張恩澤，歐元超，李建寧，汪振興

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001）

應(yīng)用探地雷達探查地下近間距非金屬管線

張恩澤，歐元超，李建寧，汪振興

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001）

地表以下近間距非金屬管線的探測一直是工程檢測中的一個難點，通常受城市道路下方復(fù)雜地層介質(zhì)的干擾，造成對目標體的識別定位不夠準確；為了提高對多根水平和復(fù)雜分布的非金屬管線的探測解釋精度，運用GprMax，結(jié)合MATLAB語言數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場實測的方法，討論了此類管線在探地雷達探測中的響應(yīng)特征，結(jié)果表明：500 MHz屏蔽天線對地下非金屬管線具有良好的分辨效果，當非金屬管線埋深較大時，探地雷達對目標體的分辨率將降低，所得結(jié)論對識別探地雷達探測近間距非金屬管線時的反射信號有一定的指導(dǎo)意義。

非金屬管線; 近間距; GprMax; 數(shù)值模擬; 探地雷達

1 引言

城市地下空間中的管線類型及其分布相對復(fù)雜，在地下空間改造中需要進行探查與定位。合理準確探查地下管線的空間位置，可以減少決策規(guī)劃、施工建設(shè)失誤造成的經(jīng)濟損失，節(jié)約建設(shè)的經(jīng)濟成本。減少失誤的同時，也為實現(xiàn)城區(qū)地下管道鋪設(shè)的標準化、規(guī)范化、現(xiàn)代化奠定有力的基礎(chǔ)。

目前，采用地球物理方法進行地下管線的探查是一種應(yīng)用面廣泛的技術(shù)手段，根據(jù)管線的類型及埋藏深度可以采用不同的方法技術(shù)，主要包括：電磁感應(yīng)法、人工地震法、高密度電法、高精度磁法和磁梯度法等。其中電磁感應(yīng)法、高精度磁法和磁梯度法只能探測金屬管線；高密度電法在城市道路施工時，因電極與道路的耦合問題，受到了一定的限制；人工地震法也只能對埋藏較深和口徑較大的金屬或非金屬管線探測效果顯著[1-2]。相比較來說，金屬管線的感應(yīng)特征明顯，易于進行探查，對地表以下復(fù)雜分布的非金屬管線沒有好的探測效果。探地雷達作為探測淺層地表特性的一種高新地球物理勘探手段，具有效率高、精度高和無損檢測等特點，因此被廣泛應(yīng)用于地下管線的探測中。

本文針對城市道路下方復(fù)雜分布的非金屬管線，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場原位測試的方法進行研究。通過采用500 MHz天線，模擬不同埋深和間距的管線雷達波響應(yīng)特征，并與現(xiàn)場測試結(jié)果對比，討論地下近間距非金屬管線的反射特性與規(guī)律，為探地雷達探查管線的反射信號解釋提供依據(jù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 GprMax正演模擬理論基礎(chǔ)

GprMax軟件的理論基礎(chǔ)是時間域有限差分法（Finite difference time domain，F(xiàn)DTD）。1966年，K.S.Yee首次提出Yee氏網(wǎng)格的空間離散形式，將麥克斯韋旋度方程的偏微分方程引入了一種差分格式，提出了時間域有限差分法。根據(jù)電磁波的傳播規(guī)律，高頻電磁波在介質(zhì)中的傳播遵循麥克斯韋方程組，即

Δ×B=0

Δ×D=ρ

上述四式是麥克斯韋方程組的微分形式，其中E為電場強度（V/m），B為磁感應(yīng)強度（T），H為磁場強度（A/m），D為電位移（C/m2），J為電流密度（A/m2）， 為電荷密度（C/m3）。

Berenger于 1994年提出了完全匹配層（PerfectlyMatchedLayer，PML）。由于其通過在FDTD區(qū)域截斷邊界設(shè)置了特殊介質(zhì)層，該層介質(zhì)的波阻抗與相鄰介質(zhì)的波阻抗完全匹配。當入射波滿足匹配條件為：

則無反射地被吸收掉[3-5]。

2.2 GprMax模擬探測

依據(jù)實際情況，利用GprMax構(gòu)建相應(yīng)的探查模型。編寫模擬仿真文件，首先假設(shè)模型內(nèi)的介質(zhì)為混凝土，描述混凝土介質(zhì)的各項物理參數(shù);其次，設(shè)置模型大小4.0m×3.5m、離散步長dx=dy=0.002 5m、模擬時窗90ns;再次，是對模型結(jié)構(gòu)和激勵源的描述。模型結(jié)構(gòu)可依據(jù)模擬情況進行相應(yīng)更改。設(shè)置探地雷達天線中心頻率為500MHz，電流幅度為1.0A的Riker脈沖波。接著，定義數(shù)據(jù)的采集和其它命令。假設(shè)探地雷達天線采用剖面法進行數(shù)據(jù)采集。發(fā)射天線的起始坐標為（0.087 5，0.107 5），接收天線的起始坐標為（0.112 5，0.1075），共采集194道。最后，定義模擬計算和模型幾何信息。仿真文件定義好后，打開GprMax，讀取仿真文件。計算完成后，程序會自動關(guān)閉，此時會生成兩個二進制文件，分別為*.geo和*.out。編寫MATLAB語言，讀取模型幾何圖文件（*.geo）和數(shù)據(jù)剖面圖文件（*.out）。根據(jù)數(shù)值模擬得到的雷達波形圖，可分析500MHz天線探測不同埋深和間距下非金屬管線的反射特性[6-7]。

