地下管线探测技术.pdf

288 第五章地下管线探测技术 地下管线是城市的重要基础设施 它担负着传输信息 输送能量及排放废液的工作 全 面系统地勘察和测绘地下管网的分布 建立城市和厂矿企业地下管网数据库 对城市的正常 运营及改造扩建都有十分重要的意义 5 1地下管线的种类及探测方法 5 1 1地下管线的种类 1 给水管 2 排水管 3 燃气管 4 电力电缆和路灯电缆 5 电讯电缆 6 供热管线 7 人防通道 5 1 2探测方法 1 地下管线探测特点 1 地下管线赋存的环境复杂 2 地下管线种类繁多 由管线所形成的物理场的种类和变化较大 3 地下管线探测要求仪器具有连续追踪 快速定向 定点和定深的功能 同时要求 能在工作现场作出准确的解释 4 仪器应具有足够的探测深度 3 5m 有较高的分辨率和较强的抗干扰性能 目前国内外的有关仪器大多数具有梯度测量的功能 并且一般均可测量电磁场总场的水 平分量和垂直分量 2 地下管线探测方法 地下管线按其物理性质可大致分为三类 1 由铸铁 钢材构成的金属管线 如给水 燃气 供热等工业管道 2 由铜 铝材料构成的电缆 其外用钢铠 铝或塑料包装 如动力电缆 通讯电缆 和有线电视电缆等 3 由水泥 陶瓷和塑料材料构成的非金属管道 如排水 工业管道或某些给水管等 上述管线与周围介质在电性 磁性 密度 波阻抗和导热性等方面均存在物性差异 因 此 人们可以利用导电率 导磁率 介电常数和密度等物理参数 选择不同的地球物理方法 进行地下管线探测 地下管线探测方法一般分为两种 一种是井中调查与开挖样洞或简易触探相结合的方 法 目前 在某些管线复杂地段和检查验收中仍需采用 另一种是仪器探测与井中调查相结 合的方法 这是目前应用最为广泛的方法 在各种物探方法中 就其应用效果和适用范围来 看 依次为频率域电磁法 磁测 地震 探地雷达 直流电法和红外辐射法等 随着科学技术的发展 水下管线探测也已进入实用阶段 5 2用频率域电磁法探测地下管线 5 2 1 基本原理 应用电磁法探测地下管线 通常是先使导电性好的地下管线带电 然后在地面上测量由 此电流产生的电磁异常 从而来达到探测地下管线的目的 其前提是必需满足以下地电条件 1 地下管线与周围介质之间有明显的电性差异 2 管线长度远大于管线埋深 在此前提下 无论采用充电法或感应法 都会探测到地下管线所引起的异常 从原理上 289 讲 在感应激发条件下 管线本身及导电介质均会产生涡流 对于那些直径与埋深可比拟的 管道而言 在地表所引起的异常既决定管线本身所产生的涡流 也决定于大地 管线 大地这 个回路中的电流以及管线所聚集的 存在于导电介质中的感应电流 由于金属管线的导电性 远大于周围介质的导电性 所以管线内及其附近的电流密度就比周围介质的电流密度大 这 就好像在管线处存在一条单独的线电流 对一般平直的长管线 可近似将其看成由无限长直 导线产生的磁异常 如图 2 5 1 所示 一个电流元在点产生的磁场强度为P 2 5 1 2 4 sin r Idl dH 式中为电流元的电流强度 为电流元长度 为电流元方向与电流元至点的矢径Idl Pr r r r 间的夹角 为电流元至点的距离 rP 有限长直线电流产生的磁场为 见图 2 5 2 2 5 2 2 1 2 1 2 sin 4 1 A A A A r Idl dHH 由于 2 5 3 cos cos rrl 2 5 4 sin sin 0 rrr 于是有 sin 0 rr 将上式代入 2 5 3 得 ctg 0 rl 故 2 5 5 2 0 sin d rdl 将 2 5 5 代入 2 5 1 得 2 1 cos cos 4 sin 4 1 21 00 r I r dI H 当 时 所以无限长直线电流在点产生的磁场强 1 A 2 A0 1 2 P 度为 2 5 62 5 62 5 6 2 5 6 0 2r I H 电流在自由空间产生的磁力线 在垂直于导线走向的断面上是一组以导线为圆心的同心圆 由于地下管线大多数为直线 通过某种方式使其带电 便可根据直线电流磁场的空间分布规 律 确定地下管线的位置和埋深 对地下金属管线充电时 其空间磁场可以近似看成是走向很长的水平线状载流导体而引起 若设充电谐变电流 为电流幅值 为角频率 则空间磁场可表示为 ti eII 00 I 图 2 5 1电流元产生的磁场图 2 5 2无限长直导线中电流产生的磁场 290 2 5 2 5 2 