电磁法探查地下管线.doc

电磁法探查地下管线 2006-11-17 16:32:32  作者：admin  来源：  浏览次数：43  网友评论0条  文字大小：【大】【中】【小】 评分等级：0简介：电磁法是探查地下管线的主要方法，是以地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与时间分布规律，从而达到寻找地下金属管线或解决其它地质问题的目的。来源：源源动力(http:/www.feikaiwa.org/)作者：admin原文：电磁法探查地下管线(http:/www.feikaiwa.org/article/2006/1117/article_330.html)电磁法是探查地下管线的主要方法，是以地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与时间分布规律，从而达到寻找地下金属管线或解决其它地质问题的目的。电磁法可分为频率域电磁法和时间域电磁法，前者是利用多种频率的谐变电磁场，后者是利用不同形式的周期性脉冲电磁场，由于这两种方法产生异常的原理均遵循电磁感应规律，故基础理论和工作方法基本相同。在目前地下管线探测中主要以频率域电磁法为主，以下主要介绍频率域电磁法。(一) 工作原理各种金属管道或电缆与其周围的介质在导电率、导磁率、介电常数有较明显的差异，这为用电磁法探测地下管线提供了有利的地球物理前提。由电磁学知识可知无限长载流导体在其周围空间存在磁场，而且这磁场在一定空间范围内可被探测到，因此如果能使地下管线带上电流，并且把它理想化为一无限长载流导线，便可以间接地测定地下管线的空间状态。在探查工作中通过发射装置对金属管道或电缆施加一次交变场源，对其激发而产生感应电流，在周围产生二次磁场，通过接收装置在地面测定二次磁场及其空间分布，然后根据这种磁场的分布特征来判断地下管线所在位置(水平、垂直)。         图1 电磁法工作原理示意图(二) 仪器设备1、 基本原理由电磁法探查地下管线的工作原理可知，只要探测到地下管线在地面产生的电磁异常，便可得知地下管线的存在。要作好这一工作，探查人员除了要掌握一整套探查技术外，还必须要有合适的工具-管线探测仪，它就象战士打仗必须要有抢，外科医生手术时必须要有手术刀一样。目前市场上销售的各种型号管线仪，其结构设计、性能、操作、外形等虽各不相同，但工作原理相同，均是以电磁场理论为依据，电磁感应定律为理论基础设计而成，它们都是由发射机与接收机组成的发收系统。(1) 发射机发射机是由发射线圈及一套电子线路组成。其作用是向管线加一特殊频率的信号电流。电流施加可采用感应、直接、夹钳等方式。其中感应方式应用最广泛，见图2。   图2 感应发射示意图 根据电磁感应原理，在一个交变电磁场周围空间存在交变磁场，在交变磁场内如果有一导体穿过，就会在导体内部产生感应电动势；如果导体能够形成回路，导体内便有电流产生(见图1)，这一交变电流的大小与发射机内磁偶极所产生的交变磁场(一次场)的强度、导体周围介质的电性、导体的电阻率、导体与一次场源的距离有关。一次场越强。导体电阻率越小；导体与一次场源距离越近，则导体中的电流就越大，反之则越小。对一台具有某一功率的仪器来说，其一次场的强度是相对不变的，管线中产生的感应电流的大小主要取决于管线的导电性及场源(发射线圈)至管线的距离，其次还决定于周围介质的阻抗和管线仪的工作频率。根据发射线圈面与地面之间所呈的状态，发射方式可分为水平发射和垂直发射两种：1) 水平发射发射机直立，发射线圈面与地面呈垂直状态进行水平发射。当发射线圈位于管线正上方时，它与地下管线耦合最强。有极大值。