李方震，沈宇鵬，黃樂藝，褚滿帥

（1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院,北京 102206；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044）

探地雷達(dá)識別管線滲漏病害的試驗研究

李方震1，沈宇鵬2，黃樂藝2，褚滿帥2

（1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院,北京 102206；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044）

為提高供水管線滲漏病害的識別率，本文針對探地雷達(dá)識別管線滲漏病害開展試驗研究。依據(jù)滲漏區(qū)滲流規(guī)律和滲漏區(qū)電磁參數(shù)特征，得到不同工況下的管線滲漏病害雷達(dá)圖譜，總結(jié)了探地雷達(dá)圖像判識過程中滲漏區(qū)圖譜的典型特征, 得出探地雷達(dá)能夠有效地反映地下管線的病害位置和泄漏程度。借助分頻技術(shù)以及道積分技術(shù)對部分雷達(dá)病害數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步的屬性分析。道積分技術(shù)能夠可以提高數(shù)據(jù)的整體分辨率，凸顯出滲漏部位波阻抗的變化，能實現(xiàn)滲漏程度差異的評價；S變換的分頻技術(shù)消除了其它噪音的干擾，能刻畫不同頻帶的滲漏程度；綜合兩種屬性分析方法可以實現(xiàn)管線滲漏位置、大小程度綜合的刻畫和判斷，凸顯了滲漏區(qū)信號，提高了探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的識別率。

探地雷達(dá)；管道滲漏；分頻技術(shù)；道積分

0 前言

城市供水管道漏損不僅造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，而且由于供水管道的滲漏，導(dǎo)致管線周圍土體產(chǎn)生變形，滲漏嚴(yán)重的地區(qū)還有可能導(dǎo)致道路及建筑物出現(xiàn)損害，給城市的正常生產(chǎn)、生活帶來了許多安全隱患。目前，管線滲漏的主要探查方法分可為管內(nèi)檢漏法和管外檢漏法兩種,但是這些常規(guī)的管線滲漏的探查方法中，只能探測得到管線滲漏的位置，并不能夠判斷管線周圍的影響的地質(zhì)情況以及對漏損的程度進(jìn)行評價。而探地雷達(dá)作為一種無損、高效、精確的地下介質(zhì)探測工具,能夠克服上述的問題。

探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)主要是通過對地下目標(biāo)物及地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行高頻電磁波掃描來確定其結(jié)構(gòu)形態(tài)及位置的地球物理探測方法。當(dāng)供水管線發(fā)生滲漏破壞時，將會在管線周圍形成一定范圍的滲漏區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)部力學(xué)特性以及電磁特性將會發(fā)生很大的變化。通過對地下滲漏點(diǎn)產(chǎn)生的滲漏區(qū)的形狀和范圍進(jìn)行探測，結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)資料等，可以評價該管線的滲漏時間，通過對不同滲漏病害的探地雷達(dá)分析，可以得到一系列管線滲漏發(fā)展規(guī)律。在我國探地雷達(dá)探測，主要還是應(yīng)用于地下管線管網(wǎng)的埋深以及走向的探測，而在管線病害的探查方面還是應(yīng)用的較少。蘇兆鋒研究了探地雷達(dá)天線頻率、測線布置以及電磁波傳播速度等幾個因素對城市管線病害探測的影響（蘇兆鋒等，2014）。高懷波針對部分燃?xì)夤芫€及供水管線事故進(jìn)行統(tǒng)計及分析，并結(jié)合實際管線探測工程，對多處的管線漏損區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)探測，得到了相應(yīng)的典型圖譜，驗證了探地雷達(dá)法探測管線病害的適用性（高懷波等，2015）。沈宇鵬建立了管線病害模型，通過對管線的病害進(jìn)行正演模擬，并通過結(jié)合探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的均方根屬性、特點(diǎn)屬性和分頻屬性技術(shù)對正演結(jié)果進(jìn)行研究，證明了通過利用3個不同屬性的結(jié)合，對城市水管泄露導(dǎo)致的地質(zhì)工程災(zāi)害能進(jìn)行有效的識別和監(jiān)控（沈宇鵬等，2015）。

