CN113805239A - 利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法 - Google Patents

利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法。该方法是通过初步判断管线的位置布置测点测出管线的磁场水平分量及其垂直差值和水平变化率，并与单根金属管线的理论曲线进行对比，利用实测磁场水平分量垂向差值曲线过零点对应的半弦长q/ 0同单根金属管线理论磁场水平分量曲线
Figure DDA0003220476630000012
弦长之间的关系判定地下金属管线数量；并利用半弦长q/ 0直接确定单根金属管线的埋深；通过二次实际测量磁场水平分量确定的磁场水平分量之差的极大值，找出极大值在实测磁场水平分量曲线的视
Figure DDA0003220476630000011
对应的位置及半弦长q// 0求出两根平行管线的埋深。本发明中的判断方法简单准确，解决了现有地下管线探测过程中无法确定地下两根平行金属管线的管深及平面位置关系。

Description

利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的 方法
技术领域
本发明属于探测地下金属管的方法，具体是提出一种利用实测磁场水平分量垂向差值曲线过零点对应的半弦长q/ 0直接确定单根金属管线的空间位置及利用实测磁场水平分量垂向差值曲线过零点对应的半弦长q/ 0同实测磁场水平分量HX曲线中q0.8
Figure BDA0003220476610000011
弦长之间的关系联合确定地下平行钢管线空间位置的方法。
背景介绍
地下管线是城市的重要基础设施。近年来，随着城市建设的发展，大力发展交通系统，能源体系，通讯，信息网络等，如铁路、地铁、轻轨、供电、供热、供气等，各项工程的实施均离不开地下管线这一重要隐蔽基础设施，由于种种原因，管线资料不全，有的与现状不符，而且各种管线权属于不同的部门，对管线管理不够重视，这都增加了管线的管理难度，在工程施工中，常因管线位置不明挖断管线，造成停水、停电、通讯中断等事故，给人民生活带来极大不便，同时，城市车辆与电力、无线电并行管线，如电缆沟、热力管道、自来水管道并行的干扰，导致管道上的腐蚀、泄漏事故时有发生，为了避免这些状况发生，查明地下管线位置、走向已成为工程施工必不可少的前提，对于促进城市建设和谐发展具有重要意义。
现有技术针对深埋金属管线探测主要采用电磁法探测和电磁波法探测。其中，电磁法探测地下金属管线通常是先激发导电性良好的地下管线，在地面观测其响应(包括地下介质及管线与周围介质的相互作用的响应)。而后分析这些电磁异常来达到探测地下管线的目的。其前提必须满足以下物理模型：(1)周围介质与管线之间有明显的电性差异；(2)管线长度远大于其埋深，一般必须是长度大于埋深的5-6倍。
电磁波法探测地下管线是在地面上放有发射机，它以交变电流直接给地下管线充电或供给发射线圈(T)，被充以交变电流的管线产生的交变磁场称为一次场；而发射线圈在其周围同样产生一次场，它激发地下管线产生感应电流(即二次电流)，由二次交变电流产生的交变磁场称为二次场。在离开发射线圈一定距离用接收机接收由管线产生的一次场或因感应而产生的二次场，通过分析所接收场的形态规律来达到探测地下管线的目的。
上述探测方法都只能针对单根管线的大致位置探测，并不能对单根管线的空间位置的具体参数进行探测，而且在地下管线探测过程中，地下并存多根金属管线的情况是最常见的。由于各根金属管线的埋深、间距不同，在运用电磁法探测过程中就能组合出许许多多的电磁异常曲线来。如何识别这些异常并减少其多解性，最终确定被测目标金属管线的赋存空间是管线探测者面临的最棘手的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷提供了一种利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法，该方法可以利用实测磁场水平分量垂向差值曲线过零点对应的半弦长q/ 0直接确定单根金属管线的空间位置参数，还可以利用实测磁场水平分量垂向差值曲线过零点对应的半弦长q/ 0同实测磁场水平分量q0.75
Figure BDA0003220476610000021
弦长联合计算出地下平行金属管线空间位置，为现有地下管线探测过程中无法确定地下两根平行金属管线埋深及平面位置的问题提供了一种新的解决方法。
为了达到上述技术目的，本发明提供了一种利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)、利用金属管线露出地面的位置，使用充电法或感应法激发已知金属管线，在一定范围内用管线探测仪的接收机接收测量目标金属管线的磁场水平分量，初步判断金属管线的平面位置；
(2)、根据步骤(1)初步判断的位置，在现场地面沿垂直于金属管线的方向布置测线，用管线探测仪发射机激发金属管线，沿测线用管线探测仪接收机第一次测量金属管线每个测点产生的不同高度的磁场水平分量Hx h1及Hx h2，按照公式①计算出每个测点的磁场水平分量垂向差值H1 xz：
H1 xz＝Hx h2-Hx h1 ①
其中：Hx h2是离地面最近的接收线圈接收的磁场水平分量；
Hx h1是将接收线圈提高h0高度时接收的同一测点的磁场水平分量；
(3)、并根据步骤(2)中一次实测磁场水平分量Hx h2和计算的一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz分别绘制出金属管线的一次实测磁场水平分量Hx h2曲线和一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线；根据金属管线的一次实测磁场水平分量Hx h2，通过公式ΔHx h2＝Hh2 x(i+1)-Hh2 xi求相邻的i点一次实测磁场水平分量Hh2 Xi与i+1点一次实测磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000031
之间的一次实测磁场水平分量差ΔHx h2,即一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX,并绘制变化率H1 XX的曲线；
