埋深约1.5 m，与1号井中调查情况相符，推断为上述管径800 mm及1 000 mm雨水管道。

雷达探测图像特点:两管异常双曲线特征明显，反射波振幅较强，有管道的顶、底反射外，并存在多次反射现象。反射介面分别在 1 m及 2 m附近，其间距与管径较吻合。

图1 内空或有少量水砼管雷达图像

(2)内充满污水排水管

图2为鲁巷广场附近珞喻路北侧慢车道管径1 000 mm排水管道雷达探测图像。该管道内充满水难以看清走向，为查明该管道走向与埋深，尽量在垂直管道走向布设雷达探测剖面，波速选择100 ns/m。雷达剖面图显示平面 2.36 m，深度 1.28 m，直径为1 000 mm的排水管道。

图像特征:同相轴错段明显，异常双曲线特征明显，由于管道内充满水，电磁波吸收强，因此未见管底反射，未见多次波反射。

图2 内充满污水排水管雷达图像

2.2 排水箱涵雷达图像特征

排水箱涵多为砖混结构，多为半充水状态。图3为新华路民生大楼前雷达探测图像，现场采用250 MHz天线探地雷达探查。雷达图像显示平面位置在3.9 m～7.8 m间有两明显弧形异常，推断为两孔排水箱涵管道。紧邻排水箱涵右侧，埋深约2.5 m，同相轴断裂，有一明显排水箱涵异常，水平位置分别7.75 m、9.56 m处有明显边界绕射波现象。

综合雷达探查结果及收集资料情况，确认了现场并排分布有两排水箱涵，一条为中间有隔离墙排水箱涵，另一条为单孔排水箱涵。

图3 排水箱涵雷达图像

图像特征:异常平缓边界处电磁波绕射现象明显，多次反射波现象明显，可见箱涵底部反射。

3 给水管道探测

给水管道内充填情况只有充满自来水一种情况，其雷达探测图像随管道材质不同而各异。

3.1 充满自来水铸铁管雷达探测图像特征

充满自来水砼管雷达探测有较明显反映，混凝土(管壁材料)介电常数6.4，反射系数－0.22～0.21，反射系数较小，有多次反射现象，但因管内水电磁波吸收系数较大，所以多次反射现象微弱。图4为玫瑰园西路1 200 mm给水管(250 MHz天线)雷达探测结果。显示在平面位置 2.83 m深度为1.05 m是一条直径为 1 200 mm的给水管道，材质为砼。图5(500 MHz天线)为赫山路400 mm给水铸铁管雷达探测结果显示在平面位置1.05 m深度为0.65 m是一条直径为400 mm的给水管道，材质为铸铁。图6为二七路上250 MHz天线雷达探测图像，左边3.2 m处异常为 400 mm自来水管，材质为铸铁，埋深约0.9 m。中间 3.2 m处异常为一条 1 000 mm自来水管，材质为砼，顶部埋深约为 1.0 m。右边异常为400 mm的天然气管，材质为PE，埋深大约为1.3 m。

图像特征:充满自来水铸铁管存在具备电磁波强反射的电性分界面，填土层介电常数2.6～15，金属管介电常数300，二者差异20倍～100倍，反射系数R＝－0.83～－0.63，电磁波遇到此电性分界面全反射，且反射波振幅很强，双曲线特征明显，无多次反射现象。另外铸铁管与砼管反射波同相轴反相。

图4 给水砼管雷达图像

图5 给水铸铁管雷达图像

图6 不同材质给水管雷达图像

3.2 充满自来水PE管道雷达探测图像特征

某测区已知位置(检修井)显示直埋电缆北侧0.5 m分布有直径为300 mm的给水PE管道，为验证其走向与埋深，布设两条垂直管道走向剖面。图7显示在平面位置 1.42 m双程走时 20 ns处是已知直埋电力，利用管线仪探测深度为0.95 m，据此推算波速为0.095 m/ns；在平面位置 1.93 m，深度为 1.55 m是直径为300 mm的给水PE管道。图8显示在平面位置4.38 m深度为0.98 m是直埋电力线，在平面位置5.07 m深度为1.5 m是直径为300 mm的给水PE管道。

