地下管线探测技术研究与应用.docx

河南理工大学毕 业 设 计（论文） 题目：地下管线探测技术研究与应用院（系部） 地 勘 系 专业名称 地球物理勘查技术 年级班级 学生姓名 指导教师 2012 年 月 日摘 要本论文主要内容是对利用频率域电磁法，地下金属管线探测技术应用的研究。使用直接充电法和感应法探测地下管线（埋深、走向、对管线追踪），在使用仪器探测时的工作方法介绍。如何提高信噪比，在野外工作时问题的处理解决方法，要想使探测数据真实可靠，不但需要仪器的精确，还需要操作人员在野外能依靠经验区分信号的可靠性，来解决等干扰带来的问题，根据环境条件选择最佳的工作频率，取得最好的探测效果。关键词：频率域电磁法、RD8000、地下金属管线、直接充电法、感应法。目录第一章：引言1第二章 地下管线探测技术理论和研究22.1地下管线探测的技术前提22.2地下管线探测的技术特点32.3 地下管线探测技术方法42.4 地下管线探测的工作原则6第三章 用频率域电磁法探测地下管线野外工作方法73.1 最佳工作频率的选择73.2常用的工作方法83.2.1直接充电法83.2.2感应法93.2.3夹钳法9第四章 金属管线探测原理104.1 管线仪器介绍104.2管线位置及埋深的确定114.3管线中影响信号电流大小的因素13结束语14致谢15参考文献16第一章：引言地下管线使城市的重要基础设施，它担负着传输信息输出能量及排放废液的工作。由于历史原因，我国许多城市地下管网分布不清，档案管理不够规范，这给城镇、工矿企业的建设与改造以及管线的使用与维护带来许多困难。因此，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。随着经济社会的迅猛发展和城市化进程的快速推进，城市的人口、资源、环境所带来的压力日益严重，城市的空间资源日益短缺，这就需要现代化城市的规划、建设和管理必须把城市的地上和地下空间作为一个整体来考虑，地下空间是一种极其宝贵的资源，不可再生，一旦无序开发，就会产生不可挽回的损失。作为地下空间的主载体城市地下管线，是城市的重要基础设施，是城市生存和发展的血脉，科学、准确、完整的地下管线现状信息是地下管线安全、高效的保障。为保证地下管线信息的科学性、准确性和现势性，目前国内通行的运做模式是：通过城市地下管线普查，建立综合地下管线数据库，进行地下管线竣工测量更新综合地下管线数据库。由于地下管网种类繁多，再加上不同历史时期又遗留下大量废弃管线，这些复杂情况给地下管网的勘察和测绘带来很大困难。因此地下管网调查不仅需要研制系统化的，能够对管线进行快速和有效跟踪的仪器设备，而且也需要不断研究和总结管网探测中的一些方法、技术，从而使地下管网探测这一地球物理勘探的新领域能得到迅速发展。第二章 地下管线探测技术理论和研究地下管线可以被探测到是由于它与其周围土壤介质之间存在有明显的物性差异。一切地下管线与其周围介质之间最明显的物性差异就是其空间上的线性延续特征2.1地下管线探测的技术前提地下管线在空间上的线性延续特征是几乎所有探测方法能够区分地下管线和其它介质的最基本的物性前提。也就是说，我们只有在追踪信号具有明确的线性延续特征时，才能说它有可能是一个地下管线信号。不同的探测方法可以依据不同的物性差异方面对这个线性特征加以检测。比如：地下金属管道的电导率、磁导率、介电常数等与大地土壤之间存在着较大的差异，于是我们可以应用电磁法针对其线性特征进行探测；地下管线的波阻抗与其周围大地土壤之间存在着较大的差异，而且管线顶部一般具有弧形的空间形态，于是我们可以应用电磁波的折射和反射原理来对其进行探测。我们还可以利用地下非金属管道的中空结构，应用电磁示踪法对其进行探测等等。 物性差异是探测可以实现的前提，但是要获得明显的探测成果还取决于差异的强度与技术手段之间的适应程度、以及人们对成果期望值的水平。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即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。2.2地下管线探测的技术特点1. 地下管线赋存的环境复杂，地下管线属隐蔽工程，管线探测的区域多数在城区的繁华街道或厂矿的复杂地段，地面、地下以及空中干扰较大，不利于常规物探方法的开展。2. 