《管线探测若干方法》PPT课件.ppt

地下管线探测方法技术,主讲：李振宇,主要内容：,一、概论二、频率域电磁法探测地下管线的基本原理三、常用场源的特点及布置方法四、现场探测的工作方法和技术,探测地下管线的意义 探测地下管线的目的与任务，涉及的专业和部门 探测地下管线的地球物理方法 频率域电磁法探测地下管线的特点,一、概论,1、探测地下管线的意义,地下管线就各种地下管道和电缆的总称。管道有：给水(含生活，消防及工业用水)、排水(含雨水、污水等)、燃气(含煤气、天然气等)、工业用(石油、石油化的原料到各类半成品、成品、氢、氧、乙炔等气体)、热力(含蒸气及热水)等各种管道；电缆有:高、低压动力、路灯等电力电缆，长话、市话、有线电视、军用、铁路等通信指挥用电信电缆，显然包括各种用途的光缆。随着城市化的发展，科学技术的进步及社会经济的发展，世界各国均把交通、通信、能源及电力的输送以及给水、排水等视为社会经济的生命线工程，与交通相比，地下管线所承担的任务同样显得日益重要，地下管线的正常运行，对人们的正常生活和生产的重要性是不言而喻的。,无论发展中国家还是发达国家，对地下管线的无损探测的需求都是巨大、迫切而持久的。其理由如下：,1)地下管线分布图是城市或企业的基础档案，如1990年4月1日起实施的“中华人民共和国城市规划法”中就多处提到地下管线，指出地下管线图是城市规划的基础图件之一。2)为了提高土地资源的利用率，充分利用地下空问，为了避免已有地下管线与新建设施间的矛盾，得到最佳的设计方案，就需要准确的地下管线的分布图。3)在城市或企业，尤其是市政设施的改造建设施工中，如道路的改扩建、新的地下管线的敷设、用横向钻进方式敷设穿越马路的地下管线、地铁与轻轨的建设、高层建筑基坑锚拉杆支护以及土建中机械化施工等一系列工程中，均需要对地下管线的精确测量，或在现场对地下管线进行现场检测监护；4)对地下管线的日常管理维护中，如对供水管道的漏水调查与探测时或对煤气或输油等管道的腐蚀状态的检测时，首先要知道目标地下管线的确切分布。5)为了应对突发事件，如自然灾害和战争等，使灾害损失减少到最小程度，以及灾后损失评估、灾后重建等工作中也非常需要地下管线现状的资料。,2 探测地下管线的目的与任务，涉及的专业和部门,探测地下管线应涉及三个专业领域：1地球物理专业，其作用是查明地下管线的空间赋存状态；2.测绘专业，其作用是将探测结果用地理坐标网以及高程联系起来，绘制成相应的图件；3.计算机应用专业，其作用是将上述成果用地理信息系统(GIS)管理起来，制成随时可调用的“数字地图”，使我们对下管线的管理工作数字化，现代化。在探测前后，我们有可能与下列部门和单位打交道：建委、规划、设计、施工等部门，市政以及地下管线的产权单位，电信局、供电局，自来水公司、煤气公司，其他专业电信的产权单位如铁路的电务段、通信部队等。,3 探测地下管线的地球物理方法,利用地球物理方法去探测地下管线，是属于非开挖的无损探测方法。从原理上讲，只要地下管线与周围介质之间存在明显的物理性质的差异，同时有一定的规模尺寸，就可以采用相应的方法和仪器去探测。这些方法有：频率域电磁法、磁法、探地雷达法、声波法、浅层地震法、时间域电磁法、电阻率法(含直流充电法)、激发极化法、红外法等。其中前四种方法应用较多，取得了一系列成功的实例，频率域电磁法因其本身的特点，独占鳌头，国内外称谓“管线探测仪”的仪器，均毫不例外地采用该方法。本课程只讲与频率域电磁法探测管线的有关问题，绝不是否定其它方法在探测地下管线中的独特作用。例如，磁法在探测铁磁性管道是十分有效的方法，又如声波法在探测非金属管管时会有更好的效果，探地雷达有较高的效率，直流充电法能区分出金属管道的接头位置等等。