不同走向地下管线的地质雷达响应特征分析

不同走向地下管线的地质雷达响应特征分析

前言

以PVC管线为例，建立不同走向（水平倾斜、垂直倾斜、水平相邻）的三维管线地质模型，进行三维地质雷达数据模拟，分析不同走向地下管线的地质雷达响应特征。

1、水平管线

管线为PVC材质，相对介电常数为3，电导率为0.0001S/m，土壤相对介电常数为13，电导率为0.0002S/m。管线上顶埋深为50cm，管径为40cm，管线长度设为150cm，研究区域大小为4m×2m×2m，管线走向为y方向，在y方向上垂直管线走向布置5条测线，测线间距为45cm，道间距为20cm，采集70道地质雷达数据。

图1. 水平PVC管线模型图
图2. 地质雷达波形图
图3. 三维切片图

图4. 三维可视化

2、水平倾斜管线

管线为PVC材质，相对介电常数为3，电导率为0.0001S/m，土壤相对介电常数为13，电导率为0.0002S/m。管线水平倾角为16.7°，管线上顶埋深为50cm，管径为40cm，管线长度设为200cm，研究区域大小为4m×2m×2m，管线走向为y方向，并在水平方向上产生16.7°的倾斜角，在y方向上以45cm的间距布置5条测线，测线沿着x方向，道间距为20cm，采集70道探地雷达数据。

图5. 水平倾斜PVC管线模型图
图6. 地质雷达波形图
图7. 三维切片图
图8. 三维可视化

3、垂直倾斜管线

管线两端上顶埋深分别为50cm和20cm，管径为40cm，管线长度设为150cm，研究区域大小为4m×2m×2m，管线走向为z方向垂直倾斜，倾斜角度为16.7°，在y方向上以45cm的间距布置5条测线，测线沿着x方向，道间距为20cm，采集70道探地雷达数据。

图9. 垂直倾斜PVC管线模型图
图10. 地质雷达波形图
图11. 三维切片图
图12. 三维可视化

4、水平相邻管线

两个管线的上顶埋深均为50cm，管线长度为150cm，管径为40cm，研究区域大小为4m×2m×2m，在y方向上以45cm的间距布置5条测线，测线沿着x方向，道间距为20cm，采集70道探地雷达数据。

图13. 水平相邻管线模型图
图14. 地质雷达波形图
图15. 三维切片图

图16. 三维可视化

5、不同走向管线的地质雷达特征分析

单个PVC管线地质雷达三维正演模拟结果图中，可见一簇反射信号同相轴双曲线沿着y轴均匀分布，间距与测线间距基本一致，从y方向观察，5个双曲线完全重合，其顶点大致位于13ns，根据电磁波在土壤中的传播速度算出埋深为55cm，模型中管线的上顶埋深为50cm，在强振幅同相轴双曲线下方平行等间距分布着一簇能量较弱的反射信号同相轴双曲线，其连续性较好，位于16ns的位置，推测是管线下底界面的反映，忽略管壁厚度，根据电磁波在空气中的传播速度计算两反射界面深度相差45cm，与真实管径大小相差5cm，说明三维地质雷达对地下单个PVC管线具有较好的探测效果。通过对三维切片图和处理后的数据三维可视化图进行异常圈定，可根据强反射异常的几何位置对管线的几何参数进行半定量解释，管线上顶埋深55cm，管线长度为190cm，与模型相差为厘米级。

水平倾斜的管线的三维地质雷达数值模拟结果图中，可见在13ns的位置有五条反射信号同相轴双曲线均匀分布，根据电磁波在土壤中的传播速度推算出管上顶埋深为55cm，模型中管线上顶埋深为50cm，双曲线顶点连线随着管线的倾斜而倾斜，较好地显示了管线的倾斜情况。连接5个反射信号同相轴双曲线顶点图示出来，顶点连线的水平倾斜角度和管线的倾斜角度一致，倾角大小为16.7°，说明地质雷达法对于三维管线探测具有可行性。在三维切片图XY平面切片中可见一水平倾斜的强反射异常，其在水平方向上倾斜16.7°，与模型中管线的水平倾斜角度一致。

垂向倾斜管线的三维地质雷达数值模拟结果图中有一簇明显的反射信号同相轴双曲线，双曲线沿y方向均匀分布，间距与测线间距基本一致，且双曲线顶点连线在垂向上产生了一个16.7°的倾角，倾角大小与三维模型中管线倾角大小基本相同。对于埋深较浅的一端，在7ns左右初次接收到双曲线反射信号，根据电磁波在土壤中的传播速度算出深度为30cm，模型中浅端上顶埋深为20cm，相差10cm。对于埋深较深的一端，在12ns左右初次接收到双曲线反射信号，计算出埋深为52cm，模型中管线上顶埋深为50cm，相差2cm。通过三维切片图中强反射异常的走向，可确定管线走向为16.7°，与模型实际垂向倾斜情况一致，说明地质雷达法对于垂向倾斜的地下管线模型具有较好的探测效果，在实际工作中，如果出现不同测线上反射信号同相轴双曲线顶点深度不一致的情况，考虑反射界面可能是垂直倾斜的。

两个水平相邻管线的三维地质雷达数值模拟结果图中，可见两簇明显的反射信号同相轴双曲线，两簇双曲线之间相互干涉，双曲线的顶点均位于12ns，根据电磁波在土壤中的传播速度算出深度为52cm，模型中管线上顶埋深为50cm，仅相差2cm。分析可知，对于两个水平相邻管线，其三维地质雷达数值模拟结果图中两簇反射信号同相轴双曲线呈现出平行的形态，较好地反映了模型中两相邻管线的位置信息，说明使用地质雷达法探测两根水平相邻管线的可行性。在三维切片图XY方向切片中可见两个相邻分布的强反射异常，长度约为190cm，管线上顶埋深约为55cm，与实际模型几何参数相差仅厘米级。

对于管线类目标，其在地质雷达剖面图中的异常特征为双曲线型，混凝土管和PVC管的地质雷达数值模拟结果图中在管的顶部与底部均有反射信号同相轴双曲线存在，而铁管只有上顶界面有一簇双曲线。

进行地下管线的三维地质雷达数值模拟研究，发现三维情况下可以通过三维地质雷达模拟结果中双曲线的顶点连线确定管线的倾向和走向，并且在实际工作中应尽量将测线垂直管线布置。