在國外，利用探地雷達(dá)管線探測管道泄漏已經(jīng)有了很多年嘗試和研究，Ahmed Atef等（2016）應(yīng)用探地雷達(dá)（GPR）進(jìn)行了供水管網(wǎng)的漏水的探測與定位；Cataldo等（2014）采用探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)對管道泄漏進(jìn)行了室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場研究，并通過室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場試驗驗證表明，探地雷達(dá)法在管線滲漏的探測方面，具有較高的精確度。

探地雷達(dá)法雖然在國內(nèi)外的管線滲漏病害探測中得到廣泛的應(yīng)用，但對探地雷達(dá)的屬性技術(shù)應(yīng)用較少，缺少對探地雷達(dá)數(shù)據(jù)有用信息的充分利用。在實際應(yīng)用過程中，探地雷達(dá)圖譜資料的解釋大多只能根據(jù)主觀的經(jīng)驗進(jìn)行解釋，缺乏探地雷達(dá)的管線病害異常圖像的評判客觀標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了探地雷達(dá)技術(shù)在管線病害探測方面的應(yīng)用難以獲得理想的效果。

本文通過滲漏理論分析、病害屬性技術(shù)分析以及探地雷達(dá)現(xiàn)場試驗方法研究城市供水管道的滲漏病害的滲流規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)研究滲漏病害的探地雷達(dá)信號正演與屬性分析。

1 滲漏區(qū)電磁屬性分析

由于探地雷達(dá)是通過接收發(fā)射波的信息來探測目標(biāo)體，而反射波的強(qiáng)弱取決于介電常數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)的差異。利用探地雷達(dá)探測管線滲漏的先決條件是管線滲漏區(qū)電磁參數(shù)的異常。

1.1 介電常數(shù)

介電常數(shù)描述了物質(zhì)材料儲存和釋放電磁能量的能力，介電常數(shù)可以描述為物質(zhì)材料限制自由電荷流動的能力（Jol，2008）。探地雷達(dá)反射波的電磁波波速主要是由介電常數(shù)決定的，介電常數(shù)越大電磁波速越小。它通常以無量綱的相對介電常數(shù)來描述，符號為εr，其中：

εr=物質(zhì)的介電常數(shù)（ε）/自由空間或真空的介電常數(shù)（ε0）

雷達(dá)波是高頻脈沖電磁波，從介質(zhì)物理學(xué)研究的角度看，材料的介電特性直接影響著雷達(dá)波的吸收、反射與傳播，介電常數(shù)的大小決定著電磁波傳播的速度和探地雷達(dá)的測量深度，地下管線在受到破壞后，管線內(nèi)的介質(zhì)在泄漏后，在與周圍土層混合后其介電常數(shù)等電磁波動力學(xué)屬性已發(fā)生了變化，由于水的介電常數(shù)很大，遠(yuǎn)高于土壤顆粒的介電常數(shù)，故土壤介電常數(shù)受土壤含水量和容重等因素的影響十分顯著。

1.2 道積分和分頻技術(shù)

道積分技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的處理

技術(shù)，它利用相對波阻抗來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的技術(shù)，主要用于地震巖性解釋，通過對信號記錄的積分運(yùn)算得到相對波阻抗剖面，剖面上各道信息反映了近于標(biāo)定的對數(shù)波阻抗經(jīng)濾波的波阻抗信息（羅春喜等，2007），基于線性模型假設(shè)，當(dāng)?shù)叵麓嬖谝幌盗须p程時間間隔為Δ t 的互相鄰近的反射界面時，已知第k-1層及其以上各層的反射系數(shù) R（i Δ t） 和第一層介質(zhì)波阻抗Z1=ρ1ν1，經(jīng)推導(dǎo)可以獲得道積分的公式為：

