探地雷达在电厂地下管线探测中的研究与应用

王睿东　胡永哲　徐东坡　李兵　高世明

摘要：地下管网是电厂基础设施的重要组成部分，但因其纵横交叉、情况复杂，且水、电、气分别归属不同的管理机构，使得管理信息孤立、更新困难、人工数据检索效率低，从而导致电厂地下设施建设、管理与维护困难极大。本文使用探地雷达作为检测工具，针对火电厂地下管网研究一种细观尺度的快速检测技术，打破探地雷达和管线检测之间的壁垒，通过客观、快速的检测手段，实现电厂地下管网快速检测，为数字电厂的建设提供技术支撑。

关键词：探地雷达;电厂地下管网;快速检测技术

引言

现在地下工程中，对地下管线资料整理分析的方法仍然主要采用的是二维的信息图纸，这些二维图纸只是对图形和地理符号的描述，并不能完整地加载其相关附加信息。一旦出现管线泄漏、第三方施工挖断管线等事故，所造成的经济损失不可估量。本项目的开展可为管理层降低决策风险，提高施工效率，规避挖断管线所造成的损失。

当前探地雷达主要应用于检测隧道的衬砌厚度、施工时塌方位置及处理情况、桥梁混凝土与钢筋情况等。近年来随着探地雷达技术的不断推广，开始逐步应用到市政地下管线检测方面，但是由于地质、结构复杂，形成的雷达波形千变万化，因此通常无法精确探测所有管线，且仅限于针对性施工条件下的管线定位与故障排查。本文结合探地雷达技术与传统土壤检测方法，从中观检测层面提出了一种快速检测土壤土体构型的方法。

1研究基础

1.1 电厂地下管网特性

当前对于地下管网主要采用人工管理方式，作为管理依据的文字档案及图形档案都存在纸介质上，数据和图纸是分离的，更新很困难，一致性难以保证;手工进行数据检索，由于数据量大，信息分散，检索效率很低，往往只能依赖具有一定实践经验或经历的工程、维护人员充任“活地图”，给电厂地下设施建设、管理与维护带来极大困难。另外由于地下管线的资料残缺不全、精度不高或与现状不符，造成在施工中时常发生挖断或挖坏地下管线，由此造成事故的直接与间接经济损失不可估量。

目前地下管网的可视化应用还处于初步探索阶段，要实现更高效、更精细的地下综合管线三维可视化建模方法，需要建立更多的新的系统族模型，以及高配置的电脑来建模。但随着信息化的发展和数字地球的推广，可视化学习型建模技术在地下工程的应用将会越来越多，该技术在地下工程的應用也将渐渐走向成熟，将使电厂建设更加智能化。

1.2 探地雷达原理

探地雷达是以电磁波传播理论为基础，通过发射天线发射超高频短脉冲电磁波在地下介质中向不同方向传播，若电磁波遇到由路基含水量增加、疏松湿软、脱空、潜水面或地下管线等引起的介电差异的分界面时，便发生反射、绕射和透射等现象，其雷达回波被接收天线所接收，然后在主机中记录，根据接收到的雷达反射波的波形、振幅强度、相位特征及双程走时等参数，对上述参数进行分析后便可推测出地下介质的分布、介电性质、埋深及结构特征等。

探地雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线（Tx）组成。发射天线以60°～90°的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端显示出来。且雷达的电磁波频率越高，探测深度越浅，探测精度越高;频率越低，探测深度越深，探测精度越低。

探地雷达数据处理的目标是压制随机的和有规律的干扰，以最大可能分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用的参数（电磁波速度，振幅和波形等）来帮助解释。探地雷达依靠脉冲回波信号，其子波长度都由发射源控制。脉冲在地下传播过程中，能量会产生球面衰减，也会由于介质对波的能量的吸收而减弱，在地下介质不均时还会发生散射、反射与透射。但稳定的干扰经过后期的校正零偏、FIR滤波、IIR滤波和背景消除等技术处理后，不会对土体构型分析造成较大的影响。探地雷达工作原理如图1所示。

2 研究方法

2.1数据分析

TDR （ Time domain reflectometry），名为即时域反射技术，是雷达探测技术的一种应用，是根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的传输时间的不同，而得出被测物的介电常数。可用以直接测量土壤或其他介质的介电常数。

电磁波在介质中传播的速度与介质的介电常数的平方根成反比，可用以下公式表示：

式中：C为电磁波在介质中的传播速度;C为真空中的电磁传播速度3x108m/s）;ε为介质的介电常数;μ为介质的磁导率，在无磁介质中，μ=1。

TDR脉冲源发射出一个电压的阶梯状高频脉冲信号，沿着土壤中的探针（长度为l）传播，部分能量在探针末端反射，形成TDR反射信号，可通过计量传播时间t，求得电磁波的传播速度C（见式2），得出介质的介电常数μ。

2.2实验验证

2.2.1敏感性实验的研究验证

在电厂实地勘测的基础上，以测试基础数据为依托，对不同管线类别及埋藏深度设定实验室模拟指标，测试并验证单一探测技术对不同管线的针对性与敏感度。

2.2.2提出采集设备的功能、精度等要求

通过实验室测试，验证该电厂地下管网智慧探查系统的敏感性、可行性和可靠性，对采集设备的功能、精度提出要求，从而达到对地下管网准确探查的目的。

2.2.3综合集成勘测技术研究

电磁感应法、探地雷达法、高密度电阻率法、声学探测法可分别完成对不同性质管线的精确探测，在此基础上研究地下管网的综合集成勘测技术，建立电厂多种类地下管网关联拓扑关系检测系统，该系统由探测模块、分析模块、输出模块组成。通过将勘测车辆在行驶过程中采集到的信息实时传回到数据分析计算机，根据实时数据将雷达采集到的信号通过计算分析，转化为地下管网的布局资料。

3 结论与展望

本文采用探地雷达作为探测工具，结合地下管网的精度需求，对通过电磁感应法、探地雷达法、高密度电阻率法、声学探测法等不同方法检测数据的精度、尺度进行归一化的研究确认，并解决各检测仪器间的相互干扰问题，保证数据源的真实性和可靠性。电厂地下管线探测技术的研究，通过掌握管网的外部形状、地理位置、管网之间的相互影响等信息，可以形成对新建管线走向、深度等的约束条件，并提供维护相关管线的决策依据，为更安全、合理的解决方法和预案奠定数据基础。

参考文献

[1]刘传奇，李青，闫子壮，等.探地雷达对常见目标体的探测与识别[J].科技通报，2019，35（01）：66-70

[2]崔喜红，陈晋，沈金松，等.基于探地雷达的树木根径估算模型及根生物量估算新方法[J].中国科学：地球科学，2011，41（2）：243-252.

[3]Arias，P，Prego，et al.Assessing the Applicability of Ground-Penetrating Radar to Quality Control in Tunneling Construction[J].Journal of Construction Engineering & Management，2016.

作者简介：王睿东，男，1974年10月，汉族，内蒙古赤峰市，高级工程师，从事火力发电企业管理工作。