基于探地雷達(dá)(GPR)地下管道水滲漏監(jiān)測研究

姜璞玉

(河北省張家口水文勘測研究中心，河北 張家口 075000)

水是人類和植物的寶貴自然資源，然而隨著大多數(shù)配水系統(tǒng)(WDS)的漏水量逐年增加，大量的水被浪費(fèi)，從而導(dǎo)致多數(shù)城市面臨嚴(yán)重的水資源短缺問題。WDS是最關(guān)鍵、最寶貴的公用事業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)之一，全球每年有超過320億 m3的凈化水和非營業(yè)水在WDS中泄漏。因此有必要采取相關(guān)技術(shù)來控制和識別配水系統(tǒng)的地下滲漏問題。探地雷達(dá)(GPR)技術(shù)，是一種探測地下水流的智能傳感器裝置，可以定位監(jiān)控WDS的滲漏位置，是一種無損檢測方法。目前探地雷達(dá)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種地下水、孔隙結(jié)構(gòu)以及各種工程應(yīng)用的監(jiān)測當(dāng)中。唐申強(qiáng)[1]采用探地雷達(dá)對突水后掌子面前方的巖溶構(gòu)造發(fā)育情況進(jìn)行了精細(xì)探測, 并通過希爾伯特變換提取了雷達(dá)信號中的瞬時振幅、瞬時相位和瞬時頻率三種瞬時屬性,將三種瞬時屬性結(jié)合起來對巖溶涌水通道進(jìn)行了多參數(shù)綜合分析；邵華[2]對三維探地雷達(dá)及其工作原理進(jìn)行簡要闡述,并具體探討三維探地雷達(dá)在道路裂縫檢測中的應(yīng)用; 吳彥等[3]采用三維探地雷達(dá)在東莞進(jìn)行管線探測研究；趙興友[4]應(yīng)用GprMax軟件對不同埋深及環(huán)境下的非金屬管線進(jìn)行正演模擬分析,研究不同埋深和不同環(huán)境對探地雷達(dá)圖像的影響；凌天清[5]等為實(shí)現(xiàn)瀝青層空隙率精確檢測,考慮表面細(xì)觀構(gòu)造影響提出一種基于探地雷達(dá)的測量方法；才登巴[6]應(yīng)用探地雷達(dá)來探測塔里木河岸堤上的洞穴和空隙；潘磊等[7]探究探地雷達(dá)成像的規(guī)律,運(yùn)用時域有限差分軟件Gprmax建立真實(shí)的土壤環(huán)境模型,模擬電磁波在脫空土壤中的傳播,分析其回波的雷達(dá)譜圖。本文采用探地雷達(dá)(GPR)地下水管滲漏無損檢測技術(shù)利用800 MHz天線進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，研究并驗(yàn)證了探地雷達(dá)探測地下管線和定位漏水的性能，以期為相關(guān)工程提供參考。

1 探地雷達(dá)原理

探地雷達(dá)和探空雷達(dá)的工作原理基本相同, 二者都是利用高頻電磁波束在界面上的反射來探測目標(biāo)體。只是探空雷達(dá)所發(fā)射的電磁波在空氣中傳播,衰減較小,可探測遠(yuǎn)距離的目標(biāo),而探地雷達(dá)所發(fā)射的電磁波在介質(zhì)內(nèi)傳播,由于介質(zhì)的強(qiáng)烈吸收作用,其衰減較大,因而探測距離較小。正因?yàn)樘降乩走_(dá)探測的是在地下有耗介質(zhì)中的目標(biāo)體,它形成了自己獨(dú)特的發(fā)射波形與天線設(shè)計(jì)特點(diǎn)。根據(jù)已發(fā)表的資料, 探地雷達(dá)使用的發(fā)射波形有調(diào)幅脈沖波、調(diào)頻連續(xù)波、連續(xù)波等;使用的天線有對稱振子天線、非對稱振子天線、螺旋天線、喇叭天線等。由于對稱振子型調(diào)幅脈沖時域探地雷達(dá)輸出功率大、能實(shí)時監(jiān)測測量結(jié)果、設(shè)備可做成便攜式等優(yōu)點(diǎn),在商用地面探地雷達(dá)。表1為各種天線下探地雷達(dá)性能參數(shù)。

探地雷達(dá)通常使用極化無線電波10 MHz到2.6 GHz范圍內(nèi)的高頻部分。探地雷達(dá)發(fā)射器和天線向地面發(fā)射電磁能。當(dāng)能量遇到埋藏物體或不同介電常數(shù)材料之間的邊界時，會反射回地表。然后接收天線會記錄反饋信號的變化。其所涉及的原理與地震學(xué)類似，除了探地雷達(dá)方法采用的是電磁能而不是聲波能，而且能量可能在地下電性能變化的邊界處反射，而不是像地震能那樣在地下機(jī)械性能變化的邊界處反射。