管线被感应产生圆柱状交变磁场(见图3)图3 水平发射示意图          图4 垂直发射示意图2) 垂直发射发射机平卧(见图4)，发射线圈面与地面呈水平状态进行垂直发射。当发射线圈位于管线正上方时，它与地下管线不耦合，即不激发。当发射线圈位于离管线正上方h(埋深)距离时，它与地下管线耦合好，出现极值(见图5)。图5 不同发射状态耦合系数M曲线示意图 (2) 接收机接收机是由接收线圈及一套相应的电子线路和信号指示器组成(见图6)。其作用是在管线上方探测发射机施加到管线上的特定频率的电流信号-电磁异常。    图6 接收机测量原理框图 管线仪接收机从结构上可分为：单线圈结构、双线圈结构及多线圈组合结构(见图7)。单线圈结构又可分为单水平线圈及单垂直线圈。   图7 接收机线圈组合示意图 1) 单垂直线圈接收机该接收机线圈主要接收管线所产生的磁场水平分量(见图8)。当线圈面与管线垂直并位于管线正上方时，仪器的响应信号最大，这不仅是因为线圈离管线近，线圈所在位置磁场强，还因为此时磁场方向与线圈平面垂直，通过线圈的磁通量最大见图8中(2)。当线圈位于管线正上方两侧时，仪器的响应信号会随着线圈远离管线而逐渐变小，这不仅是因为离管线远，线圈所在位置磁场变弱，还因为此时磁场方向与线圈平面不再垂直，使通过线圈的磁通量变小见图8中(1)、(3)。   图8 单垂直线圈接收示意图 2) 单水平线圈接收机该接收机线圈主要接收管线所产生的磁场垂直分量(见图9)。当线圈面与管线平行并位于管线正上方时，仪器的响应信号最小，这主要是因为磁场方向与线圈平面平行，通过线圈的磁通量最小。见图9中(2)。当线圈位于管线正上方两侧位置时，仪器的响应信号会随着远离管线而逐渐增大，这是因为随着线圈远离管线，磁场方向与线圈平面不再平行，而成一定的角度，磁场垂直线圈平面的分量逐渐增大，从而使通过线圈的磁通量逐渐变大，同时随线圈远离磁场强度逐渐变弱，当这一因素成为影响通过线圈磁通量的主要因素时，仪器的响应信号就又会逐渐变小，见图9中(1)、(3)位置附近。3) 双线圈结构接收机该接收机内有上下两个互相平行的垂直线圈，通过测定上下两线圈的感应电动势1、2(见图10)，再运用深度计算公式(式中各符号见图10)完成计算，获得深度值，通过显示器用数字或表头指示出来图10 双线圈结构示意图2、 管线仪应具备的性能“规程”4.4.2条明确规定：管线仪应具备以下性能：(1) 对被探测的地下管线 ，能获得明显的异常信号；(2) 有较强的抗干扰能力 ，能区分管线产生的信号或干扰信号；(3) 满足本规程第3.0.12条第1款所规定的精度要求 ，并对相邻管线有较强的分辨能力；(4) 有足够大的发射功率(或磁矩) ，能满足探查深度的要求；(5) 有多种发射频率可供选择 ，以满足不同探查条件的要求；(6) 能观测多个异常参数；(7) 性能稳定，重复性好；(8) 结构坚固 ，密封良好 ，能在-10至+45的气温条件下和潮湿的环境中正常工作；(9) 仪器轻便，有良好的显示功能 ，操作简便。3、 管线仪性能检查方法(1) 接收机自检具有自检功能的接收机，打开接收机，启动自检功能，若仪器通过自检，说明仪器电路无故障，功能正常。(2) 最小、最大、最佳收发距检测管线仪的最小、最大、最佳收发距常可影响探测工作的效率和效果，每台管线仪的使用者必须对其有所了解，具体检测方法如下：1) 最小收发距在无地下管线及其他电磁干扰区域内，固定发射机位置，并将其功率调至最小工作状态，接收机沿发射机一定走向(由近至远)观测发射机一次场的影响范围，当接收机移至某一距离后开始不受发射场源影响时，该发射机与接收机之间的距离即为最小收发距。