2.3 正演模型與圖譜分析

為研究500MHz屏蔽天線對3m以內(nèi)淺復(fù)雜分布的非金屬管線的探測能力，正演模型選用混凝土作為材料介質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，對不同深度的水平近間距非金屬管線以及多根復(fù)雜分布的非金屬管線進行雷達波數(shù)值模擬。設(shè)計模型大小為4m×3.5m，共放置5根管徑為300mm的非金屬管線。管線中心從左到右的水平間距依次為0.3m、0.5m、0.8m和1.2m。

2.3.1 不同深度水平近間距非金屬管線數(shù)值模擬

在不同深度水平近間距非金屬管線模擬時，其中圖1a、圖1b和圖1c非金屬管線中心距離地面為0.5m、1.5m和 2.5m。

a

b

c

探地雷達的水平分辨率是討論水平方向上所區(qū)分的最小異常體尺寸。水平分辨率遵循第一菲涅爾帶半徑公式

式中，h為目標體深度，λ為雷達子波波長。

從圖1中可以看出，剖面中反射波出現(xiàn)的時間與理論計算的反射波旅行時間較為接近，表明了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。通過對比發(fā)現(xiàn)，不同深度下的數(shù)值模擬結(jié)果與理論分辨率基本吻合。

圖1a為非金屬管線中心埋深0.5m時的數(shù)值模擬結(jié)果。非金屬管線在雷達電磁波反射圖中呈現(xiàn)出開口向下的弧形曲線，且其弧頂位置即為管頂?shù)乃郊奥裆钗恢?，這5根非金屬管線在不同的埋深下均有底反射，這是因為非金屬管線與混凝土介質(zhì)的介電常數(shù)差異較小，有部分能量傳入了管底。當管線間距為0.3m時，兩根管線側(cè)壁貼在一起，其在雷達波形圖上表現(xiàn)為連拱形態(tài)，且隨著管線間距加大，單個管線的弧形信號分辨更加清晰。由此可知，在埋深0.5m時，探地雷達對分布密度較大的管線的分辨率較高。但當管線中心埋深變化為1.5m（圖1b）和2.5m（圖1c）時，管線信號的弧線趨于平緩，弧頂管線準確位置也逐漸變得難以辨識。此時兩根間距為0.3m的非金屬管線，在1.5m埋深處的連拱變得不易區(qū)分，而在2.5m埋深處時已基本重疊，無法進行辨識；而在埋深1.5m的管線中，最小可分辨間距為0.8m，埋深2.5m的管線中，最小可分辨間距為1.2m。

從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出，單個管線下方存在明顯的多次反射與繞射干擾，且管線埋深越淺，多次干擾波越密集，當管線較密集且埋深較淺時繞射信號相互重疊干擾，嚴重影響管線有效波的判別，甚至?xí)褐葡噜徆芫€的反射信號，而當管線埋深逐漸加大時，多次反射干擾的影響也逐漸減弱。通過對比三圖發(fā)現(xiàn)，當管線埋深逐漸加大時，雙曲線會趨于水平，且反射信號的能量隨著深度的增大也逐漸變?nèi)酢＿@是因為混凝土為有耗介質(zhì)，電磁波在此介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生能量的衰減。

2.3.2 多根復(fù)雜分布非金屬管線數(shù)值模擬

建立兩組數(shù)值模型進行實驗分析探地雷達對混凝土介質(zhì)下的非金屬管線垂向分辨能力。如圖2所示，設(shè)計兩組不同間距的水平方向與垂直方向的非金屬管線組合，在圖2a中，非金屬管線的垂直距離0.2m，水平間距0.5m，圖2b中非金屬管線的垂直距離0.3m，水平間距1m。

探地雷達的垂直分辨率是關(guān)注垂向能夠區(qū)分兩個反射界面的最小距離。其理論分辨率遵循公式

式中，c為空氣中雷達波速度，f為天線中線頻率，ε為介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)率，λ為雷達子波波長。

a

b

根據(jù)上述公式可計算得到500MHz天線的垂直分辨率為0.25m。從圖2a中可以看到，水平方向兩根管線的反射信號幾乎連在一起，無法分辨出確切的非金屬管線個數(shù)，參考水平近間距非金屬管線的數(shù)值模擬結(jié)果，利用500MHz天線可分辨出兩根深2m，水平間距1m的非金屬管線。而垂向方向上的上部與下部非金屬管線信號大部分重疊，這無疑加大了非金屬管線的分辨難度。而圖2b中的三根管線在雷達圖上可以清晰的辨別出來，圖中可以看到有3條強反射信號，但位于上部的反射波部分覆蓋了下部的反射波，原因是非金屬管線的垂直距離接近于理論分辨率。數(shù)值模擬結(jié)果為清晰識別多根復(fù)雜分布的非金屬管線提供依據(jù)[8-10]。

