1? 引言
隨著我國經濟的迅速發(fā)展，水利工程行業(yè)充滿了發(fā)展機遇，同時也面臨嚴峻考驗 [1]。在水利工程的設計和施工階段，避開地下管線是至關重要的一個環(huán)節(jié)。地下管線（如石油管道、燃氣管道、國防通信管線、高壓電力管線等）承擔著輸送石油、天然氣、通信、電力等功能，是城市發(fā)展的基礎 [2]。地下管線的復雜性高、信息化程度低、管理不統(tǒng)一等，難以通過資料搜集和整理獲得準確的地下管線信息。特別是施工階段，挖斷管線時有發(fā)生。不僅存在重大安全隱患，而且造成經濟損失 [3]。如何獲得準確地下管線信息，成為了一個重要課題。
隨著科學技術的發(fā)展，地下管線的探測方法也愈加多樣，主要包括直接開井測量和物探方法間接測量。使用物探方法探測地下管線的物性基礎在于：目標管線和周圍介質存在物性差異，如介電常數(shù)、磁導率、電導率、密度等。物探方法如高密度電法、井中磁法、瞬變電磁法等 [4]，受到場地和測區(qū)環(huán)境的限制，應用場景有限，管線儀法和探地雷達法仍是基礎、高效、便捷的地下管線探測方法。文章將從探測原理、探測方法、數(shù)值模擬和實際應用幾方面進行探討。
2? 管線儀的工作原理和應用
2.1? 管線儀的探測原理
常用的管線儀如 RD8100 和 RD8000 等，探測原理為電磁感應，即：管線儀發(fā)射機發(fā)射電磁信號，在金屬管線中會產生感應電流 ( 也稱為等效電流 )，感應電流往周圍激發(fā)出變化電磁場，接收機接收到該電磁信號。根據(jù)接收到的電磁信號，就可以判定目標管線的位置和埋深等信息 [2，3]。
2.2? 管線儀的探測方法
根據(jù)管線儀發(fā)射機激發(fā)信號的方式不同，可以將常用的探測方法分為 3 種：夾鉗法、直連法、感應法 [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，使得管線穿過夾鉗。主要用于通信、電力、路燈等管線的探測，優(yōu)點在于抗干擾能力強，
缺點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，盡可能遠且垂直于管線走向，正極連
接管線的位置要除銹、刮開保護殼 ( 刮開油漆或者塑料層 )。主要應用于有示蹤線的燃氣管、有電位測試樁的石油管或燃氣管、鑄鐵輸水管等。優(yōu)點在于
可以較長距離的追蹤管線，缺點是抗干擾能力相對較弱。
（3）感應法是指將發(fā)射機放置在目標管線上方，接收機沿著管線走向確定其位置和深度大方法。該方法的優(yōu)點在于適用性強，缺點在于易受到其他信號的干擾。在實際工作中，以上兩種方法不適用才使用該方法。
根據(jù)管線儀接收機接收信號確定位置和深度的原理不同，可以將常用探測方法分為以下 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化為無限長直導線，根據(jù)右手螺旋定則，管線周圍會產生“環(huán)狀”的磁場，如圖 2 所示。
在目標管線正上方的磁場水平分量達到*大，垂直分量*小。測量水平分量對應極大值法，測量垂直分量對應極小值法。RD8100 接收機內部有 2個水平線圈 ( 用于極大值法 ) 和 1 個垂直線圈 ( 用于極小值 )，采用極大值法定位時 2 個水平線圈工作，抗干擾能力較強；采用極小值定位時垂直線圈工作，抗干擾能力相對較弱；采用極大 / 極小值法定位時，結合以上 2 種方法，但隔一段距離需要極大值法或極小值法驗證。
2.3? 管線儀的數(shù)值模擬
等效電流在周圍激發(fā)磁場的基本解析表達式 [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 為管線周圍介質的磁導率，h 為地面到管線的距離，x 為探測點到目標管線地面投影的距離。以某測區(qū)實際探測的情況為例，電流為 10 mA，h 埋深為 0.8 m，周圍介質為土壤，磁導率為 0.001。地面的信號 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信號變化規(guī)
律。極大值法在目標管線正上方達到*大，離目標管線越遠，Hx 的值越小，趨近于 0，如圖 3 中線 1 所示。極小值法在目標管線正上方為 0 值，距離目標管線為 h 時有*大值，遠離目標管線 Hz 的值越小，趨近于零。若考慮場的方向，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 在場值為正時，曲線完全重合。
若目標管線附近存在其他干擾源，假設距離目標管線 0.5 m 處有其他信號干擾，等效電流為 9 mA，埋深為 0.8 m，可以對干擾情況下的磁場進行模擬，模擬結果如圖 4~ 圖 7。
如圖 4 所示，干擾源和目標管線中的等效電流一致時，疊加信號強度變大，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時，疊加信號強度變小，且出現(xiàn)了兩個極大值點，不對應目標管線，在實際中會造成探測結果誤差。
如圖 6 所示，目標管線和干擾管線等效電流方向一致時，疊加信號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時，疊加場
中有兩個極小值點，與目標管線不對應，在實際探測中會產生誤差。
2.4? 管線儀實際應用
（1）上節(jié)討論的干擾源與目標管線的等效電流大小近似，產生了如圖 5 和圖 7 中的誤差情況。實際探測中可以改變發(fā)射機的發(fā)射頻率，重復探測來確定管線的位置和埋深。
（2）若測區(qū)中無明顯管線出露，可以采用感應法：一人手持發(fā)射機，另一人手持接收機，間距 15~20 m同時移動在測區(qū)內感應，確保無遺漏。
（3）管線探測時，可以在有出露或埋深較淺的位置開挖驗證，確保探測準確性。
3? 探地雷達的工作原理和應用
