地下管線滲漏環境下探地雷達信號特征分析

劉 海 黃肇剛 岳云鵬 崔 杰 胡群芳

①(廣州大學土木工程學院 廣州 511400)

②(同濟大學上海防災救災研究所 上海 200092)

1 引言

我國城市地下管線的規模不斷擴大，近5年來城市供水管道長度平均年增長約6×104km[1]。但部分管線受管齡長、破損和腐蝕等因素影響，滲漏頻發。這不僅造成了嚴重的水資源浪費，還會對管道周圍地基產生影響，形成地下空洞，引發公共安全事故[2]。2017年我國供水管道長度達1.8×106km，平均漏損率達到14.6%，部分城市超過25%[3]。采用準確有效的管線隱蔽缺陷探測技術可以在管線損壞的初始階段定位病害位置，有利于管理部門對管道進行及時修復，避免因管線損壞引起的基礎設施事故。

目前，管線滲漏的探測方法可以簡單分為聲學方法和非聲學方法兩種。近年來，多種聲學技術被應用于檢測管道滲漏和堵塞等[4]。其中，互相關法多用于檢測小范圍內管道的滲漏情況，但對塑料管道的檢測效果較金屬管道差[5]。另外，管中水聽器在塑料管等低信噪比環境中有較好效果[6,7]，但在使用安裝上較復雜。此外，光纖傳感器通過拾取泄漏振動信號引起光信號中的相位變化來進行更高精度的檢測，但該技術需要在纖維外層添加隔音材料來降低外部環境噪聲的影響[8]，當管道因破損進行維修時需同時更換光纖，安裝和維護成本很高。常用的非聲學方法包括流量壓力監測法、紅外熱成像法(Infrared Thermography, IR)和探地雷達法等。流量壓力監測法適合于評估某片區域內的整體滲漏情況[9]，無法準確定位滲漏點。紅外熱成像法易受環境中其他熱源影響[10]。

探地雷達(Ground Penetrating Radar, GPR)作為一種無損、高效的地球物理檢測方法，在道路、隧道和橋梁檢測等方面有廣泛應用，也是地下管線探測和定位的重要手段[11]，但將其用于地下水管滲漏探測的研究還比較少。Cataldo等人[12,13]比較了時域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)、探地雷達(GPR)和電阻率層析成像(Electrical Resistance Tomography, ERT)3種技術對地下管道滲漏檢測的效果，實際結果表明探地雷達能很好地估計泄漏位置，但易受環境因素影響。國內外學者還進行了模型箱探測試驗，Gao等人[14]認為地下輸油管道的油泄漏會改變管周圍砂土的介電常數，干擾管道反射信號，使2維雷達圖像中出現密集震蕩信號；Lai等人[15]采集了金屬和PVC管道發生滲漏前和發生滲漏過程中的探地雷達3維圖像，通過3維切片和等值面圖分析地下水管因漏水引起的擾動特征；Oca?a-Levario等人[16]為簡化GPR數據處理中的解釋工作，采用方差濾波方法把管道和滲漏區的特征從雷達圖像中顯現出來，但效果受環境影響明顯。胡群芳等人[17]把3維雷達探測應用在城市市政管道滲漏的探測中，發現在水管滲漏后管線反射信號下方出現明顯震蕩信號。Lau等人[18]通過對雷達圖像中目標物雙曲線曲率的擬合來計算電磁波在土體中的傳播速度，根據電磁波波速的下降情況來推斷滲漏點的位置。沈宇鵬等人[19]通過對管道不同點位滲漏的電磁場模擬，總結了管道滲漏的雷達正演圖像特征。

上述文獻分析了滲漏的典型雷達信號特征，但對其成因缺乏具體解釋。本文通過PVC和金屬管線滲漏的模型試驗，模擬實際地下管道的滲漏過程，并結合滲流場-電磁場耦合的數值模擬，對雷達信號進行特征分析和傳播路徑解譯，分析爬行波的傳播和衰減機制，揭示滲漏區震蕩信號的形成機理。為地下管線滲漏檢測的探地雷達圖像的解譯提供依據。

2 模型試驗

本模型試驗的目的是采集地下金屬管和PVC的滲漏前后的探地雷達剖面。

2.1 試驗方案

試驗方案如圖1所示。首先在顆粒較均勻和雜質較少的砂土(某海灘)中，先后埋入一根長1.5 m，直徑同為0.16 m的PVC水管和金屬管。覆土層厚度0.35 m，并在水管頂部中點處留有直徑7 mm的滲漏孔。管道的一端與控制水箱連接，另一端通過彎管連通大氣。水箱底部與埋置后的管道高差為2 m，滲漏時水壓約為0.02 MPa。滲漏量為24 L，滲漏過程耗時30 min。試驗區域大小為1.5 m×2 m×1 m，采用中心頻率為900 MHz的天線，在滲漏點位置處沿垂直于管線方向進行數據采集，測線長度約2.2 m，道間距為1 cm，每道信號的時窗為40 ns，采樣點為512。滲漏試驗開始前用時域反射計測得試驗場地滲漏孔附近砂子相對介電常數為3.8，電導率為6.2 mS/m，滲漏結束后開挖測得滲漏點附近砂子相對介電常數為16.4，電導率為38.4 mS/m。由于滲漏結束后，滲漏點附近處的水會受重力影響繼續下滲，開挖后滲漏點附近出砂子測得的介電參數與雷達采集數據時的存在一定差異。

