劉 海 黃肇剛 岳云鵬 崔 杰 胡群芳

①(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 511400)

②(同濟(jì)大學(xué)上海防災(zāi)救災(zāi)研究所 上海 200092)

1 引言

我國城市地下管線的規(guī)模不斷擴(kuò)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(fā)。這不僅造成了嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)，還會對管道周圍地基產(chǎn)生影響，形成地下空洞，引發(fā)公共安全事故[2]。2017年我國供水管道長度達(dá)1.8×106km，平均漏損率達(dá)到14.6%，部分城市超過25%[3]。采用準(zhǔn)確有效的管線隱蔽缺陷探測技術(shù)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(jìn)行及時(shí)修復(fù)，避免因管線損壞引起的基礎(chǔ)設(shè)施事故。

目前，管線滲漏的探測方法可以簡單分為聲學(xué)方法和非聲學(xué)方法兩種。近年來，多種聲學(xué)技術(shù)被應(yīng)用于檢測管道滲漏和堵塞等[4]。其中，互相關(guān)法多用于檢測小范圍內(nèi)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(huán)境中有較好效果[6,7]，但在使用安裝上較復(fù)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(jìn)行更高精度的檢測，但該技術(shù)需要在纖維外層添加隔音材料來降低外部環(huán)境噪聲的影響[8]，當(dāng)管道因破損進(jìn)行維修時(shí)需同時(shí)更換光纖，安裝和維護(hù)成本很高。常用的非聲學(xué)方法包括流量壓力監(jiān)測法、紅外熱成像法(Infrared Thermography, IR)和探地雷達(dá)法等。流量壓力監(jiān)測法適合于評估某片區(qū)域內(nèi)的整體滲漏情況[9]，無法準(zhǔn)確定位滲漏點(diǎn)。紅外熱成像法易受環(huán)境中其他熱源影響[10]。

探地雷達(dá)(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(yīng)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(shí)域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)、探地雷達(dá)(GPR)和電阻率層析成像(Electrical Resistance Tomography, ERT)3種技術(shù)對地下管道滲漏檢測的效果，實(shí)際結(jié)果表明探地雷達(dá)能很好地估計(jì)泄漏位置，但易受環(huán)境因素影響。國內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)行了模型箱探測試驗(yàn)，Gao等人[14]認(rèn)為地下輸油管道的油泄漏會改變管周圍砂土的介電常數(shù)，干擾管道反射信號，使2維雷達(dá)圖像中出現(xiàn)密集震蕩信號；Lai等人[15]采集了金屬和PVC管道發(fā)生滲漏前和發(fā)生滲漏過程中的探地雷達(dá)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(shù)據(jù)處理中的解釋工作，采用方差濾波方法把管道和滲漏區(qū)的特征從雷達(dá)圖像中顯現(xiàn)出來，但效果受環(huán)境影響明顯。胡群芳等人[17]把3維雷達(dá)探測應(yīng)用在城市市政管道滲漏的探測中，發(fā)現(xiàn)在水管滲漏后管線反射信號下方出現(xiàn)明顯震蕩信號。Lau等人[18]通過對雷達(dá)圖像中目標(biāo)物雙曲線曲率的擬合來計(jì)算電磁波在土體中的傳播速度，根據(jù)電磁波波速的下降情況來推斷滲漏點(diǎn)的位置。沈宇鵬等人[19]通過對管道不同點(diǎn)位滲漏的電磁場模擬，總結(jié)了管道滲漏的雷達(dá)正演圖像特征。

上述文獻(xiàn)分析了滲漏的典型雷達(dá)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(yàn)，模擬實(shí)際地下管道的滲漏過程，并結(jié)合滲流場-電磁場耦合的數(shù)值模擬，對雷達(dá)信號進(jìn)行特征分析和傳播路徑解譯，分析爬行波的傳播和衰減機(jī)制，揭示滲漏區(qū)震蕩信號的形成機(jī)理。為地下管線滲漏檢測的探地雷達(dá)圖像的解譯提供依據(jù)。

2 模型試驗(yàn)