(4)、将步骤(3)中得到的一次实测磁场水平分量Hx h2曲线、一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线及一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线与现有的单根金属管线的理论磁场水平分量HX曲线、理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线及理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线对比；并根据曲线对比结果或一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线过零点的半弦长q// 0同单根金属管线理论磁场水平分量HX曲线中q0.8
Figure BDA0003220476610000041
弦长之间的关系或两者的结合判断是一根还是两根管线；
(5)、利用金属管线被电磁激发产生的磁场水平分量对其求垂直方向的导数，即得到公式②：
Figure BDA0003220476610000042
步骤(4)中判断出地下管线为一根时，i＝0、ai＝0，x＝h，代入公式②计算出Hxz＝0，此时一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线过零点位置对应的半弦长q/ 0即为单根金属管线的埋深，一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线过零点位置向磁场水平分量极大值方向平移x＝h即得到目标管线的水平位置；
(6)、步骤(4)中判断出地下管线为两根时，选择T位移法、隔离感应激发法、偏位感应法中的任意一种方法进行金属管线电磁激发，再次在步骤(2)中的原测线上二次测量地下两根平行金属管线在地面产生的磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000043
及同一测点磁场水平分量垂向差值
Figure BDA0003220476610000044
分别绘制出二次实测磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000045
曲线和二次实测磁场水平分量垂向差值
Figure BDA0003220476610000046
曲线；并按照公式ΔHx h2＝Hh2 x(i+1)-Hh2 xi计算出第i+1测点的二次实测磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000047
和i测点二次实测磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000048
之差ΔHx h2，找出ΔHx h2中的极大值
Figure BDA0003220476610000049
(7)、根据步骤(6)所确定的磁场水平分量之差的极大值
Figure BDA00032204766100000410
找出极大值
Figure BDA00032204766100000411
在二次实测磁场水平分量Hx h22曲线的视
Figure BDA00032204766100000412
对应的位置，并根据确定的二次实测磁场水平分量
Figure BDA00032204766100000413
曲线的视
Figure BDA00032204766100000414
对应的位置及步骤(3)中一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线过零点的半弦长q// 0，利用公式③求出两根平行管线的埋深h，
Figure BDA00032204766100000415
式③中：h为两根平行管线的视埋深，b为视
Figure BDA00032204766100000416
与q// 0对应的地面水平距离；
并进一步确定两根平行管线的平面位置即半极值点
Figure BDA0003220476610000051
对应的水平位置向极大值
Figure BDA0003220476610000052
对应的水平位置方向移h的长度所对应的位置就是金属管线中心的水平位置。
本发明进一步的技术方案为：所述步骤(4)中的管线数量具体判断过程如下：当
Figure BDA0003220476610000053
则确定地下为两根管线；当现场一次实测磁场水平分量Hx h2曲线、一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线及一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线与单根金属管线理论磁场水平分量HX曲线、理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线及理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线的形态完全不同时，则判断是两根金属管线；当现场一次实测磁场水平分量Hx h2曲线、一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线及一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线与单根金属管线理论磁场水平分量HX曲线、理论磁场水平分量垂向梯度H xz曲线及理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线形态相似，一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线及一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线与单根理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线及理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线有明显的斜率变化范围，存在拐点，则判断其地下为两根金属管线；当一次实测磁场水平分量Hx h2曲线、一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线及一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线与单根金属管线理论磁场水平分量HX曲线、理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线及理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线形态相似，一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线及一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线与单根理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线及理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线无明显的斜率变化范围，无拐点，则判断地下为一根管线。