,4频率域电磁法探测地下管线的特点,1）、在探测地下管线中占主导地位 由于大部分重要的地下管线是用金属材料制成的，有些重要的非金属管道，在敷设时预埋了金属检测带；对于有出入口的非金属管道，也可以用其中的“示踪法”进行探测，两者均可用最简化的物理模型进行理论计算(正演)及推断解释(反演)，具有推断解释精度高的特点，所以国内外称谓“地下管线探测仪”的仪器，毫不例外地采用这一方法。2）、可用场源多 频率域电磁法可以利用的场源既有天然场源(被动源)又有人工场源(主动源)。3）、传感器的独特优点 在探测仪器中，把交变磁场转换为电信号的传感器，有灵敏度高、重量轻、转动灵活等一系列特点，使探测工作的操作极为方便，可以进行“扫描式”探测，工作效率极高，生产成本低。4）、仪器中采用窄带滤波技术一方面能有效地压制非工作频率的交变磁场的干扰，提高信噪比，突出有用信号；另一方面可使较微弱的有用信号用较大的放大倍数放大到一定程度，其实际意义是可减小发送机的能耗及其重量。,5）、FDEM法遇到的困难 a在管线密集区，场的分布很复杂，给推断解释带来困难，又要耗费较多的时间。b对于多根平行管线，有时水平方向的分辨能力不如人们所期望的那么高，极而言之，我们无法探测出一束电缆中的每一根电线，把它们一根根地区分开。c无法直接探测出管道直径，对于大口径管道探测效率很低。d对于电性连接差的管道，不易形成集中电流，例如水泥管道，尽管有良导电的钢筋，但不易探测。e对于无出入口的非金属管道(预埋了金属检测带的除外)，良导管线的端点的确切位置等无法进行探测。,二、FDEM法探测地下管线的基本理论,1物理前提 2基本电磁理论 3趋肤深度4 FDEM法探测地下管线的实质,1、物理前提,显然，构成金属管线的材料与周围介质的导电性差性差异非常悬殊，可达到10(5-10)数量级，这为利用导电性差异的物理探测方法，尤其是FDEM法创造了极为有利的条件。,1）导电性差异,2）沿某一方向的连续性好 通常条件下，金属管线沿某一方向有相当的长度，且连续性好(尤其是电缆)，加之埋设深度又不大(通常在数十厘米到数米范围)，而且埋深较稳定，因此有如下特点 因为地下管线在较长一段距离内的阻抗较低，当地中存在与管线平行的切向交变电场分量或与管线垂直的法向交变磁场分量存在时，管线上就易于集中电流，即我们可以利用天然电磁场或人工电磁场激发地下管线，使之载有电流；同时，我们通常可以用最简化物理模型线电流模型来替代载流地下管线，解决正、反演问题。,2基本电磁理论,麦克斯韦方程组揭示了电磁场各场量之间的规律，对于均匀各向同性介质，麦克斯韦方程组可以简化为：,在上述方程中：E为电场强度，单位是Vm(伏特每米)，H 是磁场强度，单位是Am(安培每米)；为电导率(是电阻率的倒数)，单位是Sm(西门子每米)；D为电位移矢量(也称电感应强度)，单位是Cm2(库伦每米平方)；B为磁感应强度，单位是wb/m2(韦伯每米平方)；J是电流密度，单位是A/m2(安培每米平方)；是介电常数(r0),r称相对介电常数，0为真空的介电常数；为导磁率，r0，r 称为相对导磁率，0为真空的导磁率，0=4*10-7 Hm(亨利米)。,麦克斯韦第一方程指出，磁场是由电流产生的，表示了有旋磁场与有电流之间的关系(服从右手定则)，它是全电流的微分形式。第二方程是法拉第电磁感应定律的表达式，说明导体回路内的磁通发生变化时，在回路内会产生感应电动势，形成感生电流；椤次定律指出：在闭合回路内感应电流的方向，总是企图阻止磁通的变化，这就是方程中负号的由来。这两个方程是麦韦方程的主要内容，深刻地揭示了电场和磁场之间的联系，变化的电场能激发出磁场，变化的磁场能激发出电场。第三、四方程是在前两个方程基础上增加附加条件推导出来的:第三方程说明：磁力线是闭合的；第四方程说明：在电导率不为零的介质中，体电荷可经过一定时间被介质导去，不会引起电荷积累。