本模型試驗(yàn)的目的是采集地下金屬管和PVC的滲漏前后的探地雷達(dá)剖面。

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如圖1所示。首先在顆粒較均勻和雜質(zhì)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(diǎn)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(shí)水壓約為0.02 MPa。滲漏量為24 L，滲漏過程耗時(shí)30 min。試驗(yàn)區(qū)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(diǎn)位置處沿垂直于管線方向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測線長度約2.2 m，道間距為1 cm，每道信號的時(shí)窗為40 ns，采樣點(diǎn)為512。滲漏試驗(yàn)開始前用時(shí)域反射計(jì)測得試驗(yàn)場地滲漏孔附近砂子相對介電常數(shù)為3.8，電導(dǎo)率為6.2 mS/m，滲漏結(jié)束后開挖測得滲漏點(diǎn)附近砂子相對介電常數(shù)為16.4，電導(dǎo)率為38.4 mS/m。由于滲漏結(jié)束后，滲漏點(diǎn)附近處的水會受重力影響繼續(xù)下滲，開挖后滲漏點(diǎn)附近出砂子測得的介電參數(shù)與雷達(dá)采集數(shù)據(jù)時(shí)的存在一定差異。

圖1 水管滲漏模擬探測試驗(yàn)場地及試驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對采集到的雷達(dá)數(shù)據(jù)先后進(jìn)行零時(shí)校正，去直流，減背景，帶通濾波和包絡(luò)增益處理。首先，將探地雷達(dá)剖面的零時(shí)刻調(diào)整到砂地表面。然后，取每道數(shù)據(jù)中15～40 ns的振幅平均值作為信號的直流分量，進(jìn)行去直流處理。再通過減去整個(gè)雷達(dá)剖面的振幅平均值來去除背景雜波。接著進(jìn)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(shù)據(jù)做希爾伯特變換取包絡(luò)，進(jìn)行包絡(luò)疊加獲得剖面整體的包絡(luò)線，歸一化后取倒數(shù)作為增益曲線進(jìn)行增益。

含水PVC管和金屬管滲漏前后的雷達(dá)圖像預(yù)處理結(jié)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(dá)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(dá)圖像中只能看到管道頂部反射。兩種管道滲漏后的雷達(dá)圖像中都可以觀察到震蕩信號且能量明顯增強(qiáng)，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(yàn)PVC管滲漏前后實(shí)測雷達(dá)圖像

圖3 砂地試驗(yàn)金屬管滲漏前后實(shí)測雷達(dá)圖像

3 仿真試驗(yàn)

為探究滲漏后震蕩信號的形成原因，對水管滲漏進(jìn)行滲流場-電磁場耦合仿真試驗(yàn)，與實(shí)測雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，為應(yīng)用探地雷達(dá)準(zhǔn)確識別管道滲漏提供基礎(chǔ)。

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?yōu)轱柡屯馏w。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(dá)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(shù)值分析軟件對金屬管和PVC管的滲漏情況進(jìn)行了滲流場仿真模擬，背景砂土介質(zhì)模型為多孔介質(zhì)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(shù)設(shè)為6×10–3m/s，吸濕曲線通過表1數(shù)據(jù)來確定。在初始條件中，設(shè)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(shè)置與土體重力平衡的地應(yīng)力。邊界條件為在滲漏點(diǎn)區(qū)域設(shè)置滲漏壓力0.02 MPa，滲流速度約為0.34 m/s，滲流時(shí)間為30 min。

表1 孔壓和飽和度之間的關(guān)系

對模型進(jìn)行運(yùn)算后得到水管周圍土體的體積含水率，圖4展示了滲漏發(fā)生后水管周圍土體飽和度隨時(shí)間的變化過程。滲漏區(qū)以滲漏點(diǎn)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(qū)向四周擴(kuò)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(diǎn)向四周呈梯度下降狀態(tài)，存在一定分層，越接近滲漏點(diǎn)，土體的含水飽和度越高，滲漏點(diǎn)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(jù)折射系數(shù)模型(CRIM)[22]，可計(jì)算濕砂復(fù)合介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。

