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熊俊楠, 孙铭, 彭超, 王泽根, 刘姗, 周坚. 基于探地雷达的城镇燃气PE管道探测方法[J]. 物探与化探, 2015,39(5): 1079-1084.
XIONG Jun-Nan, SUN Ming, PENG Chao, WANG Ze-Gen, LIU Shan, ZHOU Jian. The method for detection of town gas PE pipeline based on ground penetrating radar (GPR)[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(5): 1079-1084.
Doi:10.11720/wtyht.2015.5.33  
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《物探与化探》编辑部
基于探地雷达的城镇燃气PE管道探测方法
熊俊楠1, 孙铭1, 彭超1, 王泽根1, 刘姗2, 周坚3
1.西南石油大学 土木工程与建筑学院,四川 成都 610500
2.西南石油大学 教务处,四川 成都 610500
3.上海海洋石油局,上海 201206

作者简介: 熊俊楠(1981-),男,博士,副教授,主要从事管道探测与数字管道方面的研究工作。E-mail:neu_xjn@163.com

收稿日期: 2015-06-02
基金: 国家安监总局科技项目(2014-3281); 西南石油大学启航计划项目(2014QHZ034); 四川省教育厅项目(13ZB0202); 四川省应急测绘与防灾减灾工程技术研究中心开放基金(K2014B009); 四川省地理国情监测工程技术研究中心开放基金(GC201409)
摘要

燃气管网是城市能源输送的基础和保障, 准确的管道平面位置和埋深是燃气公司运营管理、建立GIS系统的重要信息。近年来,PE管由于防腐能力强等优点被广泛应用于中、低压城镇燃气输送中,由于PE管为惰性材料,非金属、不导电、不导磁,确定其在地下空间的位置一直是管道探测领域的难点。通过分析探地雷达的探测原理及其定位方法,研究了无示踪线敷设的PE管道在探地雷达中的成像特征及其与钢质管道、电缆等的区分方法,并分析了拐点、三通、带有套管的PE管道的确定方法,开挖验证了探测方法的可行性与精度,研究结果对提高PE管道的探测精度,建立燃气管网信息系统,确保管道安全运营等具有理论和现实意义。

关键词: 探地雷达; PE管道; 探测; 定位
中图分类号:P631.3 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)05-1079-06 doi: 10.11720/wtyht.2015.5.33
The method for detection of town gas PE pipeline based on ground penetrating radar (GPR)
XIONG Jun-Nan1, SUN Ming1, PENG Chao1, WANG Ze-Gen1, LIU Shan2, ZHOU Jian3
1.School of Civil Engineering and Architecture of SouthWest Petroleum University,Chengdu 610500,China
2.Dean's Office of SouthWest Petroleum University, Chengdu 610500,China
3.Shanghai Ocean Petroleum Bureau,Shanghai 201206,China
Abstract

Gas pipeline is the basis and guarantee of urban energy delivery, and hence accurate pipeline plane position and buried depth are important information for gas company operations management and the establishment of the GIS system. In recent years, due to the advantages of anticorrosion capability, PE pipeline has been widely used in medium and low pressure town gas transmission. As PE pipe is an inert material which is non-metallic, conductive, permeable, so it's difficult to determine its position in the underground space. In this paper, the authors analyzed the detecting principle and locating method of geological radar, studied imaging characteristics of PE pipeline in geological radar and the method for distinguishing steel pipe from cable, and investigated the inflection point, tee with casing, PE pipe. In addition, a method for determining the feasibility and accuracy of detection method was verified by the excavation. The research results have important significance in improving the detecting precision of PE pipeline as well as the gas pipe network information system.

Keyword: ground penetrating radar(GPR); PE pipeline; detection; positioning

随着我国经济的快速发展, 作为城市生命线的地下管道对城市经济发展影响越来越大[1]。PE(聚乙烯)管道因具有施工方便、抗腐蚀和环保性好等优点而被广泛应用, 由于此类管道为惰性材料, 非金属、不导电、不导磁, 埋入地下后其平面位置和埋深不易查明, 经常发生施工机械挖漏、挖断燃气管道等第三方破坏现象, 由此造成的燃气泄漏和爆炸事故也时有发生。