,3、趋肤深度,电磁波在均匀介质中传播时，随着深度的增加会按照指数规律衰减，我们把场的幅度减小到e-1(=37)时的深度定义为趋肤深度：趋肤深度的规律是随着角频率、导电率、导磁率的增加而减小的，当导电率或导磁率很高时，高导电、高导磁介质能起到电磁屏蔽作用，电磁波就不可能传播到较深的地方法；若导电率或导磁率较高的介质中，我们想要使电磁波传播较深，那只能通过降低工作频率的方法。,4 FDEM法探测地下管线的实质,1）、FDEM法探测地下管线，首先是基于金属管线沿着某一个方向具有良好的导电性，当管线上载有某一频率的交变电流时，其周围空间就产生相同频率的交变磁场；又因为管线周围的介质的导电性远远小于地下管线，当我们忽略周围导电介质的影响时，就可以把载流看作线电流形成的磁场，这时我们用接收线圈去探测这种磁场时，探测线圈中的感应电动势正比于磁场。我们正是利用仪器去探测磁场不同方向分量的空间变化规律来“探测”到地下管线的存在，达到探测其走向、平面位置和埋深的目的。,2）、从另一个角度来说，良导地下管线与地面上的一个线圈之间是存在着互感的，互感与两者间的距离、方位密切相关。对于载流地下管线，可以使线圈中产生感应电动势；反之,载流的线圈也可以使地下管线上产生感应电流，前后两者巧妙地结合起来，就成为感应法探测地下管线。通常我们把前面的线圈称为接收线圈R，把后面的线圈叫作发射线圈T。在感应法工作时，我们力图消除两种线圈的互感的影响，使观测到的信号仅仅是管线与接收线圈间的互感产生的信号。另一方面有时我们为了使某一条管线上感应出更大的电流，或使某一条管线不带电流，就可采用适当的工作方法技术。,3）、局部良导电体对接收线圈或发送线圈的互感影响必需予以重视。首先，局部良导电体会被发送线圈激发出感应电流，形成非地下载流管线产生的异常，故要避免之。其次，无论何种线圈，当其电路构成LC串联谐振回路时，良导电体(或良导磁体)会使L减小(或增加)，使原先处于谐振状态的电路产生“失谐现象”，使其不能正常工作，因此，无论发送或接收线圈均要尽可能避开良导电良导磁体的影响。,三、常用场源的特点及布置方法,在频率域电磁法探测工作中，按照场源种类或布置方法的不同，可分为如下表所列的若干种方法：,四、现场探测的工作方法和技术,1 前期准备工作：1）技术准备（1）测绘先行，（2）仪器及其他装备的准备，（3）人员组织，（4）尽可能地收集相关资料，（5）组织学习 有关方法技术和规范。2）收集资料3）现场踏勘4）方法技术试验,2、现场探测的工作方法技术,1）被动源探测方法时对异常的搜索与追踪 这种方法主要用于未知区的初探以及精度要求不高时的探测。对于电缆和电性连接良 好的管道，因干扰源的存在，使之载有电流，因此对探测这一类地下管线特别有效，能发现比背景值大许多倍的信号(即异常)，异常值的大小、宽度等则与所载电流的强弱，管线性质、埋深及接收机的工作频率相关。,2）主动源激励时对异常的搜索、追踪与剖面观测（1）主动源激励时对异常的搜索与追踪 若尚未进行被动源探测，则可布置在地面的回线场对地下管线进行搜索与追踪。这时 管线上能激发出的电流可能远远超过非人工电流，因此信号比被动源时要强得多，可搜索 到被动源探测时不易发现的管线。这在干扰背景较高时是十分有效的方法。当用Mz激发 时也会有较好效果。为防止回线中央部分(或Mz线圈中心附近)的管线上感应电流过小，可移动后再激发一次，再搜索一次。这两种方法实质上是同一种激发方式，因此有许多相似之处。探测过程中搜索和追踪方法与被动源工作时极为相似，不同之处是水平回线及Mz均 有较强的一次场产生，在与地面的同一平面内，测量Hz的方法要到一次场随距离三次方衰 减到忽略不计的程度才能探测。