地下管线种类繁多，铺设方式、管材和型号各异，由管线所形成的物理场的种类和变化较大，增加了管线探测的难度。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，同时要求能在现场作出准确的判断。4. 仪器应具有足够的探测深度，有较高的分辨率和较强的抗干扰性能。 地下管线探测技术一般具有经济性、局限性和模糊性等几个特点。经济性：经济性是一种探测技术能否得到广泛应用的一个前提条件。它包括使用的经济性和购置的经济性两个方面。从使用的经济性方面说，它要求仪器既要灵敏精确，又要小巧轻便，有较高的使用效率。购置的经济性是指仪器的价格适合当时的社会经济条件。经济性是制约地下管线探测技术发展的一个关键性因素（例如地质雷达）。局限性：地下管线探测技术的局限性主要体现在以下几个方面：一是经济性的特点使得探测技术的应用是不充分的，因此在探测技术方法的选择上存在着一定的局限。二是任何探测方法都是有一定的适用条件的，具有其本身固有的局限性。三是探测结果往往是依据模糊的间接证据（探测信号）作出的，各种未知因素会对它造成干扰，依据它得出的结论往往有一定的局限性。四是探测者的知识水平和工作经验往往会对结果造成一定的影响。在实际探测工作中，各种局限性相互交织在一起，共同对探测结果发挥作用。模糊性：在实际的地下管线探测过程中，探测人员对其所处的工作环境中的电磁背景、地电条件、目标及非目标管线的状况、以及它们之间的相互干扰关系等等是难以完全准确判断预知的，探测方法是有局限性的，探测信号作为一种间接证据对其作出的判断是有主观性的，因此，整个探测工作是在一种模糊的状态下进行的，探测结果也会因此带有一定的模糊性。2.3 地下管线探测技术方法常用的和较为有发展前景的探测方法包括电磁法、电磁波（地质雷达）法、磁梯度法、钎探法、综合分析法、声波法、红外辐射法、以及其它方法等等。其中，前五种是现实应用的最基本的探测方法，后两种是我个人认为今后可能会有一定的发展的探测方法。1电磁法：简单地说就是交变电磁场（一次场）可以在地下金属管线上感应产生次级交变电磁场（二次场），由于一次场在空气中的传播距离有限，而二次场则可以沿金属管线传播很远，所以我们可以在离开一次场的地方通过测量二次场来确定地下管线的位置。当然，我们也可以把交变电磁信号直接施加在地下金属管线上进行探测。电磁法应用的是电磁感应原理，主要适用于地下各种金属管道及金属电缆的探测，而其中的示踪法则专们用来探测开放式的地下非金属管道。电磁法是目前最为主要的、应用最为广泛的、也是最为精确高效的地下金属管线探测方法。电磁法是目前地下管线探测的最核心的技术方法。它探测结果精确、探测方法多种多样，可以适用于绝大多数情况下的地下金属管线探测，是在包括技术理论、仪器生产和实际应用等方面都最为成熟的地下管线探测技术。电磁法探测的技术核心在于地下管线信号（即二次场）的激发方式上。通过试验找到能够清晰有效地激发出目标信号的方法，是实际工作的重点。一般主要通过变换工作频率与信号施加方法这两者的组合来完成。2电磁波（地质雷达）法：将宽频带高频短脉冲电磁波通过发射天线向地下发射，由于地下不同的介质往往具有不同的物理特性（介电性、导电性、导磁性等等差异），其对电磁波具有不同的波阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或某一目标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲，其传播路径、电磁场强度与波形将随着所通过介质的电性质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料可以推断地下介质的结构。用地质雷达探测地下管线应用的是电磁波的反射和折射原理，适用于地下金属和非金属管道及电缆的探测。它不仅可以探测位置和埋深，甚至可以探测地下管线的规格。我个人认为由于可以广泛适用于地下金属和非金属管道的探测，地质雷达法是目前最需要通过技术提升以适应未来广泛的地下非金属管线探测的技术方法。3磁梯度法：通过测量单位距离内地磁场强度的变化，可以发现近地表的金属物体。主要用于探测被掩埋的金属井盖，缺点是易磁性体干扰。4钎探法：沿管道可能的走向上垂直布设钎探点，在各个钎探点上先用冲击钻钻透坚硬路面，再将钢钎逐渐打下，直到超过管道可能的深度再换下一点重新开始，一直到打到管道为止。