《工程测量》-教案05-地下管线探测的方法和仪器

学期授课教案20XX—20XX学年度第X学期课程编号课程名称工程测量学分/学时2学时授课专业授课班级任课教师20XX年X月-4-教学设计项目/章节第九章第6节专业XXXX教师XXX任务名称地下管线探测的方法和仪器班级XXX时间XXX授课形式PPT讲授课时4课时地点XXX学情分析知识基础：已经学过基础测量、控制测量、测量平差等课程技能基础：能够使用全站仪、水准仪、GNSS接收机进行基本测量操作。任务目标技能目标能够使用管线探测仪进行金属管线探测。知识目标1.掌握地下管线探测的方法；2.掌握地下管线探测的仪器；素质目标1.培养学生对《工程测量》学习的兴趣；2.强化学生的岗位意识，增强责任感；3.培养学生团队协作能力和认真负责的敬业精神。教学策略教学重点解决措施重点：管线探测仪的使用方法；措施：通过比较法让学生加深理解。教学难点解决措施难点：陀螺经纬仪的工作原理；措施：通过演示陀螺仪特性的相关动画让学生加深理解。教学组织班级授课√实训教学√分组教学个别教学协作教学现场教学教学实施流程导图开始上课、考勤开始上课、考勤复习旧课引入本节课内容陀螺仪的基本特性陀螺仪的指北原理总结本节的重难点，布置作业下课地下管线探测的方法地下管线探测的仪器教学过程教学步骤与内容备注9.6.1地下管线探测的方法地下管线探测是要确定地下管线的位置，包括平面位置和埋设深度（埋深），平面位置为管线中心点在地面的投影，埋深为管线点到地面的垂直距离。探测时要在地面上标出地下管线探测点的位置，通过测量获得其平面坐标和高程。地下管线探测方法有两种：一是开井调查、开挖样洞和进行触探的方法，另一种是用地下管线探测仪进行物探的方法。两种方法要结合起来，以物探方法为主。地下管线探测中使用的管线探测仪品牌、型号较多，其结构设计、性能、操作和外形各不相同，但都是以电磁场理论和电磁感应定律为基础设计的，由发射机与接收机两大部分组成。工作原理相同，可用图9.45来说明。管线探测仪的发动机在地下管线上施加一个交变电流信号，该信号在管线传输中，会在管线周围产生一个交变的磁场，将磁场分解为水平和垂直方向的磁场分量，通过矢量分解可知，在管线正上方时水平分量最大，垂直分量最小，而且它们的大小与管线的位置和深度呈一定的比例关系。用管线探测仪接收机的水平和垂直天线分别测量其水平和垂直分量的大小，就能测出地下管线的位置和深度。地下管线物探方法分为电磁感应法、探地雷达法、直流电阻率法、弹性波法、磁法和红外辐射测温法等，电磁感应法又分为被动源法和主动源法两大类，弹性波法又分为浅层地震法和水声法两大类。（一）电磁感应法依据电磁感应原理，利用电磁场信号能否在接收机线圈中产生出感应电流的方法判断是否存在地下管线，分为被动源法和主动源法两大类。1.被动源法利用管线探测仪进行工作，此种方法不利用发射机主动发射信号，只利用接收机接收探测区域存在的信号，常用于管线盲探，分为工频法和甚低频法两类。（1）工频法利用工业电流激发金属管线感应产生的二次电磁场。特点是方便简单，成本较低，工作效率较高，用于干扰相对较小地区的地下电力管线和金属管线定位。（2）甚低频法利用甚低频无线电发射台发射的电磁波对金属管线感应产生的二次电磁场。特点是方便简单，成本较低，工作效率较高，但精度不高，信号强度受电台影响大，用于具备条件地区的地下电缆或金属管线的搜索。许多国家为了通信及导航目的，设立了强功率的长波电台，其发射频率一般为15～25kHz，在无线电工程中，将这种频率称为甚低频（VLF）。能为我国利用的电台有：日本爱知县NDT台，频率为17.4kHz，功率500kW；澳大利亚西北角的NWC台，频率15.5kHz及22.3kHz，功率1000kW。甚低频电台发射的电磁波，在远离电台地区可视为典型的平面波。由于发射天线垂直，故磁场分量水平，且垂直于波的前进方向。当地下管线走向与电磁波前进方向一致时，因一次磁场垂直于管线走向，管线将产生感应电流及相应的二次磁场。