5 2 5 7 7 7 7 r I H 2 式中为充电管线至观测点的距离 rP 若设管线中心埋深为 其在地表的投影点为坐标原点 且轴与管线走向垂直 当电hx 流方向指向纸内时 磁场垂直分量及水平分量分别为 z H x H 2 5 82 5 82 5 8 2 5 8 22 2 sin xh xI r x HHHz 2 5 92 5 92 5 9 2 5 9 22 2 cos xh hI r h HHHx 其幅值理论曲线如图 2 5 4 所示 该曲线具有如下基本特征 1 在管线正上方 出现极大值而 0 x x H 2 max h I Hx 0 z H 2 将 2 5 8 式对求导 并令其等于零 求得当时 曲线出现极大值 亦xhx z H 为曲线的拐点 其绝对值为 x H h I Hz 4 max 图 2 5 4无限长水平管线充电理论曲线 291 5 2 3最佳工作频率的选择 应用电磁法进行管线探测时 其应用效果取决于管线的具体情况及环境条件 为取得最 好的探测效果 对每个工区都应通过试验选取最佳工作频率 目前 常用的管线探测仪的频 率范围一般从数百 Hz 至 80kHz 以上 其频率的选择原则如下 1 1kHz 以下 有利于长距离追踪 及对大直径与深埋管道的探测 由于频率低 故不 可采用感应法工作 并有时较易受到工频干扰 2 10kHz 是目前国内外各类仪器采用较多的频率 可以用于感应法 对50Hz 有一定 抗干扰能力 应用感应法时 在小直径管线上较难产生较大的讯号电流 3 30kHz 此频率比较容易将讯号感应到大部分管线上 是一种较常用的频率 但追 踪距离较采用低频时小 对地下水位较高的地区 其探测深度也较小 4 80kHz 以上 该频率较容易感应耦合到邻近平行管线 探测距离小 因此在管线复 杂地区的应用受到限制 在干燥地区 可应用感应法探测小直径电缆及短距离电缆 同样在 地下水位较高的低阻地区 其应用效果较差 5 2 4管线位置及埋深的确定 1 平面位置的确定 由于地下管线所产生的磁场的水平分量在其正上方为最大 可以通过测量其水平分量 并根据其极大值来确定管线的位置 图 2 5 8 a 同样 由于地下管线所产生的磁场的垂直 分量在其正上方为最小 所以 可以通过测量其垂直分量并根据其极小值来确定和线的位置 图 2 5 8 b 2 埋深的确定 1 水平分量垂向差分法 这种方法又称为梯度测量 其原理是用一对性能一致的接收线圈 以一定间隔 tbD 水平放置在同一垂线上 以测量管线正上方水平分量场强 设管线埋深为 管 t x H b x Hh 线中的交变电路或感应电流为 则由 2 5 9 式 在管线正上方地面上 线圈取I 0 xt 得磁场水平的极大值 h I H t x 2 而在地面以上 线圈取得磁场水平分量极大值b 2Dh I H b x 取二者的比值 则有 h Dh H H b x t x 从而 2 5 D H H D HH H h x b x b x t x b x 14 上式表明 只要在取得最大值的点上 用两个传感器分别测得地面和地面以上某一 x H 高度的极大值 由于两传感器间距已知 就可按 2 5 14 式计算管线埋深 x HDh 2 45 测量法 292 2 5 15 22 454545 4 2 45cos hx hxI HHHHH xzxz 当时 即管线埋深等于磁场最小值点与定位点间的距离 图 2 5 9 0 45 Hhx x 3 极值法 先用磁场最小值定位后 仍保持垂直线圈接收状态 沿垂直管线方向移动 寻找最大值 的点 由前可知 该点与定位点的距离即为埋深 如图 2 5 10 所示 5 2 5工 h I Hz 4 xh 作方法技术 1 常用仪器 1 RD 系列RD 系列管线探测仪是英国 RADIODETECTION 公司生产的一种仪器 它由一个发射装置和一个接收装置组成 经常用来解决复杂条件下的管线定位问题 目前主 要有两种型号 RD400 与 RD600 其发射频率相应为 8kHz 33kHz 与 1kHz 8kHz 33kHz 130kHz 2 GXD 1 型地下管线定位仪该仪器是机械电子工业部第 50 研究所研制的一种适 用于地下金属管线探测的仪器 由于发射功率比较小 宜用于探测埋设较浅的地下金属管线 3 GK 1A 与 6405C 型地下管线探测仪该类探测仪是北京邮电学校实验工厂生产的 一种适用于探测各种有源和无源电缆的探测仪器 