钎探需要避开地下电缆和其它地下重要设施，具有一定的危险性和破坏性，要求具有钎探经验的技术人员现场指挥操作。当其它方法均不奏效时，钎探法往往是最后的选项。它也被事实证明是一种非常有效的探测方法，对解决难点帮助巨大。5综合分析法：搜集一切可以搜集的直接证据、间接证据以及相关参考，通过综合的逻辑分析来判断地下管线的真实情况，从而对地下管线精确定位。以供水管道为例，直接证据包括在明显管线点上调查的阀门、消火栓、排气阀、排污阀、预留口、减压阀、检修井、变径、盖堵、管径、材质、埋深、管道出露位置以及用户情况等等。间接证据则包括各种管网资料图、各种探测方法所提供的信号信息等等。相关参考则包括探测方法的基本原理及技术理论、管道施工及管网布设的一般规律及本地特殊规律、干扰因素的估判、个人探测经验、相关人士提供的管道信息等等。直接证据是最根本有效的探测依据，间接证据和相关参考都必须和直接证据存在逻辑关系才能成为探测依据。综合分析法是地下管线探测中最根本最普遍的技术方法，它始终贯穿于各种探测方法之中，是探测得以实现的根本原因。6声波法：由于声音在大地土壤中的传播与沿地下管道传播存在着差异，如果使一定频率和强度的声波沿管道传播，通过仪器在地面寻找并接收这个声波，就可以推断出地下管道的位置和走向。它应用的是波的传播原理，可以用于探测那些对测深精度要求不高的、或者深度数据可以通过调查弥补的金属及非金属管道。这一方法目前还有待于进一步的研究和开发。7红外辐射法：在有些地区、或者在某个季节里，地下供水管道中水的温度较其周围土壤偏低，使得我们有可能通过热辐射检测来确定地下管道的平面位置以及发现漏水。应用的是热交换原理。它可以用于探测那些对测深精度要求不高的某些金属及非金属管道，具有一定的发展前景。8其它可选方法：其它可选的物理探测方法还有：电阻率法、充电法、磁场强度法、浅层地震勘测法、面波法等等。这些也都具有良好的应用开发前景。也许，将来还会有一些前所未知的新技术、新方法也逐渐进入人们的视野，为我们提供更多的选择。2.4 地下管线探测的工作原则工作原则是由技术特点所决定的。进行地下管线探测，应该遵循以下四项基本原则：1、 从已知到未知，从未知到已知；2、 从简单到复杂；3、 优先选择简单、快速、有效的方法；4、 通过方法试验及信息综合来解决探测疑难点。从已知到未知，从未知到已知：由于探测信号为我们提供的是地下管线位置的间接证据，它需要和直接证据发生明确的因果关系才能够作为判断的依据来使用，这就需要我们从已知出发、根据已知和未知的关系对未知做出判断。而当我们得到一个探测信号的时候，也需要追索到已知来判断它所代表的具体情况。从简单到复杂：从复杂开始的探测往往交织着技术本身固有的局限性和模糊性以及探测信号的复杂性，常常会使探测变得了无头绪。而从简单开始的探测则降低了模糊性和复杂性的干扰，使推理判断变得简单易行，同时也提高了判断的准确性。随着探测由简单向复杂的深入，复杂的问题也就迎刃而解了。优先选择简单、快速、有效的方法：这是由技术的经济性特点所决定的。因为不具备经济性的工作是无法长久持续下去的。通过方法试验及信息综合来解决探测疑难点：这是由技术的局限性和模糊性特点所决定的。由于地下管线探测方法往往都或多或少带有局限性，探测的过程又带有一定的模糊性，而探测疑难点往往或者具有信息复杂的特点、或者具有信息缺失的特点，多种情况的交织往往使得我们无法直接准确判断应该采用那种方法最为有效。在这种情况下，进行各种各样的现场方法试验和信息综合就成了我们无奈之下的理想选择。实际工作经验证明，通过现场方法试验和信息综合方法解决疑难点的原则是行之有效的。第三章 用频率域电磁法探测地下管线野外工作方法 在外业操作采取数据应注意工作频率的选择，根据管线特征选取适合的方法。应注意的问题和提高数据的精度可靠度。3.1 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实验后选择最佳工作频率。目前，常用的管线探测仪的频率范围一般从数百赫兹至80KHz以上频率选择原则如下：一.1KHz以下：有利于长距离追踪及对大直径与埋深管道的探测。二.10KHz：10KHz左右的频率使目前国内各类仪器采用较多大的频率。可以用于感应法，对50Hz有一定抗干扰能力。在应用感应法时，在小直径管线上较难产生较大的讯号电流。