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摘要：随着科学技术的发展，我国的地质勘查工作越来越受到重视。为准确解译地质雷达管线探测成果，采用时域有限差分法对不同管材、埋深、管径和埋地介质的地下管线进行正演模拟，根据模拟结果解译地质雷达实测图谱，并通过现场开挖进行验证。结果表明：①不同管材、埋深、管径和埋地介质的地下管线反射波均为双曲线，双曲线曲率随埋深、管径增大而增大；②管材与埋地介质介电常数差异越显著，电磁波在其界面反射越明显，电磁波回波能量越大，地质雷达接收的反射信号越强；③基于正演模拟指导的地质雷达实测数据解译与开挖验证结果基本一致。
关键词：地质雷达；地下管线；正演；反演
引言
在快速城市化的发展背景下，作为城市生命线的地下管线分布情况越来越复杂。大部分城市尚未建立完善的地下管线网络管理系统，由于相关资料不全，各地在建设过程中，由于施工挖断或挖坏地下管线导致的工程事故频发，且地下管线存在老化甚至破裂现象，管线泄漏的油污诱发水土污染的问题尤为突出。这些问题影响城市工程施工进度，对地下目标及其污染的治理费时费力，代价也相当高，急需简便快捷、高效实用的探测手段对地下管线及其液体泄漏物进行探测，为地下管线及其隐患的监控评估和排查治理提供借鉴和依据。
1分析地下管线探测原理
对于城市建设中的地下管线实施探测工作，其实质就是采用地下管线自身所拥有的特质，尤其是不同地下介质的特质而形成的环境关系，找到城市地下各种不同管线所呈现出的空间状态，从而便于人们可以更好地掌握城市的空间状态。在目前的环境下，探测城市地下管线的技术以及方法基本采用的是频率域电磁的方式，其工作基本原理是利用地下管线所辐射出的电磁场信号而实施管线定位，完成对应的定位工作之后就可以有效读出其深度以及电流的读数，采用这种深度以及电流读数就可以更好地实现城市地下管线的探测目标，进而能够顺利找出地下的空间位置，尤其是探究埋藏深度方面以及走向方面都带来极大地帮助。采用这种技术具有易行以及简便的特点，而且在原理方面针对特定区域开展探测工作，此时就可以充分发挥人工激发电流作用，而使得金属管线可以在电流传播中有效被地面所接收，实现对地下管线探测的准确性目标。
2城市地下管线雷达探测正演模拟
城市地下管线较为复杂，其材质、管径、埋深以及覆盖层材料各异，为获取不同条件下城市地下管线典型雷达图像，基于FDTD法对不同管材（钢、塑料和混凝土）、管径（0.05m、0.1m和0.2m）、埋深（0.4m、0.6m和0.8m）和覆盖层材料（砂土、粉土和黏土）进行正演模拟。计算模型尺寸2m×2m，天线中心频率250MHz，波源位于地表上2cm为Ricker子波，反射、接收天线间距20cm，设置边界条件为PML，时窗设置为20ns，网格x、y方向步长均为0.01m。为分析地下管线管材对地质雷达探测结果的影响，分别对钢、塑料和混凝土三种不同管材进行地质雷达探测正演模拟，地下管线埋深0.6m，管径0.1m，埋地介质为砂土。由于管线与埋填土介电常数差异，地质雷达波遇管线时发生发射，其反射波为双曲线，双曲线顶点即为地下管线埋深。钢管介电常数与周围土体差异最大，其反射信号最强，塑料管与周围土体介电常数最接近，其反射信号最弱，混凝土管介电常数与周围土体差异介于钢管与塑料管之间，其反射信号强度亦介于两者之间。为分析地下管线埋深对地质雷达探测结果的影响，分别对埋深为0.4m、0.6m和0.8m的钢管进行地质雷达探测正演模拟，管径0.1m，埋地介质为砂土。
由图中可以看出，不同埋深地下管线反射波均为双曲线，随地下管线埋深逐渐增大，地质雷达反射信号逐渐减弱，双曲线曲率逐渐增大，曲线顶部位置逐渐下移。为分析地下管线管径对地质雷达探测结果的影响，分别对管径为0.05m、0.1m和0.2m的钢管进行地质雷达探测正演模拟，管线埋深0.6m，埋地介质为砂土。不同管径地下管线方射波均为双曲线，随地下管线管径逐渐增大，管线反射面积增大，电磁波回波能量逐渐增大，地质雷达反射信号逐渐增强，双曲线曲率逐渐增大，曲线顶部位置逐渐上移。为分析地下管线埋地介质对地质雷达探测结果的影响，分别对埋地介质为砂土、粉土和黏土的钢管进行地质雷达探测正演模拟，管线埋深0.6m，管径0.1m。不同埋地介质地下管线方射波均为双曲线，地质雷达反射信号由强到弱依次为砂土、粉土和黏土，这是由于埋地介质与地下管线相对介电常数差异越显著，则电磁波在其界面反射越明显，电磁波回波能量越大，则地质雷达接收的反射信号亦逐渐增强。
3地质雷达探测信号分析基本原则
（1）圆形管线产生的特征波形为连续的抛物线信号，其形态与管线上表面形态类似，再结合分界面位置和深度信息，可以判断是否存在地下管线；空气电导率为0，因此特征反射信号较弱，但由于介电常数差异仍可以呈月牙状区域信号。（2）管线填充油污时，抛物线状信号两端缺失，电磁波遇到油污后，反射信号振幅增强，主频发生降低，且可能在深部产生干扰叠加信号。（3）油污泄漏区域产生大量不规则低频反射信号，反射轴错乱、不连续甚至断开。
4分析雷达探测影响的因素
不同城市条件下所形成的环境具有一定的复杂性，而且在复杂的地下环境下，其探测条件也会出现不确定性的情况，因此，采用雷达进行探测地下管线过程中，对其识别方面会受到许多方面影响，从而使得雷达探测工作中出现目标曲线发生异常的情况，进而给识别目标以及确定位置方面等都带来较大的问题。因此，本文中分析其中的影响因素，主要的目的就是可以更好地确定在电磁干扰方面的相关因素，例如来源方面，进而可以减少某些不必要的外界因素导致的不良影响，同时可以准确的探测出地下管线的位置。在探测过程中会遇到的各种类型的影响因素，主要有以下的四个方面：①地下周围介质和管线之间的导电率和介电常数有所差异，会导致雷达信号能够在吸收系数以及反射系数方面出现差异性；②针对管线材料、规格、埋藏深度以及周围介质所具有的均匀情况不同，这也会对雷达探测过程中所形成的波形稳定性造成影响；③在近间距平行中运用雷达探测管线，其信号出现异常的情况也难以有效识别出；④由于探测环境所发生的变化，也会使得相关的探测设备对其工作状态带来一定的影响。
结语
综上所述，基于GPRMax软件对地下管线工况进行正演数值模拟，基于正演结果指导解译地质雷达探测典型实例进行对比论证，主要结论如下：1）不同管材、埋深、管径和埋地介质的地下管线反射波均为双曲线，双曲线曲率随埋深、管径增大而增大；曲线顶部位置随埋深和埋地介质介电常数增大而逐渐下移，随管径增大而逐渐上移；2）管材与埋地介质介电常数差异越显著，电磁波在管材界面反射越明显，电磁波回波能量越大，地质雷达接收的反射信号越强，反射波越强。3）基于正演模拟指导的地质雷达实测数据解译与开挖验证结果基本一致。
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