Hx、Hx等方法则可在稍近距离内也可工作，但这时一 定要注意电圈面的垂直，线圈面倾斜时，可能会误认为是异常。,（2）剖面测量方法剖面线的设置方法：观测剖面线(x轴)应尽可能布置在地下管线的直段上，且垂直于管线走向布置；不具备上述条件时，如在拐弯、分叉、变深等条件下，剖面线应离开这些突变点，离开的距离应大于4倍的埋深。测线长度及点距的选择：由于单根管线异常宽度与埋深成正比例关系，所以测线长度、点距要视管线埋深来决定，一般而言，为了观测到完整的Hx曲线，点距可选择为埋深的四分之一，测线长度可选择为埋深的四倍。若埋深浅，可对Hx值变化较大处增加一个内插加密观测点，而在异常值变化小的地方，可适当减少观测点(但要注意，尤其是有平行管线存在时，减少观测点要以不能损失掉异常的细节性变化为前提)；又如，测线长度受场地限制时，则不必拘泥于一定要四倍埋深的长度，力求至少达到超过管线正上方一倍的埋深，即令测线Hx的极大值出现前(或后)至少观测到极值的一半以下的数值。,3、管线点的标志设置与记录,为了用测量仪器对管线点的“收点”工作能有序、准确和快速地开展，对已查明的地下管线点，应在地面上设置标志点，并作好相应记录。选用的标志有：水泥桩、刻石、木桩、铁钉、油漆等，选用何种标志，应视需要保留时间的长短及地面实际情况而定。一般标志应与地面取平，若高出地面或低于地面时，应在记录中作出记录。在标志埋设后，应在点位附近用油漆作出标记，标记的内容为管线点编号及埋深等。当管线点位置不易寻找时，可在附近固定之物注记管线点到固定物上某点的距离和方法，实地拴点，便于收点时的寻找。栓点之物、距离等均应记录在表格中。必要时，可用某两个固定点与管线点的三角关系，表示管线点的位置，并作好相应记录及画出示意图。,4、探测质量的保证体系,长久以来，勘探单位对勘探成果的质量管理，一般采用三级检查验收制度，即施工单位的自检、互检和队检，最终由用户组织成果的验收。短短的几天验收工作，抽样检查是无法揭示由于技术设计、作业组织、人员素质、作业方法、作业流程等各个环节存在的问题会给工程质量带来的隐患。只有当成果的全面使用时，质量隐患才能暴露出来，势必付出昂贵的代价。而采用工程监理方法，不仅可以促使施工队伍建立和完善内部质量管理体系，而且监理工作贯穿于工程作业的全过程，对工程作业从技术设计到方法试验、作业流程到作业方法，从中间成果到最终成果等各方面进行作业巡视和抽样检查等方面进行监控。因此工程监理制可以对作业的全过程进行事先的质量控制和验证，可对工程作出系统全面、客观公正的评价，为成果的验收打下良好的基础。此外，还设立测绘到成图，以及档案管理等方面进行多专业、全方位的监理制度。,5、安全注意事项,1）在市区工作时，必须穿着桔黄色号服、戴横黄色号帽，遵守城市交通规则；夜问作业时汽车流量少，但车速特快，尤需注意。必要时可与交警联系，取得支持和帮助。2）进入厂区工作，必须熟悉该厂的安全保护规定，并切实遵守之。3）对于排污管道，很可能存在易燃易爆气体(如夏季易产生沼气)或其它有毒、有害气体，故禁用明火，作业时谨防产生的电火花撞击火花。若要下到排污管道作业时，应事先对有毒、有害气体以及氧气含量进行测定，当超标或不合格时，必须采取安全措施。4）严禁在煤气、乙炔气或氧气等易燃、易爆管道上布置充电点作直接充电法作业；严禁对带电的动力线上充电作业，以防过高的电压危及人身和仪器的安全；当采用夹钳感应法时，夹钳只能夹套在三相间较为平衡的有绝缘的电缆外，严禁对单股强电流导线实施感应法作业。5）打开窨井盖实施现场调查作业时，井口必须有人看护或设立明显、醒目的标志，作业完毕，须妥善盖好井盖，防止他人受到伤害。6）万一发生安全事故，应立即将受害者送到附近医院急救；必须对现场加以保护，并向上级或相关部门报告，查明事故原因，明确事故责任。