3 探測實例

3.1 工區(qū)概況

本次原位探測場地位于某市道路交通主干道，此段線路地形略有起伏，地勢自北向南逐漸降低。地層淺部為第四系松散沉積物。已知此道路下方1.5m～2.5m處有密集敷設(shè)的非金屬管線。因此在此段道路中間沿由南向北方向布置一條測線。

現(xiàn)場采用探地雷達方法進行數(shù)據(jù)采集，利用發(fā)射機向地下發(fā)射高頻寬帶電磁波脈沖，一部分電磁波遇到有電性差異的介面會發(fā)生反射，另一部分電磁波會繼續(xù)向下傳播，最終被接收機接收。依據(jù)探地雷達的工作原理，非金屬管線與其周圍土壤間的介電常數(shù)存在差異，為探地雷達的探測提供了物性前提。

此次施工中使用瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMAC型探地雷達。雷達脈沖頻率10～200KHz。采集參數(shù)設(shè)置：天線為500MHz屏蔽天線，采樣頻率722 5MHz，時窗60ns，采樣點495，疊加次數(shù)8次，使用測輪距觸發(fā)。采用連續(xù)剖面法在道路表面進行探測。

通過對雷達波的精細處理，消除信號直流分量；能量衰減增益，放大信號的振幅；巴特沃斯帶通濾波，消除噪聲；背景值去除，增強有效信號；滑動平均，抑制噪聲提高水平方向能量的一致性后，可以清晰的看出雙曲線型反射信號[11]。

3.2 探測結(jié)果

圖3為此處的雷達數(shù)據(jù)剖面圖，在此30m范圍內(nèi)，深度在2.5m以淺有多組雙曲線型強反射信號，且存在多次波反射。根據(jù)水平近間距非金屬管線數(shù)值模擬結(jié)果，在深度約2.3m，管線間距為1m時，可以分辨為兩根非金屬管線，且反射信號相互疊加。對比實測結(jié)果，在深度2.1m～2.5m范圍中，兩條雙曲線型反射波間距約1m，兩個峰值出現(xiàn)了相互疊加的情況。由此可判定此范圍內(nèi)為兩根非金屬管線。對比多根復(fù)雜分布非金屬管線數(shù)值模擬結(jié)果，在13m～17m范圍內(nèi)，管線的垂直距離為0.5m，大于理論分辨率的0.25m，且反射信號強，有底反射。據(jù)此，可以推斷此處區(qū)域有3根非金屬管線密集分布。

圖3 雷達數(shù)據(jù)剖面圖

4 結(jié)論

通過利用數(shù)據(jù)模擬及原位測試的方法，對地下空間非金屬管線進行測試研究，獲得了一定的成果和認識。

數(shù)值模擬與現(xiàn)場實驗的結(jié)果表明，探地雷達在城市地下空間管線探查過程中均出現(xiàn)了雙曲線型的反射信號。說明時間域有限差分法用于探地雷達成像研究是可行的。

隨著埋深的不斷增加，500MHz屏蔽天線的反射信號逐漸減弱且難以識別間距較小的非金屬管線。

本次數(shù)值模擬只利用單一的混凝土介質(zhì)下非金屬管線的反射特性，下一步將模擬不同的地層條件對非金屬管線探測的影響。

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Applicationofgroundpenetratingradar（GPR）todetectundergroundshort-intervalnon-metalpipelines

ZHANGEnze，OUYuanchao，LIJianning，WANGZhenxing

（SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofscienceandTechnology,HuainanAnhui232001）

It is always a difficulty to detect the short-interval nonmetal pipeline in engineering detection, which is usually disturbed by the complex stratum under the urban road and not accurate enough to identify the target. In order to improve the accuracy of detection of multiple level and complex distribution of nonmetal pipeline interpretation, by useing GprMax method, MATLAB simulation calculation and field measurement, this paper discusses the response characteristics of the pipelines in radar detection. The result shows that the 500MHz shielding antenna has a good resolution effect on the underground metal pipeline. The resolution of ground penetrating radar will decrease when the nonmetal pipeline is deeper. The conclusion has certain guiding significance for identifying the reflected signal when ground penetrating radar detects underground short-interval non-metal pipelines.

nonmetal pipeline; short-interval; GprMax; the numerical simulation; GPR

2016-10-25

安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（項目編號：201510361007）；安徽省教育廳自然科學(xué)基金重點項目（項目編號：KJ2016A192）；安徽理工大學(xué)博士基金

張恩澤（1991-），安徽淮南人，研究生，研究方向為工程與環(huán)境地球物理勘探，電話：13855469755。

TU990

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1671-4733（2017）01-0030-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2017.01.010