图像特征:内充满自来水PE管道雷达探测双曲线特征明显，管壁反射振幅较金属管弱，管内自来水雷达波吸收强，仅见管顶反射，多次反射现象不明显。

图7 给水PE管雷达图像

图8 给水PE管雷达图像

4 天然气管道雷达图像特征

天然气电介质常数同空气为1，因此其管道雷达探测效果仅与管道材质有关，其材质分为球墨铸铁管、钢管、PE管3种情况，雷达探测图像球墨铸铁管、钢管相似，PE管图像与其不同。

4.1 金属管道探测

鲁磨路东侧管径200 mm天然气管道使用管线仪探测无信号，怀疑该管道材质为PE。使用地质雷达进行探测，图9雷达剖面图显示在平面位置 3.54 m，深度为0.9 m是一条直径为200 mm的天然气管道，异常双曲线特征明显，未见多次波反射现象，根据异常特征推断该管道材质为球墨铸铁管(电性连接差，管线仪探测信号很差)。

4.2 PE管道探测

在汉口胜利街与二耀路的交叉口有一材质为PE煤气管道，管径 400 mm，现场使用中心频率为250 MHz的天线进行探测。图10的雷达图像显示:煤气PE管在距起点3.75 m处，埋深约 1.55 m，双曲线尖锐且多次反射现象明显；距起点 7.9 m埋深约 2 m可见排水砼管异常，双曲线宽缓，管底界面反射明显。

天然气介电常数为1，管道内如同充满空气，电磁波可穿透管顶到达管底，因此可见多次反射现象。同时注意到，反射同相轴非金属管与金属管是反相的，如果非金属管是波峰—波谷—波峰的话，那么金属管是波谷—波峰—波谷，而且强度高。

图9 天然气钢管雷达图像

图10 天然气PE管雷达图像

5 实例反演

图11是付家坡天桥工程两条平行雷达探测图像，13.4 m处为漏测管线，异常特征:曲线较窄、振幅强、无多次波反射现象，推断为小管径给水管道。使用管线仪验证，感应探测信号强，连续追踪至一给水阀门井，管径150 mm。

图11 未知管道雷达图像

6 结 论

(1)由于金属管道相对于非金属管道有较大的反射系数，因此前者的反射异常更明显，波振幅能量大，显示出较粗宽的波形。金属管的相对介电常数一般较大，导电率极强，衰减比较大，因此金属管顶部反射会出现极性反转，无管底反射。而非金属管的介电常数一般较小，导电率小，衰减小，顶部反射极性正常，管底部反射同相轴明显。

(2)对非金属管而言，管内流动的物质不同，管线的波形特征不同，当管线内部充水时，在水界面发生极性反转，无多次反射波的出现；当管道内部为天然气时，对于非金属管线，则在记录图上常常会有多次反射波的出现。另外，同时由于水的衰减系数较大，故充水管的下界面的反射将明显减弱。

(3)管道的直径越大，反射弧的曲率半径越大，对非金属管而言，管顶部与管底部反射时间相差越大。

根据结论1可判断管道的材质，根据结论2可对管道内载体性质作出粗判，根据结论3可对管道的尺寸作出大概判断，掌握上述规律对于不明管道的性质推断将起到一定作用。以上观点属作者本人生产实践中总结的规律，不对之处期望同行指证。

[1]王惠濂.探地雷达目的体物理模拟研究结果.地球科学，1993(03)

Ground－penetrating Radar to Detect Underground Pipeline Images Qualitative Research

Liu ChuanFeng1，2
(1.China University of Geosciences Institute of Geophysics and Space Information，Wuhan 430074，China；2.Wuhan Institute of Survey and Design，Wuhan 430022，China)

This paper has accumulated on the production practice of different pipe materials，different shapes and different filling underground pipes under ground－penetrating radar image analysis and study，summarized above situation underground pipeline features of ground－penetrating radar images，summed up on the ground－penetrating radar to detect underground pipeline qualitative data to explain the basic rules with a view to the nature and operation of underground pipeline condition given reference.

ground－penetrating radar；Pipeline Material；filling；image；Qualitative interpretation

1672－8262(2010)03－144－04

P631

B

2009—12—31

刘传逢(1976—)，男，高级工程师，主要从事城市工程物探与地下工程测量技术工作。