本发明进一步的技术方案为：所述步骤(6)中的T位移法是把接收机R置于目标管线的已探明点或出露点正上方，在适当的距离内垂直于管线走向移动发射机T，根据接收机接收到的信号的强弱变化来判断和准确定位金属管线的位置；所述隔离感应法是选择管线较稀疏的区段对目标管线进行感应或充电，以减小旁侧影响，从而达到在管线密度大的区段上突出目标管线的信号，实现定位、定深；所述偏位感应法是根据磁偶极子的一次场随θ角的变化并非呈均匀变化这一原理，来加大目标管线与旁侧管线间的二次场的对比度，突出目标管线的信号，从而达到区分和追踪目标管线的目的，其中θ角是发射线圈轴与矢径r之间的夹角。
本发明进一步的技术方案为：所述步骤(1)中利用金属管线露出地面的位置初步判断地下金属管线的位置时，其出露地面的部分包括消防栓、水表、管道检修井、阀门、升空或进入设备连接点、或由于施工开挖而暴露出地下管线。
本发明进一步的技术方案为：所述步骤(1)中的充电法是将一定频率的管线探测仪发射机交流电源一端接到管线的出露部分，另一端与远离接点的接地电极相接即为单端充电，或将交流电源的两端分别接到同一目标管线两个相距较远的出露点上即为双端充电，此时金属管线与大地或金属管线与电源之间形成了电流回路，管线周围产生交变磁场；所述步骤(1)中的感应法是用管线探测仪发射机在地面产生一次交变磁偶极子场，若地下有金属管线存在，则穿过地下金属管线的一次场磁通量的大小、方向是在不断变化,根据电磁感应定律，金属管线内产生感应电流，其大小正比与磁通量的变化率，频率与一次场相同,在地面上用接收机观测和研究感应电流产生的二次场，就可以达到探测地下金属管线的目的。
本发明较优的技术方案为：所述步骤(2)中在布置测线时，测点起始位置距管线中心距离为金属管线预估埋深的2～3倍，测线总长度为金属管线预估埋深的4～6倍，测点间距0.05～0.2m。
本发明较优的技术方案为：所述步骤(5)中的激发方式的选择根据金属管线的出露状况、分布特点及各种激发方式的适用性现场反复试验对比确定，从已知到未知逐步探测目标管线，其中若管线间距很小，则不选用偏位感应法；选择T位移法的应用条件是目标管线必须有出露点或已探明点，并且在这些点上接收机所受到的旁侧干扰要小。
本发明是针对在地下管线探测过程中两根平行钢管产生的电磁场异常，利用已有的电磁场理论推导出两根或多根地下钢管产生的电磁场异常曲线，通过计算我们知道，在两根钢管的中心线之间的异常迭加尤为严重，而在两管线外側的异常受到的干扰要小的多，甚至基本为零。所以根据现场实际情况选用不同的激发方式对地下金属管线进行电磁激发，在地面接收金属管线产生的电磁场曲线，选用Hx及Hxz曲线的受到干扰比较小的一半进行分析反演计算，求得地下金属管线的埋深及水平位置。
本发明是利用实测磁场水平分量在垂直方向上的差值曲线Hxz曲线过零点的半弦长q/ 0同单根金属管线理论磁场水平分量的q0.8
Figure BDA0003220476610000075
弦长之间的关系判定地下金属管线是一根还是两根；并在判断为一根时，直接利用实测磁场水平分量垂向差值曲线过零点对应的半弦长q/ 0确定单根金属管线的平面位置及埋深参数；在判断为两根时，根据现场实际测量磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000072
并计算找出
Figure BDA0003220476610000073
第i+1测点和i测点
Figure BDA0003220476610000074
之差ΔHx 1的极大值ΔHx 1＝H1 x(i+1)-H1 xi，找出极大值
Figure BDA0003220476610000081
对应的磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000082
中的
Figure BDA0003220476610000083
对应的位置；根据现场实际测量磁场水平分量的垂向差值曲线过零点对应的半弦长q// 0和实测磁场水平分量曲线的q0.75
Figure BDA0003220476610000084
对应的地面水平距离计算出平行管线管线埋深和平面位置。
本发明可以利用磁场水平分量垂向差值法分析平行管线异常曲线、并能确定单根金属管线的空间位置参数及利用现场实际测量磁场水平分量的垂向差值曲线过零点对应的半弦长q// 0和实测磁场水平分量曲线的
Figure BDA0003220476610000085
对应的地面水平距离联合确定平行管线深度和平面位置，其判断方法简单准确，解决了现有地下管线探测过程中无法确定地下两根平行金属管线的管深及平面位置关系。
附图说明
图1是无限长直导线中电流产生的磁场；
图2是磁场分量计算示意图；
图3是单根地下水平管线中电流的电磁响应曲线图；
图4是两根金属管线等埋深等电流条件、且不同间距a下的磁场水平分量曲线HX、HX在水平方向上的变化率HXX曲线及HX在垂直方向上的变化率Hxz曲线图；
图5是地下两平行管线在h＝a时的磁场水平分量与其在水平及垂直方向上的变化率曲线图；
图6是地下两平行管线在a＝1.5h时的磁场水平分量与其在水平及垂直方向上的变化率曲线图；
图7是埋深h＝1m、电流i＝1A不同间距a情况下计算的80％极值弦长与磁场水平分量的垂向梯度过零点半弦长q/ 0对应的管线埋深变化曲线图；
图8是实施例中管线分布图；
图9是实施例中一次实测磁场水平分量H1 X曲线及H1 X在水平方向上的变化率H1 XX曲线图和一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线；
图10是实施例中经过偏位感应法激发优化后二次实测磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000091
及
Figure BDA0003220476610000092
在水平方向上的变化率H11 XX曲线图和二次实测磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000093