式中：ν1是第一層的速度，νk是第k層的速度，wk是子波，C為系數(shù)，Xi是信號采集道。

不同頻率的數(shù)據(jù)體所反映的地質(zhì)信息往往是不同的，在探地雷達(dá)電磁波資料解釋中，可以通過信號處理的方法對信號進(jìn)行分頻處理，得到不同主頻的數(shù)據(jù)體，從而可以更好地進(jìn)行解釋。時頻分析可以識別信號中的更多信息，提高探地雷達(dá)資料的分辨能力（王長江等，2013）。S變換的分頻數(shù)據(jù)具有更好的時頻分辨率，能夠精確反映現(xiàn)有疊后資料更多的細(xì)節(jié)信息（譚輝煌等， 2011；沈宇鵬等，2016）。

信號的頻率與窗函數(shù)的大小直接相關(guān)，在計算時對信號進(jìn)行頻率自適應(yīng)采樣，因而S變換可以使得分頻結(jié)果時域分辨率和頻域分辨率達(dá)到最佳匹配，所以在單一頻率上的更多細(xì)節(jié)得到了保留，單一頻率的能量對地質(zhì)體的反應(yīng)也更準(zhǔn)確。同時，S變換是一種線性變換的算法，計算時不產(chǎn)生交叉項，不會對噪聲信號造成放大作用，因而高頻信息可信度更高。

2 現(xiàn)場試驗分析

為了驗證探地雷達(dá)對管線的滲漏病害探測的可行性，本文進(jìn)行了一系列場地試驗，利用了鋼管和PVC管兩種不同材質(zhì)的管線進(jìn)行了病害滲漏模擬，通過探地雷達(dá)對不同滲漏時間的病害探測，對實際的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了屬性分析，得到了不同滲漏條件下的特征數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果指導(dǎo)探地雷達(dá)的病害分析。

2.1 試驗場地及試驗內(nèi)容

試驗場地位于北京市沙河的地質(zhì)調(diào)查研究院內(nèi)試驗場地內(nèi)。場地表層土為粘砂土，地下水位埋深約2m。場地鉆探巖心以及土層剖面見圖1。

圖1 現(xiàn)場鉆孔巖心以及場地土地層剖面圖Fig.1 Site drilling core and a sectional view of the site land layer

（1）試驗設(shè)備及管材選取與埋設(shè)

試驗所采用的雷達(dá)為美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20雷達(dá)，天線頻率為400MHz。管材采用鋼管與PVC管進(jìn)行現(xiàn)場模擬，試驗采用的塑料管線直徑為110cm，長度為2.0m，金屬管線直徑為75cm，長度為1.2m，試驗采用側(cè)部開孔處理，管線基礎(chǔ)開挖采用人工開挖，溝開挖寬度為150cm，開挖深度為0.8m，并采用原狀土進(jìn)行回填壓實。為了便于探地雷達(dá)的探測，回填至基礎(chǔ)頂部后，基礎(chǔ)表面采用砂土找平（圖3）。

（2）測線布置

為了保證探地雷達(dá)能夠順利進(jìn)行采用探測，探地雷達(dá)掃描方式采用剖面法探測，天線采用400MHz天線進(jìn)行探測（圖2），所有探測方向都只沿著一個方向探測，測點(diǎn)A位于兩管線的滲漏點(diǎn)處。在距離管線的20cm處設(shè)置了對照點(diǎn)，觀察管線不同位置處的滲漏情況（B、C測點(diǎn)）。

圖2 探地雷達(dá)測線布置圖Fig.2 Layout of GPR survey line

2.2 試驗結(jié)果

（1）PVC管探測結(jié)果分析

對于采集到的現(xiàn)場雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別采用背景噪音去除、帶通濾波、多道疊加和反褶積處理等方法，對原始信號進(jìn)行保真保幅處理。通過對不同時間下的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行如圖3到圖6所示。