圖1 水管滲漏模擬探測試驗場地及試驗方案

2.2 試驗結果分析

對采集到的雷達數據先后進行零時校正，去直流，減背景，帶通濾波和包絡增益處理。首先，將探地雷達剖面的零時刻調整到砂地表面。然后，取每道數據中15～40 ns的振幅平均值作為信號的直流分量，進行去直流處理。再通過減去整個雷達剖面的振幅平均值來去除背景雜波。接著進行帶通濾波，上、下截止頻率分別為1200 MHz和500 MHz。最后對剖面的每一道數據做希爾伯特變換取包絡，進行包絡疊加獲得剖面整體的包絡線，歸一化后取倒數作為增益曲線進行增益。

含水PVC管和金屬管滲漏前后的雷達圖像預處理結果如圖2、圖3所示。由于電磁波能穿透PVC管道，在PVC管滲漏前的雷達圖像中能看到管道頂部和底部的雙曲線反射，金屬管滲漏前的雷達圖像中只能看到管道頂部反射。兩種管道滲漏后的雷達圖像中都可以觀察到震蕩信號且能量明顯增強，震蕩信號可以作為識別管道滲漏的重要圖像特征[20]。

圖2 砂地試驗PVC管滲漏前后實測雷達圖像

圖3 砂地試驗金屬管滲漏前后實測雷達圖像

3 仿真試驗

為探究滲漏后震蕩信號的形成原因，對水管滲漏進行滲流場-電磁場耦合仿真試驗，與實測雷達數據進行比對分析，為應用探地雷達準確識別管道滲漏提供基礎。

3.1 滲流場仿真

水管滲漏過程中，水管周圍土體從非飽和土體變為飽和土體。假定固體不流動而液體填充孔隙空間，排出氣體，含水量逐漸增大直至飽和度為1。達西定律適用于表征水管滲漏過程中的飽和—非飽和滲流過程

本文采用ABAQUS數值分析軟件對金屬管和PVC管的滲漏情況進行了滲流場仿真模擬，背景砂土介質模型為多孔介質模型，大小為2 m×1.5 m×2 m，土體密度為 1486 kg/m3，彈性模量為2.5×107Pa，泊松比為0.3，滲透系數設為6×10–3m/s，吸濕曲線通過表1數據來確定。在初始條件中，設置土體初始孔壓為 –14 kPa，初始含水飽和度為0.2，孔隙比為0.56，設置與土體重力平衡的地應力。邊界條件為在滲漏點區域設置滲漏壓力0.02 MPa，滲流速度約為0.34 m/s，滲流時間為30 min。

表1 孔壓和飽和度之間的關系

對模型進行運算后得到水管周圍土體的體積含水率，圖4展示了滲漏發生后水管周圍土體飽和度隨時間的變化過程。滲漏區以滲漏點為中心先呈圓形/橢圓形狀，隨著滲漏量的增加，土體總體飽和度上升，滲漏區向四周擴張，并由于重力的作用向下方下滲。如圖4(d)所示，滲漏24 L后飽和度從滲漏點向四周呈梯度下降狀態，存在一定分層，越接近滲漏點，土體的含水飽和度越高，滲漏點附近土體含水飽和。

圖4 水管滲漏過程中管道周圍土體飽和度分布圖

3.2 電磁場仿真

利用圖4(d)所示的模型飽和度分布圖，根據折射系數模型(CRIM)[22]，可計算濕砂復合介質的介電常數和電導率。

經計算后電磁場仿真模型的介電參數情況如圖5(a)、圖5(b)所示，可以觀察到相對介電常數模型和電導率模型存在一定分層，在非滲漏區，相對介電常數約為5，電導率約為8 mS/m；在滲漏區非飽和區域，相對介電常數約為14，電導率約為22 mS/m；在飽和區域，相對介電常數約為28，電導率約為65 mS/m。

根據圖5(a)、圖5(b)的介電參數建立電磁場數值模擬模型，模型大小為1 m×1 m，網格大小為0.001 m×0.001 m。利用GprMax模擬探地雷達圖像[24]，天線收發間距為0.1 m，天線步進長度為0.01 m，共模擬80道數據。

