利用地质雷达探测地下暗沟的应用

刘文伍，郭江宁，林海

(南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏南京 210005)

1 引言

城市道路发展的需要，对原有的许多明沟、支流采用盖板沟等形式进行了掩埋使之成为城市地下排水管网的一部分。由于历史原因目前缺乏详细的改造竣工资料，致使城市综合地下管线信息系统在此方面的信息缺失，无法为城市汛期防汛提供准确可靠的排水管网数据。因此，探明城市地下暗沟(渠)状况非常重要。

地质雷达是一种对地下或结构体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。地质雷达以其探测的高分辨率和高效性，被广泛地应用于地下设施的探查工作。将地质雷达应用于地下暗沟(渠)的探测中，可以很大程度上解决此类疑难问题。

2 地质雷达工作原理和方法

在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号形成雷达波，并直接馈给发射天线，经由发射天线耦合到地下的信号在传播路径上遇到介质的非均匀体(面)时，产生反射信号。位于地面上的接收天线在接收到地下回波后，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，如图1所示。经事后处理，可用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数。接收天线接收到反射波，测出反射波的入射、反射双向走时，就可计算出反射波走过的路程长度，从而求出天线距反射面的距离d:

式中:d为天线到反射面的距离(cm);△t为雷达波的双程走时(ns);V为雷达波的传播速度(cm/ns)。

式中:X为两天线的间距;Z为反射点的法线深度;V为电磁波在地下介质中的波速。

对于介质中雷达波的传播速度，可近似由:

式中，C0为雷达波在空气中的传播速度(340 m/s)，ε为介质相对介电常数。

图1 电磁波遇到地下物体后的反射示意图

图2 探地雷达记录的回波曲线示意图

3 地下暗沟(渠)的反射图像特点

在探测地下暗沟(渠)的过程中，采用地质雷达勘探的方法，利用混凝土或块石介质与其周围黏土介质的物性差异较大，电磁波在介质交界处发生绕射和反射，同相轴发生错断，进而确定排洪渠边界，暗沟(渠)与周边介质的差异性表现在:

(1)由于暗沟(渠)外层为砼结构，在盖板上会有均匀排列的钢筋网，钢筋网会表现出均匀的管径较小的金属管线反射图像;即出现极性反转，无多次反射的均匀排列的弱信号;

(2)暗沟渠顶部大多是平面的砼结构，在雷达波反射上能表现出一个较平整的平面反射信号，与地下空洞及其他地下管线有较明显的不同。

4 工程实例

为了有效验证地质雷达在探查地下暗沟(渠)的可靠性，我们根据现有地下暗沟(渠)的资料利用地质雷达进行探测。

选用地质雷达主要技术参数如表1所示。

选择一段已被覆盖在市政道路下的地下暗沟进行本次试验。此段暗沟是城市汛期主要排水通道之一，其埋深和周边管线的复杂性在城市市政道路中具有一定的代表性。根据目前掌握的该盖板沟的资料表明顶部埋深约50 cm，暗沟所在地段路面下有自来水、煤气和电缆沟槽，但暗沟周边相对干扰较少。本实验采用400 M和100 M天线独立探测两次，并与已知地下管线资料进行比较。实验结果如图3所示。

地质雷达主要技术参数表 表1

图3

图4 现有地下管线资料

通过400 M天线探测资料可以看到暗河顶板界面非常清晰，两个肩部之间有连续小反射峰线，符合金属类介质反射图形演示，认为界面内可能含有钢筋等目标，两个边界特征非常明显(半支双曲线);深度约15 ns。同时两边深部管道信号也是非常标准，典型双曲线形态;深度约40 ns。与图4资料情况相符合。

通过100 M天线探测资料可以看出地下暗沟的探测结果与400 M探测结果相一致。埋设较浅的煤气管线信号也与400 M探测结果相吻合，100 M对埋设相对较深的道路中部的排水管线受浅层干扰信号影响无明显回波反映。

5 结论

根据地质雷达探测的能力，可以较为准确地在现场确定地下暗沟(渠)位置，并能够准确标注其位置。因为，地质雷达探测地下暗沟(渠)的效率高、准确、无损伤并能实时以图像的形式展示地下结构，适合在城市各种场合使用。但由于雷达波受地下水等介质影像较大，为了保证地质雷达的使用范围需进一步研究。地质雷达必将成为完善城市排水管网的较有效的工具。

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