1? 引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水利工程行業(yè)充滿了發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也面臨嚴(yán)峻考驗(yàn) [1]。在水利工程的設(shè)計(jì)和施工階段，避開地下管線是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。地下管線（如石油管道、燃?xì)夤艿?、?guó)防通信管線、高壓電力管線等）承擔(dān)著輸送石油、天然氣、通信、電力等功能，是城市發(fā)展的基礎(chǔ) [2]。地下管線的復(fù)雜性高、信息化程度低、管理不統(tǒng)一等，難以通過(guò)資料搜集和整理獲得準(zhǔn)確的地下管線信息。特別是施工階段，挖斷管線時(shí)有發(fā)生。不僅存在重大安全隱患，而且造成經(jīng)濟(jì)損失 [3]。如何獲得準(zhǔn)確地下管線信息，成為了一個(gè)重要課題。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地下管線的探測(cè)方法也愈加多樣，主要包括直接開井測(cè)量和物探方法間接測(cè)量。使用物探方法探測(cè)地下管線的物性基礎(chǔ)在于：目標(biāo)管線和周圍介質(zhì)存在物性差異，如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、密度等。物探方法如高密度電法、井中磁法、瞬變電磁法等 [4]，受到場(chǎng)地和測(cè)區(qū)環(huán)境的限制，應(yīng)用場(chǎng)景有限，管線儀法和探地雷達(dá)法仍是基礎(chǔ)、高效、便捷的地下管線探測(cè)方法。文章將從探測(cè)原理、探測(cè)方法、數(shù)值模擬和實(shí)際應(yīng)用幾方面進(jìn)行探討。
2? 管線儀的工作原理和應(yīng)用
2.1? 管線儀的探測(cè)原理
常用的管線儀如 RD8100 和 RD8000 等，探測(cè)原理為電磁感應(yīng)，即：管線儀發(fā)射機(jī)發(fā)射電磁信號(hào)，在金屬管線中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流 ( 也稱為等效電流 )，感應(yīng)電流往周圍激發(fā)出變化電磁場(chǎng)，接收機(jī)接收到該電磁信號(hào)。根據(jù)接收到的電磁信號(hào)，就可以判定目標(biāo)管線的位置和埋深等信息 [2，3]。
2.2? 管線儀的探測(cè)方法
根據(jù)管線儀發(fā)射機(jī)激發(fā)信號(hào)的方式不同，可以將常用的探測(cè)方法分為 3 種：夾鉗法、直連法、感應(yīng)法 [3]。
（1）夾鉗法是指將管線儀配套的環(huán)形夾鉗閉合地夾在管線上，使得管線穿過(guò)夾鉗。主要用于通信、電力、路燈等管線的探測(cè)，優(yōu)點(diǎn)在于抗干擾能力強(qiáng)，
缺點(diǎn)在于必須有出露的管線才可以使用。
（2）直連法是指將管線儀接線的負(fù)極 ( 黑色 ) 接到接地電極，正極 ( 紅色 ) 接到管線上。接地電極在情況允許下，盡可能遠(yuǎn)且垂直于管線走向，正極連
接管線的位置要除銹、刮開保護(hù)殼 ( 刮開油漆或者塑料層 )。主要應(yīng)用于有示蹤線的燃?xì)夤?、有電位測(cè)試樁的石油管或燃?xì)夤?、鑄鐵輸水管等。優(yōu)點(diǎn)在于
可以較長(zhǎng)距離的追蹤管線，缺點(diǎn)是抗干擾能力相對(duì)較弱。
（3）感應(yīng)法是指將發(fā)射機(jī)放置在目標(biāo)管線上方，接收機(jī)沿著管線走向確定其位置和深度大方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于適用性強(qiáng)，缺點(diǎn)在于易受到其他信號(hào)的干擾。在實(shí)際工作中，以上兩種方法不適用才使用該方法。
根據(jù)管線儀接收機(jī)接收信號(hào)確定位置和深度的原理不同，可以將常用探測(cè)方法分為以下 3 類：極大值法 ( 峰值法 )、極小值法 ( 谷值法 )、極大 / 極小值
法 ( 峰值 / 谷值法 )。將管線中等效電流簡(jiǎn)化為無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線，根據(jù)右手螺旋定則，管線周圍會(huì)產(chǎn)生“環(huán)狀”的磁場(chǎng)，如圖 2 所示。
