基于探地雷达(GPR)地下管道水渗漏监测研究

姜璞玉

(河北省张家口水文勘测研究中心，河北 张家口 075000)

水是人类和植物的宝贵自然资源，然而随着大多数配水系统(WDS)的漏水量逐年增加，大量的水被浪费，从而导致多数城市面临严重的水资源短缺问题。WDS是最关键、最宝贵的公用事业和基础设施系统之一，全球每年有超过320亿 m3的净化水和非营业水在WDS中泄漏。因此有必要采取相关技术来控制和识别配水系统的地下渗漏问题。探地雷达(GPR)技术，是一种探测地下水流的智能传感器装置，可以定位监控WDS的渗漏位置，是一种无损检测方法。目前探地雷达技术被广泛应用于各种地下水、孔隙结构以及各种工程应用的监测当中。唐申强[1]采用探地雷达对突水后掌子面前方的岩溶构造发育情况进行了精细探测, 并通过希尔伯特变换提取了雷达信号中的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率三种瞬时属性,将三种瞬时属性结合起来对岩溶涌水通道进行了多参数综合分析；邵华[2]对三维探地雷达及其工作原理进行简要阐述,并具体探讨三维探地雷达在道路裂缝检测中的应用; 吴彦等[3]采用三维探地雷达在东莞进行管线探测研究；赵兴友[4]应用GprMax软件对不同埋深及环境下的非金属管线进行正演模拟分析,研究不同埋深和不同环境对探地雷达图像的影响；凌天清[5]等为实现沥青层空隙率精确检测,考虑表面细观构造影响提出一种基于探地雷达的测量方法；才登巴[6]应用探地雷达来探测塔里木河岸堤上的洞穴和空隙；潘磊等[7]探究探地雷达成像的规律,运用时域有限差分软件Gprmax建立真实的土壤环境模型,模拟电磁波在脱空土壤中的传播,分析其回波的雷达谱图。本文采用探地雷达(GPR)地下水管渗漏无损检测技术利用800 MHz天线进行了一系列实验室实验，研究并验证了探地雷达探测地下管线和定位漏水的性能，以期为相关工程提供参考。

1 探地雷达原理

探地雷达和探空雷达的工作原理基本相同, 二者都是利用高频电磁波束在界面上的反射来探测目标体。只是探空雷达所发射的电磁波在空气中传播,衰减较小,可探测远距离的目标,而探地雷达所发射的电磁波在介质内传播,由于介质的强烈吸收作用,其衰减较大,因而探测距离较小。正因为探地雷达探测的是在地下有耗介质中的目标体,它形成了自己独特的发射波形与天线设计特点。根据已发表的资料, 探地雷达使用的发射波形有调幅脉冲波、调频连续波、连续波等;使用的天线有对称振子天线、非对称振子天线、螺旋天线、喇叭天线等。由于对称振子型调幅脉冲时域探地雷达输出功率大、能实时监测测量结果、设备可做成便携式等优点,在商用地面探地雷达。表1为各种天线下探地雷达性能参数。

探地雷达通常使用极化无线电波10 MHz到2.6 GHz范围内的高频部分。探地雷达发射器和天线向地面发射电磁能。当能量遇到埋藏物体或不同介电常数材料之间的边界时，会反射回地表。然后接收天线会记录反馈信号的变化。其所涉及的原理与地震学类似，除了探地雷达方法采用的是电磁能而不是声波能，而且能量可能在地下电性能变化的边界处反射，而不是像地震能那样在地下机械性能变化的边界处反射。

图1 试验装置

2 试验制备

分析探地雷达(GPR)的有效性是本研究的主要目标。本文创建了一个物理实验来检测地下管道漏水。因为PVC是配水系统工业地下管道中常用的材料，试验开始前先选择了3根10 cm的PVC管，具有三个不同直径的孔，分别为1.5 cm，1.7 cm，1.9 cm。试验台的尺寸为2.5 m长、1.5 m高、1.5 m宽，PVC管埋在0.6 m深的干砂中，孔朝下以模拟泄漏。试验台使用木箱建造，不使用螺钉和钉子等金属材料，因为在探地雷达扫描过程中，金属的存在会对雷达信号造成干扰。本次漏水实验注入的水量为15 L，雷达扫描采用RAMAC/GPR 800 MHz屏蔽天线。对于实验中的天线极化，天线的长轴沿PVC管垂直布置，采样频率为8 800 MHz, 时间为57纳秒, 天线间距为0.14 m。图1为本次的试验装置。