垂向差值H11 xz曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中的单根管线产生的磁场推导如下：设管线中某一时刻的电流方向如图1所示，根据毕奥—沙法尔定律，电流元在空间某一点P处产生的磁场为：
Figure BDA0003220476610000094
式中：dB表示电流元在P点产生的微量磁通；
I0表示电流强度；
dl表示电流元长度；
r表示电流元至P点的长度；
θ表示电流元方向与自电流元至P点的矢径间的夹角；
μ表示磁导率；
w表示交流电圆频率。
对应上式dB积分的长导线的磁场为：
Figure BDA0003220476610000101
由几何关系可知：
l＝r cos(π-θ)＝-r cosθ
r0＝r sin(π-θ)＝r sinθ
l＝-r0ctgθ
Figure BDA0003220476610000102
式中：dl表示电流元长度；
l表示电流长度；
r表示电流元至P点的长度；
r0表示P点至电流元垂直距离；
θ表示电流元方向与自电流元至P点的矢径间的夹角；
将上述变换关系式带入公式④中得：
Figure BDA0003220476610000103
当A1→-∞、A2→+∞时，θ1＝0、θ2＝π(条件是管线走向长度大于管线埋深的5—6倍)。因此得到无限长直导线中电流产生的磁场为：
Figure BDA0003220476610000104
对于非磁性介质，μ近似等于真空中的μ0(真空磁导率)，由于我们实际工作中测量的是磁场的大小，为方便起见，故将⑥式改写为：
Figure BDA0003220476610000105
如果充电管线中心埋深为h，在地面上任一观测点的坐标为x，当测线沿轴向与管线走向垂直时，地面上观测到的磁场水平分量Hx和垂直分量Hz分别为下式，示意图见图2所示。
Figure BDA0003220476610000111
Figure BDA0003220476610000112
Figure BDA0003220476610000113
Figure BDA0003220476610000114
式中：Hp表示观测点p处的磁场；单位为亨利
Hx表示观测点p处Hp的水平分量；
Hz表示观测点p处Hp的垂直分量；
α表示管中心与p点连线同地面法线所成的夹角；
Figure BDA0003220476610000115
表示接收线圈面与地面成450角时所接收的磁场分量；
从公式⑦可以看出，长管线中电流在空间产生的磁力线圈，在垂直于管线走向的断面上是一组以管线为圆心的同心圆，其各参数的理论剖面曲线如图3所示：从公式⑧、⑨、⑩、
Figure BDA00032204766100001118
及其理论曲线可以看出：
(1)在管线正上方，即X＝0，HZ＝0,
Figure BDA0003220476610000116
α＝0；即表明在管线正上方处，管线中的电流产生的磁场的水平分量最大，垂直分量为零。利用这些特征可测量和确定地下管线的水平位置。
(2)在
Figure BDA0003220476610000117
处，即x＝h位置上(半极值弦长q0.5
Figure BDA0003220476610000118
)，
Figure BDA0003220476610000119
α＝45°、
Figure BDA00032204766100001110
以上几个公式表明在测线上x＝h处，由管线电流产生的磁场的水平分量等于磁场的垂直分量而且此时垂直分量取到极大值，为水平分量
Figure BDA00032204766100001111
的一半，用45°角法测得
Figure BDA00032204766100001112
(3)当
Figure BDA00032204766100001113
时(80％极大值弦长q0.8
Figure BDA00032204766100001114
)，得到
Figure BDA00032204766100001115
即当
Figure BDA00032204766100001116
时，磁场的水平分量等于其极大值的80％；故可利用
Figure BDA00032204766100001117
来确定管线的平面位置和埋深。
(4)在X→-∞或X→+∞时，HX＝0，HZ＝0。即在垂直管线走向很远时测得的磁场为正常场。
(5)对
Figure BDA0003220476610000121
求x的一阶导数获得磁场水平分量在水平方向上的变化率HXX曲线
Figure BDA0003220476610000122
当
Figure BDA0003220476610000123
时，HXX取得极大值。
(6)
Figure BDA0003220476610000124
求h的一阶导数获得磁场水平分量在垂直方向上的变化率Hxz曲线
Figure BDA0003220476610000125
当x＝±h时，Hxz＝0，即过零点。
本发明的推导过程如下：
(1)基于电磁波法探测地下管线的基本原理即电磁感应定律推导出地下单根平行金属管线在地面产生的磁场水平分量HX的正演计算公式(1)和垂直磁场分量HZ的正演计算公式(2)：
Figure BDA0003220476610000126
Figure BDA0003220476610000127
公式(1)和公式(2)中：
I表示管线上电流大小；h为管线的中心埋深；
x为垂直于管线方向上的偏离管线中心的地面上的水平距离
(2)根据步骤(1)中的公式(1)、公式(2)以及磁场水平分量HX、垂直磁场分量HZ为标量的可迭加性推导出两根或两根以上管线在地面产生的磁场水平分量HXn和垂直磁场分量HZn的正演计算公式(3)和公式(4)，并根据公式(3)和公式(4)计算出不同数量水平平行管线的迭加磁场，其中公式(3)和公式(4)如下：
Figure BDA0003220476610000131
Figure BDA0003220476610000132
公式(3)和公式(4)中：
n代表管线的数量；
Figure BDA0003220476610000133
Ii为第i根平行管线上的电流大小；
ai为第i根平行管线中心线与i＝0的那根管线中心线之间的水平距离；其中(a0＝0)；hi为第i根管线的中心埋深；
(3)对步骤(2)中的两根或两根以上管线在地面产生的磁场水平分量HXn求其在水平方向变化率Hxx及垂直方向上的变化率Hxz(即垂直差值)，
Figure BDA0003220476610000134
求其在水平方向及垂直方向的导数则得到：