2) 最大收发距将发射机置于无干扰的已知单根管线上，并将功率调至最大，接收机沿管线走向向远处追踪管线异常，当管线异常减小至无法分辨时，发射机与接收机之间的距离即为最大收发距。3) 最佳收发距将发射机置于无干扰的已知单根管线上，接收机沿管线走向不同距离进行剖面观测，以管线异常幅度最大、宽度最窄的剖面至发射机之间的距离即为最佳收发距，不同发射功率及不同工作频率的最佳收发距亦不相同，需分别进行测试。(3) 重复性及精度检查1) 重复性在不同时间内用同一台仪器对同一管线点的位置及深度值进行重复观测，视其各次观测值差异来判定该仪器的重复性。2) 精度在已知管线区对某条管线采用不同的方法进行定位、测深，将现场观测值与已知值进行比较，其差值越小，精度就越高，在未知区，可通过开挖验证来确定探查精度。(4) 稳定性检查在无管线区将发射分别置于不同的功率档，固定频率，用接收机在同一测点反复观测每一功率档的一次场变化，以确定信号的稳定性。改变频率，用同样的方法，确定接收机各频率的稳定性。4、 常用管线仪性能参数近些年来随着我国经济、科技、城市建设的飞速发展，由于城市地下管线探测工作需要，国内已有不少科研单位、院校和厂家，先后研制成功并批量生产各类型号管线探测仪，如上海微波技术研究所生产的GXD型、中国地质大学生产的GX型、中兵勘察设计研究院生产的BK型、北京世超公司生产的PGD型等，均先后被一些管线探测单位用于管线探测工程中。随着我国地下管线探测工作的开展，美国、英国、德国、日本、瑞典、原苏联等国产的管线仪亦先后进入我国，在我国管线仪市场上，销售较多的为英国、美国及德国产的各种型号的管线仪。无论是国产的，还是进口的各种管线仪，尽管其型号及生产单位(国)不同，其原理均相同，只是采用的线路、结构、材质、技术不同而制造成，由于时间及篇幅所限，在此就不一一介绍各种型号管线仪的性能参数，需要时可查阅有关资料，在此仅对雷迪公司近期推出的最新一代管线探测仪-RD4000作简单介绍。RD4000是世界上第一款具有互联网接入功能的地下管线探测仪。通过互联网，可以实现在线注册、远程故障诊断、设备配置、频率下载、简单快速地实现性能升级。它具有输出功率大(10W)、可选的工作频率多(达16种)。测量参数多(Hx、Hx、Hz、I、h等)、深度和电流数据可存于外接数据记录器里、使用方便(四键操作界面自动被衬光)等特点。详细情况请向雷迪公司索取有关资料或咨询。“规程”4.4.1条规定：选用何种探查仪器应与采用的方法技术相适应 。探查金属地下管线宜选用电磁感应类管线探查仪器即管线仪。5、 地质雷达管线仪是地下管线探查中应用非常广泛的仪器，它成本低、速度快、轻便灵活，可算是地下管线探查不可缺少的仪器，但它不是唯一的，当被探查的地下管线为非金属高阻体构成时，管线仪将失去对这类地下管线的探查能力，必须求助于其他方法。地质雷达是利用超高频电磁波探测地下介质分布的一种物探仪器。它可探测地下的金属和非金属目标。目前应用的地质雷达大多使用脉冲调幅电磁波，发射、接收装置采用半波偶极天线，雷达脉冲波的中心频率为数十至数百兆赫甚至千兆赫。宽频带高频短脉冲电磁波通过发射天线T(图11)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、导磁性差异)，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所通过介质的电性及几何形态而变化(图12)，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料，可推断地下介质的结构。置于地面的高灵敏度雷达接收天线R(图11)所接收到的电磁波反射脉冲波行程走时t为图11 雷达发射探测示图当已知地下介质的波速V时，可以根据测得的精确t值(一般为ns级)计算出发射体的深度Z。