由于一次场均匀，管线所形成的二次磁场具有线电流性质。其感应二次场强的强度与电台和管线的方位有关。2.主动源法此种方法需管线探测仪的发射机发射信号，接收机接收信号，两者频率相同。分为直接法、夹钳法、感应法、示踪法四类。（1）直接法利用管线探测仪发射机一端连接金属管线，另一端接地或管线远端，在管线上直接施加电磁场源信号。特点是精度较高且不易受邻近管线干扰，适用于有出露点的地下金属管线的定位、定深。（2）夹钳法利用专用夹钳夹套金属管线，通过夹钳感应线圈在金属管线上施加场源信号。特点是精度较高且不易受邻近管线干扰，但可探查管线规格受夹钳大小限制，适用于有出露点的地下金属管线的定位、定深。（3）感应法利用管线探测仪发射机激发，地下金属管线感应产生二次电磁场，分为电偶极感应方式和磁偶极感应方式。特点是可具备接地条件下的金属管线探查、追踪，或者定位定深。电偶极感应时需要良好的接地条件，磁偶极感应不需接地，操作更为灵活，二者可结合使用，适用于地下金属管线探查，不需要管线出露点。（4）示踪法又叫轨迹探测法，将电磁发射探头放入非金属管道内沿管道走向移动，在地面用仪器接受追踪发射信号。特点是可利用管线探测仪探测非金属管道，多用于定位，适用于具有出入口且能移动发射探头的地下非金属管道。（二）探地雷达法利用高频电磁波向地下发送并接收地下管线的反射电磁波。特点是既可定位又可定深，可单频率天线工作也可多频率天线组合，需要进一步资料处理与解释，探查深度有限，既可用于地下金属管线探查，也可用于地下非金属管线探查。（三）直流电阻率法利用人工建立的地下稳定电流场，地面观测电流场的变化。特点是需要具备良好的接地条件，分辨率较低，需要进一步资料处理与解释，可以定位、定深，适用于管径较大的地下金属管线和非金属管线。（四）弹性波法依据目标介质中弹性波传播速度测定结果的差别判断是否存在地下管线的方法。分为浅层地震法和水声法两大类。1.浅层地震法（1）透射波法利用人工震源激发产生地震波，根据接收的透射波时程的变化进行判断。特点是需要借助人工震源、钻孔等，需要进一步资料处理与解释，可以定位、定深，条件具备时用于大管径地下管道的探查。（2）折射波法利用人工震源激发产生地震波，通过地下介质波速解译进行判断。特点是需要足够的作业场地空间、人工震源，需要进一步资料处理与解释，可以定位、定深，条件具备时用于较大管径地下管道的探查。（3）反射波法利用人工震源激发产生地震波，通过接收来自地下的反射波，多使用地震映像法。特点是需要足够的作业场地空间、人工震源，需要进一步资料处理与解释，可以定位、定深，条件具备时用于探查较大管径的地下金属管道和非金属管道。（4）面波法利用人工震源激发产生地震波，通过接收瑞雷面波，分为稳态和瞬态两种方式。特点是需要足够的作业场地空间、人工震源，需要进一步资料处理与解释，可以定位、定深，稳态设备较为笨重，瞬态设备相对轻便，实际以多道瞬态面波法应用较多，条件具备时，探查较大管径的地下金属管道和非金属管道。2.水声法（1）旁侧声纳法利用声发射装置向水中发射一定频率的声波，通过接收水中回声进行判断。特点是水上作业，仅探查水底上管道，资料处理较为简单，适用于探查水下较大管径的管道。（2）浅层剖面法利用特制弹性波震源激发产生高频地震波，接收来自水中及水底下的反射波进行判断。特点是连续走航探测，需要水上作业，需要进一步资料处理与解释，可定位、定深，可用于探查水下较大管径的管道。（五）磁法利用磁场变化对铁磁性金属管道进行探查，分为磁场强度法和磁梯度法两类。1.磁场强度法利用金属管线与其周围介质的磁性差异测量磁场强度变化。特点是探测深度较大，但易受附近磁性体干扰，可定位、定深，用于铁磁性地下金属管道探查。2.磁梯度法测量单位距离内磁场强度的变化，分为地面磁梯度法和井中磁梯度法。特点是易受附近磁性体干扰，井中磁梯度法需要借助钻孔，用于铁磁性地下管道的探查。（六）红外辐射测温法利用管道或其传输介质与管道周围介质之间的温度差异。