Figure BDA0003220476610000135
Figure BDA0003220476610000136
(4)根据步骤(2)中公式(3)和公式(4)计算在两根金属管线等埋深等电流为常数的情况下，两根平行金属管线不同间距a下磁场水平分量HX2和垂直磁场分量HZ2；根据步骤(3)中的公式(5)(6)计算出在两根金属管线等埋深h＝1等电流为常数的情况下，两根平行的金属管线不同间距a下的HX的水平方向上的变化率Hxx及其垂直方向上的变化率Hxz曲线，并绘制出两根金属管线等埋深等电流条件、且不同间距a下的Hx磁场水平分量曲线及Hx水平方向上的变化率Hxx和Hx的垂直差值Hxz曲线，如图4所示，并针对间距a等于其埋深h及间距a等于1.5倍的埋深h的磁场分量曲线图单独绘制，详见图5(h＝a)和图6(a＝1.5h)；通过上述曲线发现两管线的间距a小于或等于其埋深h时，它的Hx异常曲线的总体特征同单根管线相似，为一个单峰值，故用上述探测方案都会将两根管线判断为一根，但Hx水平方向上的变化率Hxx和Hx的垂直差值Hxz曲线在两管之间有一明显的斜率变化范围，有两个拐点，可用来判断其地下为两根管线；当两管线的间距a大于其埋深h时，其它的Hx、Hxx、Hxz异常曲线的总体特征与单根管线完全不同，可以直接判断其地下为两根管线；再结合磁场水平分量的垂向差值曲线过零点的半弦长q/ 0同
Figure BDA0003220476610000141
弦长之间的关系加以判断，计算出两根管线埋深h＝1m等电流i＝1A不同间距a情况下计算的80％极值弦长与磁场水平分量的垂向梯度过零点半弦长q/ 0对应的管线埋深如表1所述，并绘制出变化曲线(如图7所示)：
Figure BDA0003220476610000142
通过上述数据可以看出，两根管线在不同间距情况下，其q0.8均>q/ 0，所以在q0.8>q/ 0，则确定地下为两根管线。
如果是单根金属管线，在有出露点的地方可以选择充电法激发或感应法激发，在已知出露点的情况下选择感应法激发；两根管线选择T位移法、隔离激发法、偏位感应法中的任意一种方法进行管线电磁激发，所述T位移法是把接收机R置于目标管线的已探明点或出露点正上方，在适当的距离内垂直于管线走向移动发射机T，根据接收机接收到的信号的强弱变化来判断和准确定位金属管线的位置，T位移法的应用条件是：目标管线必须有出露点或已探明点，并且在这些点上接收机所受到的旁侧干扰要小；隔离感应法是选择管线较稀疏的区段对目标管线进行感应或充电，以减小旁侧影响，从而达到在管线密度大的区段上突出目标管线的信号，实现定位、定深；偏位感应法是根据磁偶极子的一次场随θ角(θ角是发射线圈轴与矢径r之间的夹角)的变化并非呈均匀变化这一原理，来加大目标管线与旁侧管线间的二次场的对比度，突出目标管线的信号，从而达到区分和追踪目标管线的目的，若管线间距很小，则本方法不适用。激发方式的选择根据金属管线的出露状况、分布特点及各种激发方式的适用性现场反复试验对比确定，从已知到未知逐步探测目标管线。
(5)利用q/ 0和q0.75
Figure BDA0003220476610000151
联合确定平行管线的深度和平面位置
在现场地面垂直于金属管线的方向布置测线，沿测线测量金属管线产生的实测磁场水平分量Hx 1，利用实测磁场水平分量Hx 1的水平梯度最大时所对应的x和Hx，可求得目标管线的视极大值
Figure BDA0003220476610000152
在理论计算中可知，当地下为单根管线时，其Hxx的极大值位置在
Figure BDA0003220476610000153
处，此时
Figure BDA0003220476610000154
在所测剖面曲线中找出其斜率最大的位置，也即找到了
Figure BDA0003220476610000155
位置，在外业作业时详细记录实测磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000156
第i+1测点和i测点之差ΔHx 1(ΔHx 1＝H1 x(i+1)-H1 xi)，找出ΔHx 1极大值对应的视
Figure BDA0003220476610000161
水平位置，再结合磁场水平分量垂直差值Hxz曲线过零点半弦长q/ 0即可求得管线的埋深，并进一步定出管线的水平位置，即
Figure BDA0003220476610000162
式中：h1为管线的视埋深，b1为
Figure BDA0003220476610000163
与q/ 0对应的地面水平距离(测线上磁场水平分量的垂向梯度Hxz曲线过零点与磁场水平分量Hx曲线斜率最大点之间的距离，是可以实地量出来的，故为已知。)
利用公式(6)即可求得管线的视埋深h1，管线中心位于半极值点向极大值方向移h1的位置。而利用压线法或对剖面曲线作分场处理可得另一管线的水平位置和埋深。
在野外作业采集数据时要注意在
Figure BDA0003220476610000164
异常变化大的地方测点要加密，以便室内提取出磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000165
第i+1测点和i测点之差ΔHx 1的极大值(ΔHx 1＝H1 x(i+1)-H1 xi)。该方法用于近距离平行管线的探测分析十分有效，如果能配合以灵活的激发方式，可以在地下管线的探测工作中发挥重要作用，解决许多难点问题，这已经在实际工作中得到了证明。
下面结合具体实例对本发明中的方法进一步证明，实施例针对湘潭钢铁公地下管线开挖项目，该项目的管线分布如图8所示，分布有AB与CD、EF与GH为两组平行的生产上水管，AB、CD、EF、GH的管径都为300mm，AB、CD两管埋深相等，都为1.40m，两管之间的间距为1.20m，EF、GH两管埋深相等，都为1.10m，两管之间的间距为0.70m。两组水管的埋深h都大于它们之间的间距L。根据感应原理，若要追踪AB水管，则在其正上方感应AB信号最强，但由于CD离AB较近，所产生的二次感应场也很大。在这种情况下，所测AB位置必定偏向CD，则无法达到定位、定深的要求。如果激发方式不恰当，两条水管在磁场异常曲线Hx上表现为只有一个峰值，其它三条水管的异常也是如此。因此我们先通过比较q// 0和
Figure BDA0003220476610000171
的大小关系或用
Figure BDA0003220476610000172
Figure BDA0003220476610000173
定位定深法判别异常是单管异常还是双管异常。当我们确定地下为两根水管时采用偏位感应法，则可使CD相对于AB的信号变得很弱，从而达到准确定位的要求，其它三条水管的定位定深也是如此。其具体实施步骤如下：