V值可以用现场钻孔资料标定、宽角方式直接测定、理论公式估算等方式获得。地质雷达发射天线与接收天线的距离X通常很小，甚至合二为一。当地层倾角不大时，反射波的路径几乎与地面垂直。因此，雷达探测剖面各测点上反射波走时的变化就反映了地下地层的构造形态(图12)    图12 工作原理示意图 目前我国许多勘测单位都购置了地质雷达，大部分均为进口的，主要有加拿大EKKO系列、美国产SIR系列及MK系列，瑞典产的RAMAC系统、日本产的GEORADAR系列等。国内也有许多单位在研制，与管线仪一样各种不同型号的雷达，尽管其结构、性能、操作、数据处理等各不相同，但其制作原理均相同。各用户根据自己要求购置。国内从60年代中期开始陆续有许多研究机构、大学、专业厂家研制地质雷达。由于各种因素，到目前为止，还没有一台深受用户欢迎的品牌产品。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。图象左侧纵坐标为电磁波的双程走时，右侧为根据地下介质中地电磁波速(V)计算出的深度(Z)，波形的正负峰分别以黑白色表示，或者以灰阶或彩色表示，这样同相轴或等灰线、等色线即可形象地表征出地下反射面或目的体。图13为山东岩土工程勘察公司在广州中山大学大门口对面停车场测得的雷达探测剖面图像，图像中基本无地下不均匀体干扰反射波，除了近于水平的地层反射波组外，只有一个很明显的孤立双曲线反射波组，反射波振幅强，双曲线两叶长，双曲线形反射波组的顶点位于2.8m深度，反映了地下金属管道顶部埋深。图14为上海同济大学用雷达探寻非金属管线时，探寻到的混凝土管的地质雷达图像。(三) 探查方法由规程附录C中可见电磁法又可细分成许多方法，根据场源性质可分成被动源和主动源法。主动源法中又可分为直接法、夹钳法、感应法、示踪法和电磁波(地质雷达)法。(参考)探查人员可根据“规程”4.3.3条中地下管线探查的物探方法应根据任务要求 、探查对象(管线类型、材质、管径、埋深、出露)和地球物理条件(物性差、干扰、环境)等情况按规程附录C选用。1、 场源(1) 被动源带电的动力电缆，由于它本身在传输50Hz交流电，在地表可直接探测到这种50Hz工频场的分布规律(图15)；甚低频(VLF)电台发射的电磁波如日本17.4KC台，澳大利亚22.3KC台，国内导航台等对埋于地下的导电或导磁体均会被极化而产生二次感应场(图16)，这种二次场与一次场合成会引起一次场畸变。当地下有金属管道存在时，亦会引起这种畸变。因此无需发射供电，就可在地表直接接收探测电磁场的空间变化规律，再根据这种变化规律来确定地下金属管道的位置。被动源法不需要发射装置，既可节省人力、物力，又可提高探测速度，因此它是一种经济、快速而简便的方法，但它只能探测传输50Hz的动力电缆和能够被甚低频台场源极化而产生足够强度二次场的地下管线位置。当有多条此类管线存在时，有时很难加以区分，还必须配合主动场源来精确定位，故被动场源一般用的较少。图15 工频法原理示意图     图16 甚低频法原理示意图(2) 主动源主动源是指可受人工控制的场源，探查工作人员可通过发射机向被探测的管线发射足够强的某一频率的交变电磁场(一次场)，使被探管线受激发而产生感应电流，此时在被探管线周围产生二次场。根据给地下管线施加交变电磁场的方式不同，又可分为直接法(图17)、夹钳法(图18)、感应法(图3)、示踪法(图19)、电磁波(地质雷达)法(图11、12)。图18 夹钳法示意图     图18 夹钳法示意图    图19 示踪法示意图2、 接收探测无论采用直接法或感应法来传递发射机的交变电磁场，均会使地下金属管线被激发产生交变的电磁场，这磁场可被高灵敏的接收机所接收，根据接收机所测得的电磁场分量变化特点，对被探查的地下管线进行定位、定深。