三.30KHz：30KHz左右的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，其探测深度也较小。四.80KHz以上：该频率较容易感应耦合到邻近平行管线，探测距离小，在管线复杂地区的应用受到限制。在干燥地区，可采用感应法探测小直径电缆及短距离电缆，在地下水位较高的低阻地区，其应用效果较差。3.2常用的工作方法 几种常用的建立电磁场的方法，及其特点和使用情况。3.2.1直接充电法地下金属管线一般都有出露在地表的部分，直接充电法是将低频交流电源的一端接到这些出露点上如（消防栓、自来水表井、管道节门、水龙头等），另一端接在离开管线较远的地面上，或接在同一个管线的另一个出露点上，如图1-1、1-2所示。此时被充电的地下管线相当于一个大电极，眼金属管线便有传导电流通过，在其周围将产生交变电磁场。直接充电法就是观测这种磁场来达到探测地下管线的目的。 图（1-1） 图（1-2）直接充电法工作方法简便，效果好，是目前追索地下金属管线最为有效的方法之一，但必须有管线出露点。3.2.2感应法用磁偶极源在地面上建立一个交变电磁场，如图1-3、1-4所示。地下金属管线在一次场的作用下，便会产生感应电流，电流在管线中流动，产生二次磁场。在地面上探测二次电磁异常，便可以确定地下管线的空间分布。 图（1-3） 图（1-4）3.2.3夹钳法夹钳法使利用夹钳内的环形磁芯，把管线夹在中间，信号发生器输出的交流信号流过磁芯的初级，绕组使磁环形成磁场，这个磁场就能有效地耦合到管线上，这样在管线中就产生了感应电流如图1-5、1-6所示。 图（1-5） 图（1-6）这种方法通常用于不允许中断运行的电力电缆或通讯电缆，对多条电缆进行逐条分辨时，该方法有明显的优点。 对于非金属管道，由于导电性极差，不能用通常的方法来探测，我们会用示踪法来探测，由于该方法不常用在这里就不多做介绍。第四章 金属管线探测原理4.1 管线仪器介绍RD8000是英国雷迪RADIODETECTION公司生产的一种仪器；它由一个发射装置和一个接受装置组成。因为RD8000是雷迪公司管线仪中功能最多，应用新技术，新方法最多的产品，知道了它的工作原理，其它产品可以举一反三。RD8000PDL和PXL地下管线探测仪很好地继承了RD4000PDL和PXL管道和电缆定位仪这一行业标准，地下管线探测仪RD8000在速度、精度和可靠性方面做了改进，1）基于人机工程学的设计：轻:1.87kg -28%、耗电低2 D-cells、防水IP55、美观的曲线外型设计、清楚的显示屏。2）用户设置：可选50/60Hz、可选公制 / 英制、可选语言、可选频率和功能设置、关机时，保存所有设置。3)用户特点:Centros 中央处理器、Compass罗盘、峰值箭头、TruDepth真实深度、StrikeAlert穿透报警、定制频率、电力模式下深度显示。4）电力 / 无线电：24 种主动频率 - ELF, CPS, 440, 560, 570, 577, LF680, 760, 800, 8K, 9.8K, 33K, 65K, 83K, 131K, 200K；CD pairs; 220, 256, 280, 285, 320, 340, 380, 400。3 种探棒频率 - 512, 8K, 33K5）发射机：Tx-1, Tx-3 ，Tx-10，采用统一平台，1, 3 ，10 瓦，6）结构：重量：2.8kg、8 节D-cell 电池盒 、附件盒 (地钳、直连线、接地线)、插拔式附件 (使用雷迪所有附件)、12V 汽车充电器 / 电源充电器 / 绝缘、触摸防水键盘、高对比度LCD 显示频、环境光线触发背景灯4.2管线位置及埋深的确定4.2.1峰值法定位由于地下管线所产生色电磁场的水平分量在其正上方为最大。所以，我们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。同样，由于地下管线所产生的地磁场的垂直分量在其正上方为最小，所以我们可以通过其垂直分量并根据其极小值来确定管线的位置。基本的电磁定律：通电导线产生磁场（右手法则）如图1-7所示 图（1-7）当水平线圈轴线与通电导线垂直且处于通电导线正上方时，水平线圈信号最强。如图1-8所示。图（1-8）a) 保持接收机天线与管线的方向垂直，横过管线移动接收机。确定响应最大的点。