该仪器在发射机设计中增加了信号断续发 射装置 因而能在复杂环境和强干扰背景中准确地捕捉管线感应信号 4 METROTECH810 850 地下管线探测仪该类仪器是美国 METROTECH 公司生 产的一种适用于探测地下金属管道的仪器 该仪器在干扰场不大时 对单根管线的定位及定 深都比较准确 除上述仪器外 近期国外又相继推出了一些更先进的地下管线探测仪器 例如美国产的 HPL 1 型大功率地下金属管道定位仪及 SUB SITE70 地下管线定位仪 HPL 1 型大功率地下 金属管道定位仪发射功率可达 100W 这使得某些深部的大口径管道的探测问题得以解决 SUBSITE70 型地下管线定位仪由于增加了数字式液晶显示 使得探测工作更直观 且该机 输出频率可调 适用于在各种工作条件下获得最佳接收效果 2 常用的方法技术 常用的方法有两种 一是主动源法 即利用人工方法把电磁信号施加于地下的金属管线 之上 包括直接充电法 感应法 夹钳法及示踪法 二是被动源法 即直接利用金属管线本 身所带有的电磁场进行探测 城市地下管线探测与常规的物探方法一样 可将其分为踏勘 仪器及方法技术选择 管线定位 点位测量和室内资料整理及成果图件编制五个阶段 各阶 段的主要工作内容如下 1 踏勘阶段 2 方法技术的选择 3 野外定位技术 4 野外点位测量 5 资料整理及编制成果图件 5 2 6应用实例 l 两平行暖气管线的探测 2 探测非金属管道 293 5 3用脉冲时间域探地雷达探测地下管线 5 3 3应用实例 图 2 5 22 为直径 3cm 长m 的铜管 埋深为 1 05m 位于水池中时的雷达剖面图 1 l 图中波形反映了铜管的存在 图 2 5 23 为 8 5cm 1m 埋深 1 04m 的硬塑料管位于水中的雷达实测剖面 实lh 测波形反映了硬塑料管的存在 图 2 5 24 为水中存在两根金属管上的雷达实测剖面 两根管的具体尺寸及位置为 左边 5cm 深 1 07m 位于 4 6m 处 右边 3cm 深 0 29m 位于 5 4m 处 波形图中明显 地反映出了两管线的存在 图 2 5 25 为某铁路工程电缆的探测结果 剖面的 43 6m 及 38 3m 处 分别为电缆集束和加有水泥护层 的电缆束 埋深均为 0 75m 图 2 5 26 郑州黄河大堤某工区引水拱形涵洞上的 探测结果 该涵洞上顶直径为 1m 由砖砌成 洞内淤 积泥土和充水 造成波形较大的衰减 5 4其它物探方法在管线探测中的应用 5 4 1红外线辐射法 红外线辐射探测的理论基础是斯蒂芬定律 2 5 18 4 kTI 式中为物体的辐射通量 为发射率 为常数 为I kT 绝对温度 图 2 5 22铜管上雷达剖面图图 2 5 23硬塑料管上雷达剖面 图 2 5 24两根金属管线上的雷达剖面 294 图 2 5 25电缆束上探测实例 在实际工作中 把大气背景的影响作为恒 定状态 覆盖物是均匀稳定的 那么在一天的 某一段时间内 大气背景可认为是不变的 所 测得的温度差异是由地下不同介质如水 铁 管 水泥管等热特性的差异所造成的 以上海某厂为例 工作场地为厂内一条长 30m 宽 4m 的水泥路 东西两侧为车间 日 照射时间为中午 12 时至下午 2 时 30分 地下 埋有自来水铁管 电缆 煤气管 水管直径为 10 2cm 埋深为 60 80cm 探测目的是查明 自来水管渗漏部位 所用测网为 10 20cm 在 地面温度最高和温度最低时进行测量 温差小 时 采用人工浇水降温办法 以便加大温差 并在计温阶段进行积温观测 观测结果以辐射 温度等温平面图和辐射温度剖面图表示 图 2 5 27 为采用日本产的 点温度辐射计 在该区 的实测结果 共布置了 6 条剖面 在高温和低温时进行观测 每次观测 读数三次 取其平 均值以部分消除场地热对流干扰 通过观测可知 地下水管与其周围介质的温度差异为 0 4 1 在午后观测时 管道上出现了高 低温的梯度带 具有一定的连续性和方向性 其两 侧为相对稳定和范围较大的低温区和高温区 位于水管两侧的 21 5 等值线闭合圈为水管渗 漏异常 其特征为在高温场背景上出现低温异常 由此可见 在物理条件适合时 红外线辐射法在探测管线方面也可取得较好的效果 5 4 2超声波法 工作原理是利用超声波能够在水中传播的特点 当仪器工作时 发射器按一定间隔不断 地发射出一定宽度的电脉冲 电脉冲传输到安装在机船底部的换能器上 换能器把电脉冲变 图 2