圖3為PVC管未滲漏時（t=0min）時探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，圖4為PVC管滲漏4min時（t=4min）時探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，圖5為 PVC管滲漏17min時（t=16min）時探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，圖6為 PVC管滲漏30min時（t=35min）時探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果分析：當(dāng)管線未通水時（t=0），初期由于塑料管線的介電常數(shù)較小，探測效果并不明顯，當(dāng)管線開始滲漏后（t=4min），管線的反射波開始變得十分明顯。由圖4可以清晰的看到管線部分的反射波雙曲線。當(dāng)滲漏時間為16min時，可以明顯看到管線雙曲線右側(cè)上方出現(xiàn)了滲漏區(qū)的反射波，表明管線滲漏區(qū)發(fā)育越來愈大。當(dāng)滲漏時間增長至35min時，可以看到由于滲漏區(qū)的發(fā)展，導(dǎo)致原有土層的電損耗不斷增大。因此，管線的反射波的右側(cè)部分逐漸消失。

圖3 未漏水（空管）Fig.3 No leakage(Empty pipe)

圖4 4分鐘漏水Fig.4 After 4 minute’s leakage

圖5 16分鐘漏水Fig.5 After 16 minute’s leakage

圖6 35分鐘漏水Fig.6 After 35 minute’s leakage

（2）鋼管探測結(jié)果分析

鋼管滲漏未滲漏時、滲漏4min時、滲漏16min時、滲漏35min時探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖7至圖10。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果分析：管線未存在滲漏時的雷達(dá)探測圖可以看出，由于金屬管線的反射強(qiáng)烈，因此即使在沒通水的情況下依然能看到管線的反射波。管線滲漏至（t=4min）時，由于鋼管的開口直徑較大，漏水速度較快，此時在管線左側(cè)就可以看到明顯的雙曲線的變化。當(dāng)管線滲漏至16min時，管線雙曲線左側(cè)部分開始變得模糊不清。這是由于滲漏區(qū)不斷發(fā)育導(dǎo)致電損耗的增大，減弱了回波信號造成的。當(dāng)滲漏至35min時，管線左側(cè)反射波缺失，并能看到缺失部分上部的明顯滲漏區(qū)雙曲線。

2.3 電磁波屬性

由滲漏區(qū)電磁屬性分析可知，當(dāng)采用S變換的分頻技術(shù)以及道積分的方法對雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分析，可以很好的提取滲漏區(qū)的回波特性，對管線的滲漏狀態(tài)進(jìn)行評價。因此，本小節(jié)對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步處理，處理結(jié)果如下：

（1）PVC管相對波阻抗反演變化分析

為了能夠描述地層管線滲漏程度，采用道積分得到相對波阻抗剖面圖像，分析管線滲漏狀況。通過對不同時間的相對波阻抗剖面分析，可以得到管線滲漏隨時間的變化規(guī)律。

相對波阻抗剖面隨時間的發(fā)展表現(xiàn)出不同的特征。圖11分別為管線3個時間探測點(diǎn)PVC管的波阻抗剖面。管線滲漏之后，地層的相對波阻抗特性開始發(fā)生變化。由于含水率的提高，土體中薄層的相對波阻抗增大，因此在圖中可以看到黃色橢圓內(nèi)地層反射的層狀分布得到加強(qiáng)。在滲漏至第4min時（圖11-b）可以看到管線滲漏部位的波阻抗特性發(fā)生了較大的變化，右側(cè)（圖中橢圓區(qū)域）內(nèi)部薄層的相對波阻抗增大，內(nèi)部反射分辨率提高，整體相對于左側(cè)位置，波阻抗相對降低，圖形呈現(xiàn)非對稱特征，這與實驗的滲漏部位相吻合。在漏水達(dá)到35min時（圖11-c），漏水側(cè)（圖右側(cè)部分）出現(xiàn)了波阻抗的缺失，波阻抗信息在此處被屏蔽，說明漏水程度不斷加深。