为解决PE管探测定位难的问题, 较有效的办法是在铺设过程中将一(或两)条导线(简称示踪线)与PE管道一起埋入地下, 为间接探测PE管道位置提供物理前提。然而, 实际工程中示踪线随管道埋设时易断裂, 且老的PE管道并未埋设示踪线, 因此, 开展地下PE管道的探测、定位研究对管道系统更有效、安全地运营具有重要意义[2]。对金属管道的探测主要借助于地下管线探测仪, 其工作原理大部分是基于电磁场理论和电磁感应理论, 但是, 由绝缘材料聚乙烯制作而成的PE管道难以用这些方法探测得到。近年来, PE管道探测成为物探、测绘等领域研究的重点。肖良武等成功运用APL探测出PE160燃气管线[3], 张汉春等运用RIS-K2探地雷达成功探测出PE110煤气管线等[4]。这些方法都能探测出PE管线的大致位置; 但是, 都存在精度不高、效率低下, 拐点、三通等特征点确定困难的问题[5], 因此, 如何准确、快速确定出城市燃气PE管道的平面位置、埋深、拐点等, 是城镇燃气、测绘领域共同关注的热点问题。笔者通过分析IDS地质雷达的工作原理, 以成都市新都区燃气PE管道探测为例, 探讨了燃气PE管道的探测方法, 并通过开挖验证了探测结果的准确性。

1 探测原理
1.1 采集系统

探地雷达系统主要分为三个部分:主机、天线、后处理软件[5, 6, 7, 8]。雷达天线有多种频率, 天线频率越高, 探测分辨率越高, 探测深度越浅。探地雷达的总体结构如图1所示, 包括发射天线, 接收天线、控制单元、微机系统等。

图1 探地雷达系统结构

1.2 管线探测的物理原理

探地雷达最先是以空气为介质来达到相关探测目的, 当人们在非金属管道探测中遇到阻碍后, 发现探地雷达在管线探测中也能发挥很好的作用[9]。探地雷达在管线探测中应用的物性前提是目标管线与周边介质的介电常数、电磁波传播速度存在一定差异, 管线探测工程常用的介质及其介电常数如表1所示 [10]。

表1 常见介质的介电常数[10]

从表1可以看出, 金属的相对介电常数非常强, 电磁波穿透不了金属就形成了全反射。而土壤的介电常数与塑料粒、PE颗粒、PP颗粒介质不同, 它们之间就会发生电磁波反射。利用这一特性, 就可以通过雷达波形较好地确定出非金属管线。

1.3 工作原理

通过分析探地雷达的采集系统和工作原理, 可以知道探地雷达有连续作业、高效率、无损探测等优点。探地雷达的工作原理如图2所示。当探地雷达天线移动到目标管线正上方并由主机发出扫描命令后, 发射天线向地下发送极化、高频率的电磁波[11]。由于在地下存在不同介质, 且同一介质中又存在不均匀性, 如土壤层、地下公用设施、石头、碎石、空洞和其他异常, 部分电磁波从不同的绝缘体材之间反射出来, 这样就能探明地下目标。

图2 探地雷达工作原理示意

理论上只要满足电磁波探测条件, 探地雷达就可以实现对各种材质管线的探测[12]。而其他的电磁波(部分电磁波被反射之后剩下的电磁波)根据能量守恒定律, 波的能量被底层所吸收, 它逐渐衰减直到能量完全被吸收, 信号变得很微弱。介质分界线的电磁波反射是不同基础物体和土壤层材料的电场和磁场反应的结果。

在探测时, 发射天线很接近接收天线, 甚至发射天线与接收天线合在一起。正因为如此, 发射天线的边界到所测管线顶部的距离约等于管线与土层介质边界到地面接收天线的距离。从天线到地下目标的距离随着天线的移动不断地变化。如图2所示, X-N, …, X0, …, XN为目标正上方位置到天线的水平距离, d-N, …, d0, …, dN是所探测的管线深度。雷达可测量信号从发射天线发出至信号到达目标的传输时间, 利用电磁波在介质中的传播速率即可计算出天线至目标的距离[13]。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的导电率和天线频率, 导电率越高, 穿透深度越小, 天线频率越高, 穿透深度越小, 分辨率越高; 反之亦然。

2 实验研究
2.1 实验区概况

本次实验场地位于成都市新都区的东工业园区, 该区土壤多为砂土, 区域内管道多分布于道路两侧的人行道或绿化带中, 管道分布密集, 各种管道交叉分布情况较多[14]。区域内PE管道多为燃气管道, 另有给水钢质管道、排水管道、雨水管道、污水管道以及电缆等。本研究以确定燃气PE管道平面位置、埋深、拐点、三通点为主要任务, 结合工程开挖予以验证。