在目標(biāo)管線正上方的磁場(chǎng)水平分量達(dá)到*大，垂直分量*小。測(cè)量水平分量對(duì)應(yīng)極大值法，測(cè)量垂直分量對(duì)應(yīng)極小值法。RD8100 接收機(jī)內(nèi)部有 2個(gè)水平線圈 ( 用于極大值法 ) 和 1 個(gè)垂直線圈 ( 用于極小值 )，采用極大值法定位時(shí) 2 個(gè)水平線圈工作，抗干擾能力較強(qiáng)；采用極小值定位時(shí)垂直線圈工作，抗干擾能力相對(duì)較弱；采用極大 / 極小值法定位時(shí)，結(jié)合以上 2 種方法，但隔一段距離需要極大值法或極小值法驗(yàn)證。
2.3? 管線儀的數(shù)值模擬
等效電流在周圍激發(fā)磁場(chǎng)的基本解析表達(dá)式 [2，5] 如式（1）、（2）：Hx= μIh2π（x2+h2）（1）
Hz= μIx2π（x2+h2）（2）
式中：I 為電流大小，μ 為管線周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率，h 為地面到管線的距離，x 為探測(cè)點(diǎn)到目標(biāo)管線地面投影的距離。以某測(cè)區(qū)實(shí)際探測(cè)的情況為例，電流為 10 mA，h 埋深為 0.8 m，周圍介質(zhì)為土壤，磁導(dǎo)率為 0.001。地面的信號(hào) Hx 和 Hz 如圖 3 所示，可以看到極大值法和極小值法管線磁場(chǎng)信號(hào)變化規(guī)
律。極大值法在目標(biāo)管線正上方達(dá)到*大，離目標(biāo)管線越遠(yuǎn)，Hx 的值越小，趨近于 0，如圖 3 中線 1 所示。極小值法在目標(biāo)管線正上方為 0 值，距離目標(biāo)管線為 h 時(shí)有*大值，遠(yuǎn)離目標(biāo)管線 Hz 的值越小，趨近于零。若考慮場(chǎng)的方向，極小值的規(guī)律如圖 3線 2 所示；只考慮大小，極小值法的規(guī)律如圖 3 中線3 所示。圖 3 中極小值法線 2 和線 3 在場(chǎng)值為正時(shí)，曲線完全重合。
若目標(biāo)管線附近存在其他干擾源，假設(shè)距離目標(biāo)管線 0.5 m 處有其他信號(hào)干擾，等效電流為 9 mA，埋深為 0.8 m，可以對(duì)干擾情況下的磁場(chǎng)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖 4~ 圖 7。
如圖 4 所示，干擾源和目標(biāo)管線中的等效電流一致時(shí)，疊加信號(hào)強(qiáng)度變大，峰值往干擾源方向偏移；如圖 5 所示，等效電流方向相反極大值法探測(cè)時(shí)，疊加信號(hào)強(qiáng)度變小，且出現(xiàn)了兩個(gè)極大值點(diǎn)，不對(duì)應(yīng)目標(biāo)管線，在實(shí)際中會(huì)造成探測(cè)結(jié)果誤差。
如圖 6 所示，目標(biāo)管線和干擾管線等效電流方向一致時(shí)，疊加信號(hào)的極小值偏向干擾管線方向。如圖 7 所示，等效電流相反極小值法探測(cè)時(shí)，疊加場(chǎng)
中有兩個(gè)極小值點(diǎn)，與目標(biāo)管線不對(duì)應(yīng)，在實(shí)際探測(cè)中會(huì)產(chǎn)生誤差。
2.4? 管線儀實(shí)際應(yīng)用
（1）上節(jié)討論的干擾源與目標(biāo)管線的等效電流大小近似，產(chǎn)生了如圖 5 和圖 7 中的誤差情況。實(shí)際探測(cè)中可以改變發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率，重復(fù)探測(cè)來(lái)確定管線的位置和埋深。
（2）若測(cè)區(qū)中無(wú)明顯管線出露，可以采用感應(yīng)法：一人手持發(fā)射機(jī)，另一人手持接收機(jī)，間距 15~20 m同時(shí)移動(dòng)在測(cè)區(qū)內(nèi)感應(yīng)，確保無(wú)遺漏。
（3）管線探測(cè)時(shí)，可以在有出露或埋深較淺的位置開挖驗(yàn)證，確保探測(cè)準(zhǔn)確性。
3? 探地雷達(dá)的工作原理和應(yīng)用
3.1? 探地雷達(dá)的探測(cè)原理