圖7 未漏水Fig.7 No leakage(Empty pipe)

圖8 4分鐘漏水Fig.8 After 4 minute’s leakage

圖9 16分鐘漏水Fig.9 After 16 minute’s leakage

圖10 35分鐘漏水Fig.10 After 35 minute’s leakage

綜上，隨著時間的發(fā)展，在相對波阻抗剖面圖中，右側(cè)相對波阻抗減小直至缺失，并且缺失部位不斷增大，表明滲漏區(qū)域不斷擴(kuò)大，并呈橢圓狀不斷發(fā)展，在相對采用相對波阻抗剖面圖可以明顯地顯示分析地層中管線滲漏狀態(tài)。

（2）PVC管分頻解釋處理結(jié)果

隨著滲漏的不斷發(fā)展，在低頻條件下反映的巖性特征也不斷變化，且變化范圍不斷增大。高頻條件下捕獲了管道和水滲漏的反射，從圖12—圖15中的（c）、（d）中可以很明顯地看到水滲漏區(qū)域的發(fā)展，一方面向各個方向發(fā)散，另一方面可以看到向下發(fā)展的范圍更大一些，這也證明了土體中水的滲漏趨勢。不同滲水時間上，分頻中300～450MHz、450～600MHz內(nèi)部，凸顯的低頻成分更加突出（黃色圓圈），這是由于滲水程度的加深導(dǎo)致高頻成分被吸收，從而在高頻段內(nèi)低頻成分得到不斷的凸顯。

（3）鋼管相對波阻抗反演變化分析

圖16表示鋼管滲漏時不同時間階段的地質(zhì)雷達(dá)剖面經(jīng)過地震道積分得到的相對波阻抗剖面圖。由于管材的不同，鋼管與PVC管的相對波阻抗剖面存在較為明顯的差異。主要表現(xiàn)在：未滲漏時，鋼管的波阻抗明顯大于PVC管，二是兩種管的開孔特性和滲透特征不相同（圖16-a）；在滲漏開始4min后，管道周圍的土體吸水轉(zhuǎn)化為飽和土，波阻抗消失（圖16-b），圖中顯示波阻特性發(fā)生了較大的變化；隨著滲漏的進(jìn)一步發(fā)展，波阻抗隔絕的區(qū)域不斷增大，表現(xiàn)為波阻抗剖面圖中波阻抗大的區(qū)域面積減小，并且滲漏部位的波阻抗消失明顯，表示滲漏區(qū)還在不斷的發(fā)育（圖16-c、圖16-d）。

（4）PVC管分頻解釋處理結(jié)果

根據(jù)對鋼管的分頻處理結(jié)果可知：與PVC管類似，圖像中低頻顯示了巖性的變化特征，并且隨著頻率的不斷增大，管道的反射越發(fā)明顯，分頻結(jié)果顯示了開挖土層與原始土層縫隙之間存在的滲水積累。低頻反映的土體特性體現(xiàn)在圖中含水量變化對分頻結(jié)果的影響，如圖17—圖20（a）、（b）所示。高頻條件下捕獲了管道和水滲漏的反射，從圖17—圖20中（c）、（d）圖中可以很明顯地看到水滲漏區(qū)域的發(fā)展。從各圖中可以看到管道的反射特性隨時間減小，淺色區(qū)域不斷變大，體現(xiàn)了滲漏區(qū)域的擴(kuò)散。

3 結(jié)論

（1）通過建立實驗?zāi)Ｐ?，對管線病害進(jìn)行探地雷達(dá)模擬分析，得出探地雷達(dá)能夠有效的反映地下管線的病害位置和泄漏程度，通過不同的模式識別，可以直觀的判斷管線的漏水位置，對不同部位的滲漏均能夠很好的區(qū)分。