特点是操作简便，需要高分辨率温度测量仪器，用于地下热力管道、工业管道或其他具备探查条件的地下管道。间距很小并行管线探测，并排管道区分，拐点、终点、分支点及变坡点确定，以及上下重叠管线探测是地下管线探测中的难点，需要采用特殊方法和技术解决。地下管线探测野外采集数据时应尽可能减少噪声，提高信噪比。在信号处理方面，可将小波变换、遗传算法和神经网络等方法，应用于地下管线探测信号分析，还需要和开井调查、开挖样洞和进行触探结合，与化探结合，综合运用多种探测方法，提高地下管线探测中管线位置确定的精度。9.6.2地下管线探测仪器采用物探方法能确定地下管线平面位置和埋深的仪器称为地下管线探测仪。其发展经历了从高频到低频，从单频到多频，从一瓦到几十瓦的历程。1915年至1920年，美国、英国和德国先后生产了探测地下地雷和未引爆的炸弹等金属的探测仪。第二次世界大战后，出现了应用电磁感应原理的地下金属管线探测仪。20世纪80年代后，仪器的信噪比、精度和分辨率大大提高，而且更加轻便和易于操作。探地雷达的开发应用，进一步拓宽了地下管线的探测范围。目前市面上的管线探测仪器很多，下面以英国雷迪公司的RD8000地下管线探测仪和美国GSSI公司的GSSI探地雷达为例来进行介绍。（一）RD8000管线探测仪是英国雷迪公司生产的，现在市场上使用比较广泛的一款管线探测仪，主要用来探测金属管线，主要由发射机和接收机两部分组成，另外还有一系列附件，如：直连线、夹钳、延长线、电极等。各部分功能：发射机：发射信号接收机：接收信号直连线：直连法时连接，用来探测给水管线等有阀门的金属管线时使用；夹钳：直连法时连接，用来探测通讯管线等比较细的金属管线时使用；延长线：当检修井较深，直连线长度不够时连接到直连线的一极，起延长作用；电极：与直连线的负极连接，用来接地。RD8000管线探测仪的工作模式有主动频率法和被动频率法。主动频率是由发射机加载到地下管线上的频率。信号加载有两种方法：感应法和直连法。RD8000支持四种被动频率：电力、无线电、阴极保护和有线电视信号。探测这些频率，不需要发射机，只需要把接收机频率调整到相应的被动频率即可。（二）GSSI探地雷达GSSI探地雷达是美国GSSI公司的产品，该公司创始于1969年，是世界上第一家专业研制探地雷达的公司，其前身为美国宇航局。产品遍布全球，目前全球超过4500套，占全球销量70%以上；在中国超过500套，占中国市场份额的60%以上。美国劳雷工业公司，成立于1992年，主要从事科技仪器的应用研究、系统集成、市场营销、技术支持和售后服务、以及工业专用技术装备的贸易和工程技术咨询服务的公司。是国内最早、最大、最具影响力的一家物探仪器设备销售及服务公司。公司总部在美国硅谷地区，分别在北京、上海、成都、香港设有办事处。自1994年以来，劳雷公司首先将GSSI公司的雷达引进中国并一直作为GSSI公司在中国和远东地区的独家代理和合作伙伴。十多年来在地质雷达销售、应用和开发方面，积累了丰富的经验和技术储备，素以技术、诚信和良好的服务著称。GSSI探地雷达主要由主机、天线、连接电缆、测量轮等部分组成，如下图所示。各部分功能：主机：进行各项探测操作，显示雷达图像，进行数据通讯天线：发射和接收信号连接电缆：连接主机和天线测量轮：距离模式下用来测距GSSI探地雷达数据采集的方法主要有两种：连续模式、距离模式、。连续模式：又称时间模式，只要开始采集，仪器就不间断的采集数据，因此容易产生无效信息，数据处理过程也相对复杂，精度较距离模式要低，主要在一些无法利用距离模式施测的条件下使用。距离模式：每次测量之前都要进行测量轮标定，测量轮不转，仪器不采集数据，相比连续模式精度要高，数据处理也相对简单，使用普遍。思政小课堂加深学生对测绘行业的认知，培养学生的测绘素精神播放相关视频帮助学生理解管线探测的内容教学评价学生学习效果评价：小组评价、教师评价教师教学效果评价：自我评