3.1? 探地雷達的探測原理
基于電磁波遇到不同的介質會發(fā)生反射和透射的原理，探地雷達發(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，反射回地面的信號被接收天線接收，透射信號向下傳播，直到信號能量耗盡 [4,6]。
根據(jù)反射信號的走時和強度，經過數(shù)據(jù)處理可以確定地下管線的材質、管徑、埋深等信息。
3.2? 探地雷達的探測方法
探地雷達根據(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)對應地面某一點的地下情況；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位置固定，同時沿著某一設定好的測線進行探測，采集的數(shù)據(jù)對應測線下剖面的地下情況，常見的“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線，在每條測線上進行 B-scan 測量，采集數(shù)據(jù)對應地下三維情況。
3.3? 探地雷達的數(shù)值模擬
探地雷達數(shù)值模擬的物理方程是Maxwell方程，對該方程進行微分表示，推導出符合探地雷達模擬的二維橫磁波（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 對應電場的 z 分量，Hx、Hy 對應磁場的 x 和 y 分量，ε、μ 對應介電常數(shù)和磁導率，σ、ρ 對應電導率和電荷密度。使用有限差分法對式（3）進行離散，就可以進行正演模擬。
GprMax 是探地雷達時間域有限差分正演軟件，使用該軟件需要對以下參數(shù)進行定義：模型大小、網(wǎng)格尺寸、時窗長度、介質參數(shù)、子波類型，發(fā)射天線和接收天線位置及步進距離，介質在模型中的位置等；吸收邊界和并行等參數(shù)為默認。
設置模型大小為4 m×3 m，網(wǎng)格尺寸為0.005 m，時窗為 60 ns，子波是主頻 200 MHz 的雷克子波，天線步進距離為 0.1m，介質參數(shù) [6] 見表 1 所示。
如圖 8 所示，模型頂部介質為空氣表示地表，兩側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
道內部充滿水。
如圖 9 和圖 10 所示，在 35 ns 可以看到鑄鐵管對應的反射數(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 材質的管線為例進行模擬，同時放置
3 個不同深度的管線，對比深度對模擬數(shù)據(jù)的影響。如圖 11 所示。設置模型大小為3 m×2 m，網(wǎng)格尺寸為0.005 m，時窗為 60 ns，子波是主頻 200 MHz 的雷克子波，天線步進距離為 0.05 m，介質參數(shù)見表 1 所示。
如圖 12 和圖 13 中所示，A、B、C 分別對應不同埋深的 PVC 管線的反射曲線，隨著深度增加信號強度降低，同時出現(xiàn)了多次反射波。
再以水泥管為例進行模擬，設置模型大小為6 m×3 m，網(wǎng)格尺寸為 0.005 m，時窗為 80 ns，子波是主頻 200 MHz 的雷克子波，天線步進距離為 0.1 m，
介質參數(shù)如表 1 所示。左側管中為水，右側管中為空氣。如圖 14 所示。
如圖 15 和 16 中所示，充滿水的管對應反射曲線為 B，空管對應曲線為 A。曲線 B 的強度相對較大，同時稍深位置產生了一個較弱的曲線 C。在兩個管之間產生了較為復雜的多次反射曲線 D。
3.4? 探地雷達的實際應用
以湛江市飲調水工程某測區(qū)內的 DN1200 鑄鐵給 水 管 為 例，BS-M 探 地 雷 達 發(fā) 射 天 線 頻 率為 200 MHz，相對介電參數(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。經過現(xiàn)場驗證，判斷為 DN1200 的鑄鐵水管。
該工程某測區(qū)有 DN315 材質 PVC 的燃氣管，使用直連法無信號，推測示蹤線被破壞。因此使用探地雷達探測，相對介電常數(shù)為 10，采集的雷達數(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，確定該信號對應燃氣管。
該工程另一測區(qū)有 DN1000 材質水泥的排水管，可直接開井探測。為了驗證探地雷達信號，發(fā)射天線頻率為 200 MHz，相對介電參數(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，對應水泥管，與實際開井量測深度一致。
4? 結束語
文章討論了水利工程中地下管線探測的管線儀法和探地雷達法的探測原理、探測方法、數(shù)值模擬、實際應用等。對管線儀探測極大值法和極小值法產生誤差的原因進行討論，采用 GprMax 軟件對不同材質、管徑、埋深、管內是否含水情況下的管線進行正演模擬，同時對 3 個實地探地雷達數(shù)據(jù)進行討論。
給出以下建議：
（1）地下管線埋設情況多樣，管線儀法和探地雷達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方面優(yōu)勢較大，探地雷達法則彌補了
非金屬管線探測的不足，結合兩者可以更好地服務
地下管線探測。
（2）管線儀探測方法的選擇取決于探測管線的材質和埋設情況，不同管線需選用不同的探測方法，具體情況具體分析。
（3）探地雷達是一種高效的探測方法，實測數(shù)據(jù)由于地面回波、場地不平整、噪聲等影響，目標管線的反射曲線會被“壓制、扭曲”等，不易識別。通過
GprMax 軟件正演模擬探地雷達的電磁波傳播，可以研究不同地下情況的探地雷達信號，有利于實際數(shù)據(jù)的識別。