基于電磁波遇到不同的介質(zhì)會(huì)發(fā)生反射和透射的原理，探地雷達(dá)發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，遇到管線發(fā)生反射和透射，反射回地面的信號(hào)被接收天線接收，透射信號(hào)向下傳播，直到信號(hào)能量耗盡 [4,6]。
根據(jù)反射信號(hào)的走時(shí)和強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可以確定地下管線的材質(zhì)、管徑、埋深等信息。
3.2? 探地雷達(dá)的探測(cè)方法
探地雷達(dá)根據(jù)工作方式可以分為以下 3 類：A-scan、B-scan、C-scan。其中 A-scan 即為連續(xù)采集模式，發(fā)射天線和接收天線位置固定，采集數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)地面某一點(diǎn)的地下情況；B-scan 即為沿著剖面線采集的方式，發(fā)射天線和接收天線相對(duì)位置固定，同時(shí)沿著某一設(shè)定好的測(cè)線進(jìn)行探測(cè)，采集的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)測(cè)線下剖面的地下情況，常見(jiàn)的“推車”工作方式即為該工作方式；C-scan 即為在地面布置一定間距的測(cè)線，在每條測(cè)線上進(jìn)行 B-scan 測(cè)量，采集數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)地下三維情況。
3.3? 探地雷達(dá)的數(shù)值模擬
探地雷達(dá)數(shù)值模擬的物理方程是Maxwell方程，對(duì)該方程進(jìn)行微分表示，推導(dǎo)出符合探地雷達(dá)模擬的二維橫磁波（TM）方程 [7]，如式（3）：
?Ez?t = 1ε（?Ey?x - ?Hx?y -σE）z?Hx?t =- 1μ（?Ez?y+ρHx）?Hy?t = 1μ（?Ez?x -ρHy）（3）
式中：Ez 對(duì)應(yīng)電場(chǎng)的 z 分量，Hx、Hy 對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)的 x 和 y 分量，ε、μ 對(duì)應(yīng)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，σ、ρ 對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率和電荷密度。使用有限差分法對(duì)式（3）進(jìn)行離散，就可以進(jìn)行正演模擬。
GprMax 是探地雷達(dá)時(shí)間域有限差分正演軟件，使用該軟件需要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行定義：模型大小、網(wǎng)格尺寸、時(shí)窗長(zhǎng)度、介質(zhì)參數(shù)、子波類型，發(fā)射天線和接收天線位置及步進(jìn)距離，介質(zhì)在模型中的位置等；吸收邊界和并行等參數(shù)為默認(rèn)。
設(shè)置模型大小為4 m×3 m，網(wǎng)格尺寸為0.005 m，時(shí)窗為 60 ns，子波是主頻 200 MHz 的雷克子波，天線步進(jìn)距離為 0.1m，介質(zhì)參數(shù) [6] 見(jiàn)表 1 所示。
如圖 8 所示，模型頂部介質(zhì)為空氣表示地表，兩側(cè)和底部是匹配吸收層 (PML)，用于去除有限差分法人工邊界的反射，管道為厚度 5 cm 的鑄鐵管，管
道內(nèi)部充滿水。
如圖 9 和圖 10 所示，在 35 ns 可以看到鑄鐵管對(duì)應(yīng)的反射數(shù)據(jù)，地面回波占據(jù)了大部分能量。去除地面回波后，反射曲線更清晰，便于相位、振幅等的研究。再以 PVC 材質(zhì)的管線為例進(jìn)行模擬，同時(shí)放置
3 個(gè)不同深度的管線，對(duì)比深度對(duì)模擬數(shù)據(jù)的影響。如圖 11 所示。設(shè)置模型大小為3 m×2 m，網(wǎng)格尺寸為0.005 m，時(shí)窗為 60 ns，子波是主頻 200 MHz 的雷克子波，天線步進(jìn)距離為 0.05 m，介質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表 1 所示。