(1)利用地下金属管线一般都有出露地面的部分，如消防栓、水表、管道检修井、阀门、升空或进入设备连接点、或由于施工开挖而暴露出地下管线，使用充电法或感应法激发已知金属管线，在一定范围内用管线探测仪的接收机接收测量目标金属管线的磁场水平分量，大致管线的平面位置，初始判断该区域的管线平面位置位于图7中的ABCD以及EFGH所在位置；其中充电法：就是将一定频率的管线探测仪发射机交流电源一端接到管线的出露部分，另一端与远离接点的接地电极相接即为单端充电，或将交流电源的两端分别接到同一目标管线两个相距较远的出露点上即为双端充电，此时金属管线与大地或金属管线与电源之间形成了电流回路，管线周围产生交变磁场；感应法是用管线探测仪发射机在地面产生一次交变磁偶极子场，若地下有金属管线存在，则穿过地下金属管线的一次场磁通量的大小、方向是在不断变化。根据电磁感应定律，金属管线内产生感应电流，其大小正比于磁通量的变化率，频率与一次场相同。在地面上用接收机观测和研究感应电流产生的二次场，就可以达到探测地下金属管线的目的；
(2)沿垂直于ABCD金属管线走线的方向布置测线ab，用长皮尺置于地面，测点起始位置距管线中心大约为金属管线预计埋深的2～3倍，测线总长度为金属管线预计埋深的4～6倍，在地面上ABCD金属管线的上方用管线探测仪发射机感应激发管线，在地面从a点以0.1m的间距开始测量记录每个测点位置的一次实测磁场水平分量Hx 1及一次实测磁场水平分量垂直差值Hxz 1，并根据测量结果绘制一次实测磁场水平分量Hx 1曲线及一次实测磁场水平分量垂直差值Hxz 1曲线；通过实际测量的管线的一次实测磁场水平分量H1 X利用ΔHx 1＝H1 x(i+1)-H1 xi求其在水平方向上的变化率H1 XX，并绘制变化率H1 XX的曲线，其一次实测磁场水平分量H1 X曲线和H1 X在水平方向上的变化率H1 XX及一次实测磁场水平分量垂直差值H1 XX曲线如图9所示；在测量前沿测线大致测出磁场水平分量的最大值位置，在该位置调整管线探测仪接收机灵敏度，使其显示的数值为100，设定为该测线的测量灵敏度，测量过程中保持管线探测仪接收机的灵敏度保持一致；
(3)将步骤(2)中得到的一次实测磁场水平分量H1 X曲线、H1 X在水平方向上的变化率H1 XX曲线及一次实测磁场水平分量垂直差值H1 xz曲线(图9)与中的单根金属管线的理论磁场水平分量HX曲线、理论磁场水平分量垂直梯度Hxz曲线及HX在水平方向上的变化率HXX曲线(图4)对比，并根据曲线对比结果或一次实测磁场水平分量垂直差值H1 xz曲线中过零点半弦长q/ 0同磁场水平分量q0.8
Figure BDA0003220476610000181
弦长之间的关系或两者的结合判断是一根还是两根管线；通过图9与图4的对比可以看出，其一次实测磁场水平分量H1 X曲线总体特征同单根管线相似，为一个单峰值，只有一个极大值，但是H1 xx及H1 xz曲线在两管之间有一明显的斜率变化范围，有两个拐点，可用来判断其地下为两根管线；从实测数据表及磁场曲线可以得出q/ 0＝1.74m，q0.8＝2.0m，q0.8>q/ 0，证实地下为两根金属管线；其实测数据如表2所示：
表2 AB、CD金属管线的磁场第一次实测数据(归一化处理)
Figure BDA0003220476610000182
Figure BDA0003220476610000191
Figure BDA0003220476610000201
根据上述实测数据，并按照公式ΔH'x＝H'x(i+1)-H'xi计算出第i+1测点的一次实测磁场水平分量H'x(i+1)和i测点一次实测磁场水平分量H'xi之差ΔHx'，并找出ΔHx'中的极大值
Figure BDA0003220476610000202
找出极大值
Figure BDA0003220476610000203
对应的一次实测磁场水平分量H1 X中的视
Figure BDA0003220476610000204
对应的位置，并在一次实测磁场水平分量垂直差值曲线上确定q// 0的位置，视
Figure BDA0003220476610000205
利用公式①求出管线的埋深h＝1.28m,式中b为q// 0＝1.74m与q0.75＝1.20之差：
Figure BDA0003220476610000206
式①中：h为管线的视埋深，b为q// 0与
Figure BDA0003220476610000207
对应的地面水平距离；
通过上述该方法求得的埋深与实际开挖埋深1.40m，误差为0.12m，平面误差为0.14m，满足探测规范要求。
(4)选择偏位感应法激发AB或CD金属管线,使得目标管线的磁场感应信号相对旁侧干扰信号加强，再次在步骤(2)中的原测线上测量地下两根平行金属管线在地面产生的二次实测磁场水平分量
Figure BDA0003220476610000208
及二次实测磁场水平分量垂直差值
Figure BDA0003220476610000209
通过实际测量的管线的二次实测磁场水平分量
Figure BDA00032204766100002010
求其在水平方向上的变化率H11 XX，并绘制出二次实测磁场水平分量
Figure BDA00032204766100002011
曲线和变化率H11 XX曲线及二次实测磁场水平分量垂直差值
Figure BDA00032204766100002012
曲线(如图10所示)，其偏位感应法优化激发后的实测数据如表3所示：
表3偏位感应法激发优化后AB、CD金属管线磁场第二次实测数据(归一化处理后)
Figure BDA0003220476610000211
Figure BDA0003220476610000221
按照公式ΔH11 x＝H11 x(i+1)-H11 xi计算出第i+1测点的二次实测磁场水平分量H11 x(i+1)和i测点二次实测磁场水平分量H11 xi之差ΔHx 11，并找出ΔHx 11中的极大值
Figure BDA0003220476610000222
找出极大值
Figure BDA0003220476610000223
对应的磁场水平分量H1 X中的视
Figure BDA0003220476610000224
对应的位置，并在二次实测磁场水平分量垂直差值曲线上确定q// 0的位置，利用公式①求出管线的埋深h＝1.30m，平面误差0.05m，此时所确定的埋深和平面位置误差完全满足探测规范要求。
同时发明人针对上述步骤(3)和步骤(4)中的数据以及计算方法，计算出适合于Ⅲ类精度的管线分布复杂，管线平行、交叉、重叠严重，有强电磁干扰，周围介质电性不均匀的条件下的q0.8及q/ 0的结果进行对比，其对比结果如表4所示：