圖12 未漏水時分頻解釋Fig.12 Division explained of no leakage

圖13 4分鐘分頻解釋Fig.13 Division explained of 4 mimutes

圖14 16分鐘分頻解釋Fig.14 Division explained of 16 mimutes

圖15 35分鐘分頻解釋Fig.15 Division explained of 35 mimutes

圖16 鋼管不同漏水時間地質(zhì)雷達(dá)相對波阻抗反演圖Fig.16 Impedance inversion diagram in different leaking time of metal pipeline

圖17 未漏水時分頻解釋結(jié)果Fig.17 Division explained of 0 mimute

圖18 4分鐘分頻解釋結(jié)果Fig.18 Division explained of 4 mimute

圖19 16分鐘分頻解釋結(jié)果Fig.19 Division explained of 16 mimute

圖20 35分鐘分頻解釋結(jié)果Fig.20 Division explained of 35 mimute

（2）通過引入屬性分析技術(shù)，利用分頻技術(shù)與道積分技術(shù)對部分滲漏雷達(dá)數(shù)據(jù)的屬性分析結(jié)果表明：道積分處理可以對管線滲漏的位置、大小程度進(jìn)行更加綜合的刻畫和判斷；S變換的分頻技術(shù)能夠可以很好的消除其他噪音的干擾，對在不同頻帶對滲漏程度進(jìn)行刻畫；與傳統(tǒng)基于反射特征的主觀判斷方式相比，兩種屬性分析的方法更加全面和精確的刻畫了不同材質(zhì)管線滲漏程度。

（3）原始地質(zhì)雷達(dá)剖面數(shù)據(jù)僅能觀察到波形的變化，而通過道積分法得到的相對波阻抗隨時間變化分析結(jié)果，可以得到滲漏區(qū)域不斷擴(kuò)大的變化趨勢，并清楚的顯示出地層中管線滲漏狀態(tài)；通過分頻技術(shù)得到的實測結(jié)果分析，可以很容易的捕獲滲漏區(qū)域的發(fā)展，并且高頻狀態(tài)下由于滲水程度的加深導(dǎo)致高頻成分被吸收，從而在高頻段內(nèi)低頻成分得到不斷的凸顯，通過這一現(xiàn)象可以對滲漏區(qū)反射域進(jìn)行很好的捕獲，并且根據(jù)低頻成分的不斷擴(kuò)大趨勢，也可以對管線和滲漏區(qū)與進(jìn)行半定量的分析。

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Study on Application of Test Method for GPR Pipeline Seepage Defects

LI Fangzhen1, SHEN Yupeng2, HUANG Leyi2, CHU Manshuai2

(1. Beijing Geological Survey, Beijing 102200; 2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

To improve the recognition rate of seepage defects of water supply pipelines, this paper conducted a series of studies on GPR pipeline seepage defects. On the basis of binding the seepage law and the electromagnetic parameters of the seepage area, through by field test, it obtained seepage defect radar maps under different conditions, summarized the typical characteristics of seepage map during GPR image identification judgment process, and got that GPR can effectively ref l ect the location and the seepage extent of the underground pipeline. According to the frequency dividing technology and trace integration method, we further analyzed the data attributes of the seepage defect map. It shows that trace integration method can improve the overall resolution of the data, and highlight the changes in wave impedance of the seepage area in order to evaluate the differences in the level of seepage; S-transform frequency dividing technology may well be able to eliminate interference from other noise, to describe the seepage degree of different frequency bands, to highlight the signal of seepage area and improve the recognition rate of GPR data, to provide a new detection idea for pipeline seepage defects.

GPR; Pipeline seepage; Frequency dividing technology; Trace integration method

TU991. 38；TN959

A

1007-1903（2017）01-0020-10

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.004

北京市城市地下空間資源調(diào)查評價及關(guān)鍵技術(shù)研究（PXM2016_158203_000007）資助。

李方震（1976- ），男，工程師，從事地球物理探測研究。