(1) 定位方法规程4.3.8条用管线仪定位时，可采用极大值法或极小值法。极大值法，即用管线仪两垂直线圈测定水平分量之差Hx的极大值位置定位；当管线仪不能观测Hx时，宜采用水平分量Hx极大值位置定位。极小值法，即采用水平线圈测定垂直分量Hz的极小值位置定位。两种方法宜综合应用，对比分析，确定管线平面位置。1) 极大值法当接收机的接收线圈平面与地面呈垂直状态时，线圈在管线上方沿垂直管线方向平行移动，接收机表头会发生偏转，当线圈处于管线正上方时，接收机测得之电磁场水平分量(Hx)或接收机上、下两垂直线圈水平分量之差(Hx)最大，见图20                    图20 电磁法管线定位示意图       (a)Hx极大值法 (b)Hx极大值法 (c)极小值法2) 极小值法当接收机的接收线圈平面与地面呈平行状态时， 线圈在管线上方沿垂直管线方向平行移动时，接收机电表同样会发生偏转，当线圈位于管线正上方时，电表指针偏转最小(理想值为零)。见图20，因此可根据接收机中Hz最小读数点位来确定被探查的地下管线在地面的投影位置。Hz异常易受来自地面或附近管线电磁场干扰，故用极小值法定位时应与其他方法配合使用，当被探管线附近没有干扰时，用此法定位还是比较准的。(2) 定深方法“规程”4.3.9条规定：用管线仪定深的方法较多，主要有特征点法(Hx百分比法，Hx特征点法)、直读法及45°法，见图21，探查过程中宜多方法综合应用，同时针对不同情况先进行方法试验，选择合适的定深方法。       图21 管线定深示意图      (a)Hx70%法 (b)Hx80、50法 (c) 45°法1) 特征点法利用垂直管线走向的剖面，测得的管线异常曲线峰值两侧某一百分比值处两点之间的距离与管线埋深之间的关系，来确定地下管线埋深的方法称其为特征点法。不同型号的仪器，不同的地区，可选用不同的特征点法。A. Hx70%法：Hx百分比与管线埋深具有一定的对应关系，利用管线Hx异常曲线上某一百分比处两点之间的距离与管线埋深之间的关系即可得出管线的埋深。有的仪器由于电路处理，使之实测异常曲线与理论异常曲线有一定差别，可采用固定Hx百分比法如图21(a)的70%法定深。B. Hx特征点法：(a) 80%法：管线Hx异常曲线在峰值两侧80%极大值处两点之间的距离即为管线的埋深见图21(b)。(b) 50%法(半极值法)：管线Hx异常曲线在峰值50%极大值处两点之间的距离，为管线埋深的两倍见图21(b)2) 直读法有些管线仪利用上下两个线圈测量电磁场的梯度，而电磁场梯度与埋深有关，所以可以在接收机中设置按钮，用指针表头或数字式表头直接读出地下管线的埋深。这种方法简便。但由于管线周围介质的电性不同，可能影响直读埋深的数据，因此应在不同地段、不同已知管线上方，通过方法试验，确定定深修正系数，进行深度校正，定深时应保持接收天线垂直，提高定深的精确度。 3) 45°法先用极小值法精确定位，然后将接收机线圈与地面成45°状态沿垂直管线方向移动，寻找“零值”点，该点与定位点之间的距离等于地下管线的中心埋深见图21(c)使用此法定深时，接收机中必须具备能使接收线圈与地面成45°角的扭动结构，若无此装置，不宜采用。线圈与地面成45°角及距离量测精度会直接影响埋深精度。除了上述定深方法外，还有许多方法。方法的选用可根据仪器类型及方法试验结果确定。不论用何种方法，均应满足本规程第3.0.12条第1款的要求。为保证定深精度，定深点的平面位置必须精确；在定深点前后各34倍管线中心埋深范围内应是单一的直管线，中间不应有分支或弯曲，且相邻平行管线之间不要太近。