2.2 PE管道成像特征及其探测方法

由于传统的地下管线探测理论主要针对金属管线, 普通的管线探测仪难以探测PE材质的管道, 笔者运用的探地雷达利用阻抗分界面差异原理实现地下非金属管线探测[15, 16]。

图3为雷达天线垂直于道路得到的剖面波形, 图中左边为一条中压PE燃气管道的图像, 管径为160 mm, 而右边是一根PVC水管的图像。从两者的比较可以发现, PE管的雷达剖面幅值较弱, 且无多次反射波, 而PVC管有多波次的反射。这是由于雷达发射的信号穿透了PVC管道后, 传播到管道下方的土质层, 然后逐次反射形成的。

图3 PE管道与PVC管道雷达剖面

PE管道的探测深度为0.75 m, 参考点到管道正上方距离为2.05 m, 实际开挖深度为0.8 m, 参考点到管道正上方距离为2.13 m, 平面误差为0.08 m, 埋深误差为0.05 m, 满足限差要求。

一般情况下同一种管线相同埋深, 管径大的管线探测效果比管径小的探测效果好, 其次探测效果的好坏还与探测时受干扰的情况有关, 探地雷达探测目标管线的直径与埋深之比小于1/10的管线很难有效探测。

地下管线繁多, 有时一条路上会有多个管道并排敷设, 如电信管线、PE管道、电力管线、给水管线等, 如何区分这些管线成为探地雷达探测管线的一个难点。由于雷达在地面探测后显示的图形为波形图, 同材质的管线就很难区分, 但可以区分非金属管线与金属管线。要确定目标管线, 还需要巡线人员经验以及设计资料进行判断。

(1)PE管道与电缆线的区分。图4为PE管道与电力管线并行时所得到的雷达剖面, 二者存在区别。PE管道是单次反射, 而电力线是多次反射, 虽然二者表面材质相近, 但由于电缆线通电产生电磁场, 导致反映在雷达中的波形差异, 因此可以较好地将PE管道与电缆线区分开来。

图4 PE管道与电缆线雷达剖面

(2)PE管道与电信线的区分。如图5所示, 该PE管道敷设在十字路口与电信管线并行, 两类管线的埋深大致相同, 燃气管道的埋深为0.4 m, 电信管线的埋深约为0.5 m。可以看出燃气管道与电信管线水平间距约为0.6 m, 但是两者的波形图不一样, 一个是多波次, 另一个是单波次, 因此可以很明确的判定出PE管道的位置。

图5 PE管道与电信线雷达剖面

(3)PE管道与给水管线的区分。从图6中可以看出, 给水管线比PE管道的雷达剖面图要明亮清晰的多, 因为给水管线内部充满了水, 而水的介电常数非常大, 介电常数差异就增大, 于是雷达波反射就非常的明显。与之相比PE管道就黯淡得多, 根据这一特征, 就可以区分出这两类管线。

图6 PE管道与给水管线雷达剖面

通过对探地雷达在近间距并行管线探测中的分析发现, 在探地雷达所能探测到的范围内还要使波形呈现不同的形状, 才能区分PE管道与其他管线。这就需要两类管线的埋深不能超过所选天线探测的范围, 而且该范围要以探测清晰为前提; 在此基础上还要满足这两种管线的介电常数或管线内部填充物的介电常数有很大的差异, 这样才能使管线雷达在地面扫过的剖面呈现出不一样的波形, 从而区分两条并行管线。

2.3 特征点的确定方法

2.3.1 拐点的确定方法

在燃气PE管道的敷设中, 由于受地形的限制, 常要根据需要确定两条直线段的转折处, 即拐点的位置。由于探地雷达是按点集的方式探测, 每次探测时都是标定一个目标的点位, 只有探测到两个点位连成一条直线后, 才能找到管线的大致方向。但是为了确保管线点的准确性, 通常会选取3个点, 第三个点作为验证来确保管线在一条直线方向上。基于几何关系就能用两条直线交汇出一个拐点来。如图7所示, 用直线交汇的方法来探明PE管道的拐点, 先找出其中一条管线的两个探测点, 在地面用红漆做标志画出直线, 然后用两个探测点定出另一侧的管线。最后将这两条直线交汇于一点, 该点即可判定为管线的拐点。