表4为不同定位定深方法计算对比
Figure BDA0003220476610000225
Figure BDA0003220476610000231
通过表4中计算的数据可以看出，单独采用
Figure BDA0003220476610000232
弦长法和q/ 0半弦长法计算的结果平面位置误差0.6m，并不满足规范要求，但是本发明中使用视
Figure BDA0003220476610000233
与q/ 0半弦长联合法计算结果平面误差为0.14m,采用偏位感应优化激发后的视
Figure BDA0003220476610000234
与q/ 0半弦长联合法计算结果的平面误差为0.05m，深度和平面位置都满足都满足建设部《城市地下管线探测技术规程》(CJJ61—94)和《地下管线电磁法探测规程》(YB/T9027--94)探测精度要求，且采用偏位感应优化激发后的
Figure BDA0003220476610000235
与q/ 0半弦长联合法的误差更小，测量的结果更加精确。

Claims (7)

1.一种利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)、利用金属管线露出地面的位置，使用充电法或感应法激发已知金属管线，在一定范围内用管线探测仪的接收机接收测量目标金属管线的磁场水平分量，初步判断金属管线的平面位置；
(2)、根据步骤(1)初步判断的位置，在现场地面沿垂直于金属管线的方向布置测线，用管线探测仪发射机激发金属管线，沿测线用管线探测仪接收机第一次测量金属管线每个测点产生的不同高度的磁场水平分量Hx h1及Hx h2，按照公式①计算出每个测点的磁场水平分量垂向差值H1 xz：
H1 xz＝Hx h2-Hx h1 ①
其中：Hx h2是离地面最近的接收线圈接收的磁场水平分量；
Hx h1是将接收线圈提高h0高度时接收的同一测点的磁场水平分量；
(3)、并根据步骤(2)中一次实测磁场水平分量Hx h2和计算的一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz分别绘制出金属管线的一次实测磁场水平分量Hx h2曲线和一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线；根据金属管线的一次实测磁场水平分量Hx h2，通过公式ΔHx h2＝Hh2 x(i+1)-Hh2 xi求相邻的i点一次实测磁场水平分量Hh2 Xi与i+1点一次实测磁场水平分量
Figure FDA0003220476600000011
之间的一次实测磁场水平分量差ΔHx h2,即一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX,并绘制变化率H1 XX的曲线；
(4)、将步骤(3)中得到的一次实测磁场水平分量Hx h2曲线、一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线及一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线与现有的单根金属管线的理论磁场水平分量HX曲线、理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线及理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线对比；并根据曲线对比结果或一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线过零点的半弦长q// 0同单根金属管线理论磁场水平分量HX曲线中
Figure FDA0003220476600000021
弦长之间的关系或两者的结合判断是一根还是两根管线；
(5)、利用金属管线被电磁激发产生的磁场水平分量对其求垂直方向的导数，即得到公式②：
Figure FDA0003220476600000022
步骤(4)中判断出地下管线为一根时，i＝0、ai＝0，x＝h，代入公式②计算出Hxz＝0，此时一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线过零点位置对应的半弦长q/ 0即为单根金属管线的埋深，一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线过零点位置向磁场水平分量极大值方向平移x＝h即得到目标管线的水平位置；
(6)、步骤(4)中判断出地下管线为两根时，选择T位移法、隔离感应激发法、偏位感应法中的任意一种方法进行金属管线电磁激发，再次在步骤(2)中的原测线上二次测量地下两根平行金属管线在地面产生的磁场水平分量
Figure FDA0003220476600000023
及同一测点磁场水平分量垂向差值
Figure FDA0003220476600000024
分别绘制出二次实测磁场水平分量
Figure FDA0003220476600000025
曲线和二次实测磁场水平分量垂向差值
Figure FDA0003220476600000026
曲线；并按照公式ΔHx h2＝Hh2 x(i+1)-Hh2 xi计算出第i+1测点的二次实测磁场水平分量
Figure FDA0003220476600000027
和i测点二次实测磁场水平分量
Figure FDA0003220476600000028
之差ΔHx h2，找出ΔHx h2中的极大值
Figure FDA0003220476600000029
(7)、根据步骤(6)所确定的磁场水平分量之差的极大值
Figure FDA00032204766000000210
找出极大值
Figure FDA00032204766000000211
在二次实测磁场水平分量
Figure FDA00032204766000000212
曲线的视
Figure FDA00032204766000000213
对应的位置，并根据确定的二次实测磁场水平分量
Figure FDA00032204766000000214
曲线的视
Figure FDA00032204766000000215
对应的位置及步骤(3)中一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线过零点的半弦长q// 0，利用公式③求出两根平行管线的埋深h，
Figure FDA0003220476600000031