圖5 由土體飽和度分布計算得到的介電模型

4 結果與討論

比對雷達實測數據和仿真結果的波場快照，含水PVC管道滲漏前測得的雷達圖像中標示的雙曲線信號的傳播路徑如圖6(c)所示。圖6(a)、圖6(b)中①和②分別是管道頂部的反射和2次反射；③是由電磁波穿透管道后繞管道爬行約1/4圓周的爬行波[25]引起的；④是電磁波透過管內水體至管道底部的反射；⑤是電磁波在管道內部2次反射后從管道底部出射后繞管道爬行約1/4圓周的爬行波；⑥是管道底部反射在管道內部2次反射造成的。由于仿真模型和現場砂土的介電常數分布存在差異，雙曲線的位置存在一些差異。且仿真結果中，由于爬行波和多次反射波存在疊合，因此爬行波在圖像中不易分辨。

圖6 滿水PVC管的探地雷達圖像和反射信號傳播路徑分析

PVC管滲漏后，滲漏區域的介電常數會升高，與非滲漏區存在明顯差異，在雷達圖像中能看到滲漏區與非滲漏區的分界面[26]。同樣，滲漏區內飽和區域和非飽和區域的介電常數也存在明顯差異，在實測的雷達圖像中能明顯觀察到，圖7(a)中①為滲漏區界面反射；②為飽和區界面反射；③為水管頂部反射。由于介電常數上升，電磁波波速變小，所以水管頂部反射在圖像中下移。水管頂部反射在飽和區、滲漏區間存在多次反射，表現為在③標示的管道頂部反射下方存在復雜的震蕩信號。而在仿真圖像中，各界面反射的多次波能分開，能量也較弱。這是由于實際情況中，滲漏孔周圍的砂子的孔隙率可能因滲漏的存在而改變，造成電磁波的反射變得更加復雜。④是電磁波從管道出射后繞管道爬行約1/4圓周的爬行波；⑤是電磁波透過管內水體至管道底部的反射。同樣由于在飽和區、滲漏區間存在多次反射，管道底部反射下方也存在復雜的震蕩信號。③④⑤在仿真和實測結果中的走時不同，是因為仿真模型和現場砂土的介電常數分布存在差異。

圖7 PVC管滲漏后的探地雷達圖像和反射信號傳播路徑分析

對于地下埋藏的金屬管線，電磁波不能進入管道內部，只能看到管道頂部反射的雙曲線，未能觀察到其他反射。原因是由于爬行波在傳播過程中呈指數衰減嚴重[27]，爬行波需沿著外管壁爬行約半周，相比穿透PVC管后爬行約1/4圓周衰減更嚴重，在圖像中難以觀測。因為滲漏會在管道周圍形成滲漏區，在介電常數上與周圍土體相比差異明顯。如圖8(a)所示，金屬管滲漏后出現的震蕩信號是由多次波造成的。比對實測數據和仿真數據，可以得到電磁波的傳播路徑如圖8(c)所示，①是滲漏區的反射，②是金屬管頂部的反射，③是金屬管反射后在金屬管與滲漏區間2次反射造成的。在仿真數據中由于沒有噪聲影響，由此能看到滲漏區界面的多次波和其他多次波產生的雙曲線。而在實測雷達圖像中，受環境因數影響，在③下方無法觀察到完整的雙曲線。由于管道滲漏造成的滲漏點附近的介電常數增大，反射系數較滲漏前大，滲漏后的實測的雷達圖像中管道頂部的反射能量更為強烈。

圖8 金屬管滲漏后的探地雷達圖像和反射信號傳播路徑分析

5 結論與展望

針對目前地下管線滲漏的探地雷達震蕩信號形成機理尚不清晰的問題，本文利用模型試驗采集砂土中PVC管和金屬管滲漏前后的雷達信號，并通過滲流場-電磁場數值模擬分析滲漏區雷達反射信號的傳播路徑。研究主要結論如下：

(1)地下水管在滲漏后會在水管周圍形成與滲漏區外土體介電參數相差較大的濕潤區，濕潤區存在一定分層狀態，越接近滲漏點的土壤含水飽和度越高。電磁波在管線滲漏區傳播過程中存在更多界面反射和界面間的多次波，管道的反射也會在濕潤區產生多次波，使得雷達圖像出現復雜的震蕩信號。

(2)PVC管滲漏后，滲漏區反射，管道反射，多次波與在管道底部出射后繞PVC管傳播的爬行波相互疊合，能量增強，形成雷達圖像中管道頂部和管道底部反射下方復雜的震蕩信號。金屬管滲漏后，能明顯看到管道與滲漏區間的多次反射。

(3)在實際地下管線探地雷達探測中，對于PVC管道，若雷達圖像中出現多次規則的震蕩的信號，則該管線為含水管道。若多次震蕩信號雜亂且部分區域能量增強則該管道周圍可能存在濕潤區和滲漏點。對于金屬管道，若雷達圖像中存在多次波，則該管道周圍可能存在濕潤區和滲漏點。

在以后的工作中可以根據地下水管滲漏前后雷達圖像在滲漏區域的信號差異，由水管滲漏產生的典型震蕩信號特征定位滲漏點。并通過分析爬行波和管道反射間的延時，有望估計管道直徑和管道周圍土體的介電常數。