图7 交汇法探明拐点

2.3.2 PE管道三通点的确定方法

在燃气PE管道的敷设中, 常有支线分出, 在进行管道探测时, 就需要确定出PE管道支线与主线连接的位置, 即三通点的位置。燃气PE管道的三通点通常是在进入厂区、用户的管线与主线的连接处, 如果支线与主线是呈90° 的管线, 那么用探地雷达就比较容易判定出。利用探地雷达进行探测作业时, 仪器垂直于管线的方向进行扫描, 所显示的图像是管线的横断面, 用这种方式扫描的雷达信号与波的振幅是最强的。探测三通点时, 也可采用间接的几何交汇法, 首先按上述方法找到主管线的走向, 然后在主管线的旁边将雷达旋转90° 平行于主管线进行扫描, 这样支管线的横断面就可以被清晰地扫描出来[19]。如图8所示, 用交汇法定出三通点的位置。

图8 管线三通点的位置确定

2.4 含套管的PE管道确定方法

由于PE管抗压性较差, 穿越道路时通常设计成喇叭口形, 而且敷设过路管线时还要在管线的外部加一层混凝土套管, 以确保管道的安全。这种施工方法无疑加大了管线探测的难度, 除了用上述交汇法找出拐点以外, 还要识别出过路时管线的波形图[20]。探测的困难在于探测者往往不清楚相同位置穿越道路管线的数量。图9为实验中探测的一条外加套管的PE管道, 图中可以看出过路管线的埋深约为0.75 m, 其波形呈现两层波, 最上层波明亮清晰, 下面一层波色黯淡, 可以判定为套管和PE管道两者具有不同介电常数所致。其水平位置x=0.12m, 经过开挖验证管线埋深为0.81 m, 水平位置为0.21 m。

图9 带有混凝土套管的PE管道雷达剖面

3 探测结果验证及精度分析
3.1 开挖验证

验证管线探测的正确性和精确度的有效方法是开挖。本次开挖验证从探测确定的PE管道点位中随机选取10处作为探测精度分析的样本。开挖后分别量取了各点位相对固定参照物的探测距离、开挖距离、探测埋深、开挖埋深, 并以此结果作为精度分析的基础数据。管线开挖结果如图10所示。

图10 PE管道探测结果开挖验证

3.2 PE管平面位置探测的精度分析

通过对各开挖点进行测量, 获取部分PE管道探测点相对于固定参照物的平面精度统计如表2所示, x为点位与固定参照物的水平距离。根据误差传播规律, 管线点位水平中值误差为式中, n为探测点数, Δ x差为探测点位的水平距离x探和实际开挖的管线水平距离x挖之差, Δ x差i2为差值的平方和(i=1, 2, …, n)。已探测10组数据, 计算得出误差为8.05 cm。

mx=±Δx差12+Δx差22+…Δx差n2n,

表2 PE燃气管线探测点点位水平精度分析
3.3 PE管道埋深探测的精度分析

通过对各开挖点埋深进行量测, 得到各管道顶端距离地表的埋深如表3所示, h为管线的埋深, mh为管线点位中值误差。根据误差传播规律, 管线点位埋深中值误差为

mh=±Δh差12+Δh差22+…+Δh差n2n,

式中, n为探测点数, Δ h差为探测点位的埋深h探和实际开挖的管线埋深h挖之差, Δ h差i2为差值的平方和(i=1, 2, …, n)。代入已探测的10组数据, 计算得出误差为8.28 cm。

表3 PE燃气管线探测点点位埋深精度分析
3.4 探测PE管道的适宜性分析

通过实验和开挖验证, 分析了探测埋深、平面位置与实际值的差异, 得出探地雷达法在探测PE管道时的适用范围为:探地雷达探测目标管线的直径与埋深之比要大于0.1, 管线管径越小, 管线埋设越深, 探测精度就越低。同时, 探测区雷达天线扫过的地面要平整, 电磁干扰要尽量小等。

4 结论

笔者通过分析城镇燃气PE管道的特殊性及当前探测中存在的问题, 从探地雷达的原理和介电常数入手, 分析探地雷达探测PE管道的可行性。通过实验, 对PE管道与其他城市管线的区分方法, PE管道拐点、三通点的探测方法等进行了研究, 并通过开挖验证, 分析了探测精度和该方法的可行性。研究表明, 探地雷达法用于城镇燃气PE管道的探测是可行的, 对于近距离并行管线、拐点或三通点难以确定的问题, 通过几何方法, 辅以设计资料、巡线人员经验等, 可以较好地确定出PE管线位置。该法探测PE管道具有无损性、高效性、高精度等优点, 在城市地下PE管线探测中具有广阔的应用前景。

The authors have declared that no competing interests exist.

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