b) 不要移动接收机，原地转动接收机，当响应最大时停下来。c) 保持接收机垂直地面，在管线上方左右移动接收机，在响应最大的地方停下来。d) 把天线贴近地面，重复（b）。e) 重复（c）。f) 标志管线的位置和方向。 4.2.2 管线深度测量当在管线上方找到极大值后，沿管线走向垂直方向左右移动，并保持接受线圈与地面垂直，仪器的读数显示较极大值减小30%时，其间的水平距离即为地下管线的埋深，如图1-9所示。 图（1-9）70法测量深度：这个方法在磁场变形严重，旁侧管线影响比较大时使用。深度直接测量：RD8000支持探头深度数据的直接显示。地面探测定点采用十字交叉的方法。4.3管线中影响信号电流大小的因素管线中信号电流大小的意义：，管线中的电流大小对探测的影响最大。大的电流可以提高仪器的信噪比，增加仪器的探测深度。直连法时信号施加回路阻抗越小越好。具体就是R*及R*越小越好。4.3.1影响管线中信号电流增大的因素及措施直连法可以采用的具体措施：1) 给接地棒浇水，这样可以大幅度降低R*。2) 红色导联线连接管道处，应该仔细打磨，保证接触良好，对于通信光缆和对地绝缘良好的其它线缆，不要使用低频，尽量使用高频，靠导线与大地之间的等效电容降低R*，为信号提供一个回路。3) 如果有条件，对绝缘良好的导线进行末段接地。4) 增加发射机输出功率夹钳法时信号回路电阻越小越好。最好夹钳两侧管线都有直接接地点，如果要用夹钳法施加信号的管线对地绝缘，那么或者把夹钳两侧的管线在远端连起来，或者使用高频，靠管线对地等效电容构成信号回路。夹钳法增加管线电流的方法： 增加发射机输出功率、用高的感应频率、对高阻管线进行两端接地。感应法增加管线电流的方法：（注意方向）增加发射机输出功率、用高的感应频率、对高阻管线进行两端接地、发射机尽量靠近要激发的目标管线。4.3.2接收机和发射机的方向性发射机的方向性：（感应法）当管线方向与发射机发射线圈轴线平行 时，发射机无法给此管线施加感应信号，当发射机线圈轴线与待测管线垂直相交时，发射机无法给此管线施加感应信号，当发射机线圈轴线与待测管线垂直并且不相交时，发射机给管线上施加的感应电流最大。发射机方向性的利用：抑制非目标管线的感应干扰、抑制架空线路的感应干扰。接收机的方向性：当接收机线圈轴线与管线垂直时，接收机才能具备对此管线的最大灵敏度。管线方向探测：原地转动接收机，当接收机峰值响应最大时，接收机刃面垂直方向即为管线方向。4.3.3 POWER 与RADIO 信号强弱影响因素1) 管线材质，导电性越好，信号越强。2) 管线长度，长度越长，越容易产生信号。2) 周围环境，离发电厂，输电线，长波电台越近，越容易产生信号。结束语 探测地下管线应遵循以下原则:从已知到未知;从简单到复杂;方法有效、快捷、方便。 随着城市的飞速发展，地下管线敷设越来越多，地上和地下矛盾越来越突出，地下管线探测任务也越来越多。任何工作都要有规章、程序和实施步骤，以便于科学化管理和确保工作质量地下管线探测是一项涉及多部门、多学科、多专业的综合性与技术性很强的系统工程，如何建立保持地下管线信息长效性机制是管理部门长期探讨的问题。本文是根据作者从事宁波市地理信息系统建设工作的经验与近期从事地下管线普查，以及分析了若干城市在地下管线动态更新工作失败的经验上提出的观点，希望与从事城市地下管线工作的同行共同探讨。致 谢首先，我要感谢河南理工大学，感谢地勘系对我的培养，让我学到了许许多多的知识，感谢各位老师在这四年里对我的关怀与照顾，在此致以我深深的谢意。本论文从选题到最后定稿成文，我的辅导老师一直给予了悉心指导，王老师和孙老师那种严谨求实的作风，广博深邃的洞察力，孜孜不倦的开拓精神和敬业精神令我深受启迪和教益，谨向我的指导老师王庆周和孙金龙老师致以深深的谢意。由于笔者水平有限，在理论的描述、资料的运用等方面难免有不当、不深，不周之处，有些观点也尚欠成熟，敬请各位老师批评指正。 最后，我还要向所有曾经帮助过我的同学和朋友们致敬。你们的鼓励和帮助永远是我前进的动力。参考文献1 .城市地下管线探测技术规程. 中国建筑工业出版社， 2003；2 .城市测量规范.中国建筑工业出版社， 1999 ；3 .江贻芳等 .地下管线动态更新管理体系的建立.工程勘察, 2005(5)4 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