圖1 試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)制備

分析探地雷達(dá)(GPR)的有效性是本研究的主要目標(biāo)。本文創(chuàng)建了一個物理實(shí)驗(yàn)來檢測地下管道漏水。因?yàn)镻VC是配水系統(tǒng)工業(yè)地下管道中常用的材料，試驗(yàn)開始前先選擇了3根10 cm的PVC管，具有三個不同直徑的孔，分別為1.5 cm，1.7 cm，1.9 cm。試驗(yàn)臺的尺寸為2.5 m長、1.5 m高、1.5 m寬，PVC管埋在0.6 m深的干砂中，孔朝下以模擬泄漏。試驗(yàn)臺使用木箱建造，不使用螺釘和釘子等金屬材料，因?yàn)樵谔降乩走_(dá)掃描過程中，金屬的存在會對雷達(dá)信號造成干擾。本次漏水實(shí)驗(yàn)注入的水量為15 L，雷達(dá)掃描采用RAMAC/GPR 800 MHz屏蔽天線。對于實(shí)驗(yàn)中的天線極化，天線的長軸沿PVC管垂直布置，采樣頻率為8 800 MHz, 時間為57納秒, 天線間距為0.14 m。圖1為本次的試驗(yàn)裝置。

表1 各種天線下探地雷達(dá)性能參數(shù)

圖2 1.5 cm口徑的監(jiān)測結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文選擇PVC管三個不同直徑的孔(1.5 cm，1.7 cm，1.9 cm)作為漏水模擬的變量，以觀察漏水過程中水壓的變化。800 MHz的信號具有足夠的穿透力來檢測滲水。通常，向下投影的雙曲線圖案是用來表示埋地管道，1.5 cm口徑的監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。由圖可知滲漏中心位于約0.6 cm處，如紅色圓圈所示，這說明埋地PVC管的位置約為0.60 m，監(jiān)測結(jié)果幾乎100%準(zhǔn)確。從圖2(b)中可以看出，在1.7英寸孔處漏水時，反射圖案完全清晰，在PVC反射線下方十分明顯，雙曲線強(qiáng)度增加，通過電介質(zhì)的變化可以看出雙曲線模式的變化受到顯著影響。介電介質(zhì)的變化是由漏水引起的，由于水壓最高，水流速度最快，管徑越小，壓力越高的假設(shè)是正確的。也就是說，由于水流速度最快，水泄漏可能已經(jīng)在短時間內(nèi)到達(dá)沙子底部。圖2(c)和(d)中沒有顯著差異，因?yàn)樗韵嗨频乃俣攘飨虻撞俊Ｈ欢?，如圖2(e)所示，24 h后，漏水的反射變得模糊。24 h后進(jìn)行探地雷達(dá)掃描的目的是分析干沙中的水分散失。結(jié)果表明，飽和水已消散到干砂中。時間間隔的探地雷達(dá)掃描剖面圖顯示，即使在進(jìn)行24 h的漏水模擬后，漏水深度也可以達(dá)到1 m以上。

圖3為表示孔徑為1.7 cm的PVC漏水模擬的雷達(dá)圖像輪廓。圖3(a)中雷達(dá)圖輪廓與其他圖3(b)、(c)、(d)和(e)有水的地方用紅色圓圈標(biāo)出。在圖3(b)中，水的存在產(chǎn)生了新的雙曲反射圖案。水極大地改變了干砂的介電性能。如圖3(c)所示，漏水30 min后，這種模式的強(qiáng)度增加，雙曲線模式的范圍開始擴(kuò)大。與1.5英寸直徑相比，較大的孔徑導(dǎo)致水壓較低。這就是為什么在30 min后才能看到漏水的原因。然后，異常變化開始消失，因?yàn)楝F(xiàn)象表明，水開始向下移動，并溶解到干沙中，如圖3(d)和3(e)所示。圖3(e)所示與圖3(a)中的雷達(dá)圖相似，因?yàn)闊o法明顯檢測到異常模式，這表明大部分飽和水已向下移動至試驗(yàn)床底部。

圖3 1.7cm口徑的監(jiān)測結(jié)果

圖4為表示孔徑為1.9 cm的PVC漏水模擬的雷達(dá)圖像輪廓, 在注入15 L水后立即進(jìn)行探地雷達(dá)掃描。如圖4所示。水的介電常數(shù)(值為80)顯然在注水之前和注水期間產(chǎn)生了巨大差異。水流速度低是由最小水壓引起的，在圖4(b)中，通過探地雷達(dá)掃描僅檢測到少量漏水。如圖4(c)所示，雙曲線反射模式的強(qiáng)度增加，水異常特征明顯，在漏水1 h后仍保持不變，如圖4(d)所示。由于水流速度最低，水的反射模式在圖4(d)中清晰可見。在圖4(e)中，漏水的銳度在24 h后略有下降，因?yàn)槁┧呀?jīng)在干沙中消散，并且已經(jīng)向下移動到試驗(yàn)臺底部。

圖4 1.9 cm口徑的監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)語

本文通過各種漏水實(shí)驗(yàn)，確定了探地雷達(dá)探測漏水的監(jiān)測能力。結(jié)果表明，監(jiān)測的滲漏中心位于約0.6 cm處，與預(yù)埋PVC管的滲漏位置相差不大，監(jiān)測結(jié)果幾乎100%準(zhǔn)確，證明探地雷達(dá)是檢測地下管道滲漏的最佳設(shè)備之一。此外，漏水處反射圖案完全清晰，在PVC反射線下方十分明顯，雙曲線強(qiáng)度增加，通過電介質(zhì)的變化可以看出雙曲線模式的變化受到顯著影響。最后，不同口徑的滲漏點(diǎn)，其在沙子中滲漏模式是不相同的，由于水壓最高，水流速度最快，管徑越小，壓力越高，也就是說，由于水流速度最快，水泄漏可能已經(jīng)在短時間內(nèi)到達(dá)沙子底部。