式③中：h为两根平行管线的视埋深，b为视
Figure FDA0003220476600000032
与q// 0对应的地面水平距离；
并进一步确定两根平行管线的平面位置即半极值点
Figure FDA0003220476600000033
对应的水平位置向极大值
Figure FDA0003220476600000034
对应的水平位置方向移h的长度所对应的位置就是金属管线中心的水平位置。
2.根据权利要求1一种利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法，其特征在于所述步骤(4)中的管线数量具体判断过程如下：当
Figure FDA0003220476600000035
则确定地下为两根管线；当现场一次实测磁场水平分量Hx h2曲线、一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线及一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线与单根金属管线理论磁场水平分量HX曲线、理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线及理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线的形态完全不同时，则判断是两根金属管线；当现场一次实测磁场水平分量Hx h2曲线、一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线及一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线与单根金属管线理论磁场水平分量HX曲线、理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线及理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线形态相似，一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线及一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线与单根理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线及理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线有明显的斜率变化范围，存在拐点，则判断其地下为两根金属管线；当一次实测磁场水平分量Hx h2曲线、一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线及一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线与单根金属管线理论磁场水平分量HX曲线、理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线及理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线形态相似，一次实测磁场水平分量Hx h2在水平方向上的变化率H1 XX曲线及一次实测磁场水平分量垂向差值H1 xz曲线与单根理论磁场水平分量HX在水平方向上的变化率HXX曲线及理论磁场水平分量垂向梯度Hxz曲线无明显的斜率变化范围，无拐点，则判断地下为一根管线。
3.根据权利要求1一种利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法，其特征在于：所述步骤(6)中的T位移法是把接收机R置于目标管线的已探明点或出露点正上方，在适当的距离内垂直于管线走向移动发射机T，根据接收机接收到的信号的强弱变化来判断和准确定位金属管线的位置；所述隔离感应法是选择管线较稀疏的区段对目标管线进行感应或充电，以减小旁侧影响，从而达到在管线密度大的区段上突出目标管线的信号，实现定位、定深；所述偏位感应法是根据磁偶极子的一次场随θ角的变化并非呈均匀变化这一原理，来加大目标管线与旁侧管线间的二次场的对比度，突出目标管线的信号，从而达到区分和追踪目标管线的目的，其中θ角是发射线圈轴与矢径r之间的夹角。
4.根据权利要求1一种利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法，其特征在于：所述步骤(1)中利用金属管线露出地面的位置初步判断地下金属管线的位置时，其出露地面的部分包括消防栓、水表、管道检修井、阀门、升空或进入设备连接点、或由于施工开挖而暴露出地下管线。
5.根据权利要求1一种利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的充电法是将一定频率的管线探测仪发射机交流电源一端接到管线的出露部分，另一端与远离接点的接地电极相接即为单端充电，或将交流电源的两端分别接到同一目标管线两个相距较远的出露点上即为双端充电，此时金属管线与大地或金属管线与电源之间形成了电流回路，管线周围产生交变磁场；所述步骤(1)中的感应法是用管线探测仪发射机在地面产生一次交变磁偶极子场，若地下有金属管线存在，则穿过地下金属管线的一次场磁通量的大小、方向是在不断变化,根据电磁感应定律，金属管线内产生感应电流，其大小正比与磁通量的变化率，频率与一次场相同,在地面上用接收机观测和研究感应电流产生的二次场，就可以达到探测地下金属管线的目的。
6.根据权利要求1一种利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法，其特征在于：所述步骤(2)中在布置测线时，测点起始位置距管线中心距离为金属管线预估埋深的2～3倍，测线总长度为金属管线预估埋深的4～6倍，测点间距0.05～0.2m。
7.根据权利要求1一种利用磁场水平分量垂向差值曲线确定金属管线空间位置的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的激发方式的选择根据金属管线的出露状况、分布特点及各种激发方式的适用性现场反复试验对比确定，从已知到未知逐步探测目标管线，其中若管线间距很小，则不选用偏位感应法；选择T位移法的应用条件是目标管线必须有出露点或已探明点，并且在这些点上接收机所受到的旁侧干扰要小。
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