,1）地下管线测量工作应包括以下内容，测区已有控制成果和地形图的收集、检测和修测，对实地调查成果及探测成果中的管线点进行连测，测量成果的整理等。2）地下管线图的编绘 地下管线图的编绘工作是在合格的地形图上和管线探测成果的基础上进行的，包括如下内容：图幅尺寸的选定、地形图复制，图中管线的展绘，文字以及数字的注记、成果表编绘，文字说明、图廓整饰、原图上墨等环节。,6、后期工作,1 FDEM法探测地下管线的物理实质一、FDEM法探测地下管线，首先是基于金属管线沿着某一个方向具有良好的导电性，当管线上载有某一频率的交变电流时，其周围空间就产生相同频率的交变磁场；又因为管线周围的介质的导电性远远小于地下管线，当我们忽略周围导电介质的影响时，就可以把载流看作线电流形成的磁场，用接收线圈去探测这种磁场时，探测线圈中的感应电动势正比于磁场。正是利用仪器去探测磁场不同方向分量的空间变化规律来“探测”到地下管线的存在，达到探测其走向、平面位置和埋深的目的。二、从另一个角度来说，良导地下管线与地面上的一个线圈之间是存在着互感的，互感与两者间的距离、方位密切相关。对于载流地下管线，可以使线圈中产生感应电动势；反之,载流的线圈也可以使地下管线上产生感应电流，前后两者巧妙地结合起来，就成为感应法探测地下管线。通常我们把前面的线圈称为接收线圈R，把后面的线圈叫作发射线圈T。在感应法工作时，我们力图消除两种线圈的互感的影响，使观测到的信号仅仅是管线与接收线圈间的互感产生的信号。另一方面有时我们为了使某一条管线上感应出更大的电流，或使某一条管线不带电流；三、局部良导电体对接收线圈或发送线圈的互感影响必需予以重视。首先，局部良导电体会被发送线圈激发出感应电流，形成非地下载流管线产生的异常，故要避免之。其次，无论何种线圈，当其电路构成LC串联谐振回路时，良导电体(或良导磁体)会使L减小(或增加)，使原先处于谐振状态的电路产生“失谐现象”，使其不能正常工作，因此，无论发送或接收线圈均要尽可能避开良导电良导磁体的影响。,2、在频率域电磁法探测工作中，按照场源种类或布置方法的不同，可分为哪几种方法？,3 率域电磁法探测地下管线的特点,1）、在探测地下管线中占主导地位 由于大部分重要的地下管线是用金属材料制成的，有些重要的非金属管道，在敷设时预埋了金属检测带；对于有出入口的非金属管道，也可以用其中的“示踪法”进行探测，两者均可用最简化的物理模型进行理论计算(正演)及推断解释(反演)，具有推断解释精度高的特点，所以国内外称谓“地下管线探测仪”的仪器，毫不例外地采用这一方法。2）、可用场源多 频率域电磁法可以利用的场源既有天然场源(被动源)又有人工场源(主动源)。3）、传感器的独特优点 在探测仪器中，把交变磁场转换为电信号的传感器，有灵敏度高、重量轻、转动灵活等一系列特点，使探测工作的操作极为方便，可以进行“扫描式”探测，工作效率极高，生产成本低。4）、仪器中采用窄带滤波技术一方面能有效地压制非工作频率的交变磁场的干扰，提高信噪比，突出有用信号；另一方面可使较微弱的有用信号用较大的放大倍数放大到一定程度，其实际意义是可减小发送机的能耗及其重量。,5）、FDEM法遇到的困难 a在管线密集区，场的分布很复杂，给推断解释带来困难，又要耗费较多的时间。b对于多根平行管线，有时水平方向的分辨能力不如人们所期望的那么高，极而言之，我们无法探测出一束电缆中的每一根电线，把它们一根根地区分开。c无法直接探测出管道直径，对于大口径管道探测效率很低。d对于电性连接差的管道，不易形成集中电流，例如水泥管道，尽管有良导电的钢筋，但不易探测。e对于无出入口的非金属管道(预埋了金属检测带的除外)，良导管线的端点的确切位置等无法进行探测。,