如圖 12 和圖 13 中所示，A、B、C 分別對(duì)應(yīng)不同埋深的 PVC 管線的反射曲線，隨著深度增加信號(hào)強(qiáng)度降低，同時(shí)出現(xiàn)了多次反射波。
再以水泥管為例進(jìn)行模擬，設(shè)置模型大小為6 m×3 m，網(wǎng)格尺寸為 0.005 m，時(shí)窗為 80 ns，子波是主頻 200 MHz 的雷克子波，天線步進(jìn)距離為 0.1 m，
介質(zhì)參數(shù)如表 1 所示。左側(cè)管中為水，右側(cè)管中為空氣。如圖 14 所示。
如圖 15 和 16 中所示，充滿水的管對(duì)應(yīng)反射曲線為 B，空管對(duì)應(yīng)曲線為 A。曲線 B 的強(qiáng)度相對(duì)較大，同時(shí)稍深位置產(chǎn)生了一個(gè)較弱的曲線 C。在兩個(gè)管之間產(chǎn)生了較為復(fù)雜的多次反射曲線 D。
3.4? 探地雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用
以湛江市飲調(diào)水工程某測(cè)區(qū)內(nèi)的 DN1200 鑄鐵給 水 管 為 例，BS-M 探 地 雷 達(dá) 發(fā) 射 天 線 頻 率為 200 MHz，相對(duì)介電參數(shù)為 7，外業(yè)采集數(shù)據(jù)如圖
17，可以看到在深度約為 1.4 m 處有明顯的反射曲線。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，判斷為 DN1200 的鑄鐵水管。
該工程某測(cè)區(qū)有 DN315 材質(zhì) PVC 的燃?xì)夤?，使用直連法無(wú)信號(hào)，推測(cè)示蹤線被破壞。因此使用探地雷達(dá)探測(cè)，相對(duì)介電常數(shù)為 10，采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)如圖 18?？梢钥吹皆谏疃燃s為 1.0 m 處有一曲線，沿著管線走向前后探測(cè)，確定該信號(hào)對(duì)應(yīng)燃?xì)夤堋?
該工程另一測(cè)區(qū)有 DN1000 材質(zhì)水泥的排水管，可直接開井探測(cè)。為了驗(yàn)證探地雷達(dá)信號(hào)，發(fā)射天線頻率為 200 MHz，相對(duì)介電參數(shù)為 10，外業(yè)采集數(shù)據(jù)如圖 19?？梢钥吹皆谏疃燃s為 0.7 m 處有一曲線，對(duì)應(yīng)水泥管，與實(shí)際開井量測(cè)深度一致。
4? 結(jié)束語(yǔ)
文章討論了水利工程中地下管線探測(cè)的管線儀法和探地雷達(dá)法的探測(cè)原理、探測(cè)方法、數(shù)值模擬、實(shí)際應(yīng)用等。對(duì)管線儀探測(cè)極大值法和極小值法產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行討論，采用 GprMax 軟件對(duì)不同材質(zhì)、管徑、埋深、管內(nèi)是否含水情況下的管線進(jìn)行正演模擬，同時(shí)對(duì) 3 個(gè)實(shí)地探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。
給出以下建議：
（1）地下管線埋設(shè)情況多樣，管線儀法和探地雷達(dá)法是獲得地下管線信息的重要手段。管線儀法在金屬管線探測(cè)方面優(yōu)勢(shì)較大，探地雷達(dá)法則彌補(bǔ)了
非金屬管線探測(cè)的不足，結(jié)合兩者可以更好地服務(wù)
地下管線探測(cè)。
（2）管線儀探測(cè)方法的選擇取決于探測(cè)管線的材質(zhì)和埋設(shè)情況，不同管線需選用不同的探測(cè)方法，具體情況具體分析。
（3）探地雷達(dá)是一種高效的探測(cè)方法，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由于地面回波、場(chǎng)地不平整、噪聲等影響，目標(biāo)管線的反射曲線會(huì)被“壓制、扭曲”等，不易識(shí)別。通過(guò)
GprMax 軟件正演模擬探地雷達(dá)的電磁波傳播，可以研究不同地下情況的探地雷達(dá)信號(hào)，有利于實(shí)際數(shù)據(jù)的識(shí)別。