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

根據(jù)圖5(a)、圖5(b)的介電參數(shù)建立電磁場數(shù)值模擬模型，模型大小為1 m×1 m，網(wǎng)格大小為0.001 m×0.001 m。利用GprMax模擬探地雷達(dá)圖像[24]，天線收發(fā)間距為0.1 m，天線步進(jìn)長度為0.01 m，共模擬80道數(shù)據(jù)。

圖5 由土體飽和度分布計(jì)算得到的介電模型

4 結(jié)果與討論

比對雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的波場快照，含水PVC管道滲漏前測得的雷達(dá)圖像中標(biāo)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(nèi)水體至管道底部的反射；⑤是電磁波在管道內(nèi)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(nèi)部2次反射造成的。由于仿真模型和現(xiàn)場砂土的介電常數(shù)分布存在差異，雙曲線的位置存在一些差異。且仿真結(jié)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(dá)圖像和反射信號傳播路徑分析

PVC管滲漏后，滲漏區(qū)域的介電常數(shù)會升高，與非滲漏區(qū)存在明顯差異，在雷達(dá)圖像中能看到滲漏區(qū)與非滲漏區(qū)的分界面[26]。同樣，滲漏區(qū)內(nèi)飽和區(qū)域和非飽和區(qū)域的介電常數(shù)也存在明顯差異，在實(shí)測的雷達(dá)圖像中能明顯觀察到，圖7(a)中①為滲漏區(qū)界面反射；②為飽和區(qū)界面反射；③為水管頂部反射。由于介電常數(shù)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(qū)、滲漏區(qū)間存在多次反射，表現(xiàn)為在③標(biāo)示的管道頂部反射下方存在復(fù)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(shí)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(fù)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(nèi)水體至管道底部的反射。同樣由于在飽和區(qū)、滲漏區(qū)間存在多次反射，管道底部反射下方也存在復(fù)雜的震蕩信號。③④⑤在仿真和實(shí)測結(jié)果中的走時(shí)不同，是因?yàn)榉抡婺Ｐ秃同F(xiàn)場砂土的介電常數(shù)分布存在差異。

圖7 PVC管滲漏后的探地雷達(dá)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(jìn)入管道內(nèi)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(shù)衰減嚴(yán)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(yán)重，在圖像中難以觀測。因?yàn)闈B漏會在管道周圍形成滲漏區(qū)，在介電常數(shù)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(xiàn)的震蕩信號是由多次波造成的。比對實(shí)測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，可以得到電磁波的傳播路徑如圖8(c)所示，①是滲漏區(qū)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(qū)間2次反射造成的。在仿真數(shù)據(jù)中由于沒有噪聲影響，由此能看到滲漏區(qū)界面的多次波和其他多次波產(chǎn)生的雙曲線。而在實(shí)測雷達(dá)圖像中，受環(huán)境因數(shù)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(diǎn)附近的介電常數(shù)增大，反射系數(shù)較滲漏前大，滲漏后的實(shí)測的雷達(dá)圖像中管道頂部的反射能量更為強(qiáng)烈。

圖8 金屬管滲漏后的探地雷達(dá)圖像和反射信號傳播路徑分析

5 結(jié)論與展望

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

(1)地下水管在滲漏后會在水管周圍形成與滲漏區(qū)外土體介電參數(shù)相差較大的濕潤區(qū)，濕潤區(qū)存在一定分層狀態(tài)，越接近滲漏點(diǎn)的土壤含水飽和度越高。電磁波在管線滲漏區(qū)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(qū)產(chǎn)生多次波，使得雷達(dá)圖像出現(xiàn)復(fù)雜的震蕩信號。

(2)PVC管滲漏后，滲漏區(qū)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(qiáng)，形成雷達(dá)圖像中管道頂部和管道底部反射下方復(fù)雜的震蕩信號。金屬管滲漏后，能明顯看到管道與滲漏區(qū)間的多次反射。

(3)在實(shí)際地下管線探地雷達(dá)探測中，對于PVC管道，若雷達(dá)圖像中出現(xiàn)多次規(guī)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(qū)域能量增強(qiáng)則該管道周圍可能存在濕潤區(qū)和滲漏點(diǎn)。對于金屬管道，若雷達(dá)圖像中存在多次波，則該管道周圍可能存在濕潤區(qū)和滲漏點(diǎn)。

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