表1 各种天线下探地雷达性能参数

图2 1.5 cm口径的监测结果

3 试验结果分析

本文选择PVC管三个不同直径的孔(1.5 cm，1.7 cm，1.9 cm)作为漏水模拟的变量，以观察漏水过程中水压的变化。800 MHz的信号具有足够的穿透力来检测渗水。通常，向下投影的双曲线图案是用来表示埋地管道，1.5 cm口径的监测结果如图2所示。由图可知渗漏中心位于约0.6 cm处，如红色圆圈所示，这说明埋地PVC管的位置约为0.60 m，监测结果几乎100%准确。从图2(b)中可以看出，在1.7英寸孔处漏水时，反射图案完全清晰，在PVC反射线下方十分明显，双曲线强度增加，通过电介质的变化可以看出双曲线模式的变化受到显著影响。介电介质的变化是由漏水引起的，由于水压最高，水流速度最快，管径越小，压力越高的假设是正确的。也就是说，由于水流速度最快，水泄漏可能已经在短时间内到达沙子底部。图2(c)和(d)中没有显著差异，因为水以相似的速度流向底部。然而，如图2(e)所示，24 h后，漏水的反射变得模糊。24 h后进行探地雷达扫描的目的是分析干沙中的水分散失。结果表明，饱和水已消散到干砂中。时间间隔的探地雷达扫描剖面图显示，即使在进行24 h的漏水模拟后，漏水深度也可以达到1 m以上。

图3为表示孔径为1.7 cm的PVC漏水模拟的雷达图像轮廓。图3(a)中雷达图轮廓与其他图3(b)、(c)、(d)和(e)有水的地方用红色圆圈标出。在图3(b)中，水的存在产生了新的双曲反射图案。水极大地改变了干砂的介电性能。如图3(c)所示，漏水30 min后，这种模式的强度增加，双曲线模式的范围开始扩大。与1.5英寸直径相比，较大的孔径导致水压较低。这就是为什么在30 min后才能看到漏水的原因。然后，异常变化开始消失，因为现象表明，水开始向下移动，并溶解到干沙中，如图3(d)和3(e)所示。图3(e)所示与图3(a)中的雷达图相似，因为无法明显检测到异常模式，这表明大部分饱和水已向下移动至试验床底部。

图3 1.7cm口径的监测结果

图4为表示孔径为1.9 cm的PVC漏水模拟的雷达图像轮廓, 在注入15 L水后立即进行探地雷达扫描。如图4所示。水的介电常数(值为80)显然在注水之前和注水期间产生了巨大差异。水流速度低是由最小水压引起的，在图4(b)中，通过探地雷达扫描仅检测到少量漏水。如图4(c)所示，双曲线反射模式的强度增加，水异常特征明显，在漏水1 h后仍保持不变，如图4(d)所示。由于水流速度最低，水的反射模式在图4(d)中清晰可见。在图4(e)中，漏水的锐度在24 h后略有下降，因为漏水已经在干沙中消散，并且已经向下移动到试验台底部。

图4 1.9 cm口径的监测结果

4 结语

本文通过各种漏水实验，确定了探地雷达探测漏水的监测能力。结果表明，监测的渗漏中心位于约0.6 cm处，与预埋PVC管的渗漏位置相差不大，监测结果几乎100%准确，证明探地雷达是检测地下管道渗漏的最佳设备之一。此外，漏水处反射图案完全清晰，在PVC反射线下方十分明显，双曲线强度增加，通过电介质的变化可以看出双曲线模式的变化受到显著影响。最后，不同口径的渗漏点，其在沙子中渗漏模式是不相同的，由于水压最高，水流速度最快，管径越小，压力越高，也就是说，由于水流速度最快，水泄漏可能已经在短时间内到达沙子底部。