地下供水管线渗漏的探地雷达模拟探测试验分析

doi:10.11720/wtyht.2023.1199

地下供水管线渗漏的探地雷达模拟探测试验分析

王欲成^,, 王洪华^,, 苏鹏锦, 龚俊波, 席宇何

桂林理工大学地球科学学院,广西桂林 541004

Simulated detection experiments of underground water supply pipeline leakage based on ground penetrating radar

WANG Yu-Cheng^,, WANG Hong-Hua^,, SU Peng-Jin, GONG Jun-Bo, XI Yu-He

College of Earth Sciences,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China

通讯作者: 王洪华(1986-),男,副教授,主要从事探地雷达正反演理论及应用研究工作。Email:wanghonghua5@163.com

第一作者: 王欲成(1996-),男,硕士研究生,主要从事探地雷达数据处理及偏移成像方面的研究工作。Email:1125413321@qq.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2022-05-17 修回日期: 2023-04-7

基金资助:

国家自然科学基金项目(41604102)
广西自然科学基金项目(2020GXNSFAA159121)
广西自然科学基金项目(2022GXNSFAA035595)

Received: 2022-05-17 Revised: 2023-04-7

摘要

地下供水管线作为城市基础设施的重要部分,由于年久失修、腐蚀、施工质量不佳等原因,常常发生管线渗漏及破裂问题。利用无损检测方法准确识别地下供水管线的渗漏位置及影响区域,对其早期预警和后续治理具有重要意义。本文利用探地雷达(GPR)方法对地下供水管线渗漏进行模拟探测试验与分析。首先,基于GeoStudio软件中的SEEP/W模块建立砂土中供水管线渗漏模型并计算其不同渗漏位置和渗漏时间的体积含水量,然后根据Topp公式和电导率与含水量的经验公式构建相应供水管线渗漏的相对介电常数和电导率模型。在此基础上,利用时域有限差分法(FDTD)对不同渗漏位置、不同渗漏时间的供水管线渗漏模型进行GPR模拟探测,并对模拟结果进行分析。最后,开展供水管线渗漏的GPR物理模拟探测试验,并与数值模拟结果进行对比分析。结果表明:与供水管线未渗漏的双曲线绕射波相比,上侧渗漏时,渗漏时间越长,渗漏区域越大,双曲线绕射波出现时间越早,能量越弱,其顶点水平位置保持不变;下侧渗漏时,出现2条分别向上和向下移动的双曲线绕射波,且渗漏时间越长,2条双曲线绕射波能量越弱且越分离,其顶点水平位置保持不变;左(右)侧渗漏时,渗漏时间越长,双曲线绕射波能量越弱,且顶点越向左(右)上偏移。模拟探测研究成果可为供水管线渗漏问题的早期预警和后期治理提供较为可靠的依据。

关键词： 供水管线渗漏; GeoStudio软件; 探地雷达; 数值模拟; 物理模拟

Abstract

As an important part of urban infrastructure, underground water supply pipelines frequently leak or break due to disrepair,corrosion,and poor construction quality.It is of great significance to identify the leakage locations and affected areas of underground water supply pipelines using a non-destructive testing method for the purpose of early warning and follow-up treatment.This study conducted simulated detection experiments and analysis of underground water supply pipeline leakage using the ground penetrating radar (GPR) method.Firstly,this study established the leakage model of water supply pipelines in sandy soil using the SEEP/W module in the GeoStudio software and calculated the volumetric water content of different leakage locations and leakage times.Then,it established the relative dielectric constant and conductivity model for water supply pipeline leakage using the Topp equation and the empirical equations of electrical conductivity and water content.On this basis,this study conducted the GPR simulated detection of the water supply pipeline leakage model with different leakage locations and different leakage times using the finite difference time domain (FDTD) method and analyzed the simulation results.Finally,this study conducted the GPR-based physical simulated detection tests of water supply pipeline leakage and compared the test results with the numerical simulation results.The study results are as follows.Compared with the hyperbolic diffracted wave of the water supply pipelines without leakage,that of the water supply pipelines with leakage at different locations are stated as follows.For the leakage on the upper side,a longer leakage area and a larger leakage area were associated with an earlier present hyperbolic diffracted wave with weaker energy,while the horizontal position of the hyperbolic diffracted wave's vertex remained unchanged.For the leakage on the lower side,two hyperbolic diffracted waves appeared,which moved up and down individually.Moreover,a longer leakage time corresponded to two weaker and more separated hyperbolic diffracted waves.The horizontal positions of the hyperbolic diffracted waves' vertexes remained unchanged.For the leakage on the left (right) side,a longer leakage time was associated with a weaker hyperbolic diffracted wave,whose vertex deviated farther toward the upper left (right).The simulated detection results of this study can provide a reliable basis for early warning and follow-up treatment of water supply pipeline leakage.

Keywords： water supply pipeline leakage; GeoStudio software; ground penetrating radar; numerical simulation; physical simulation

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本文引用格式

王欲成, 王洪华, 苏鹏锦, 龚俊波, 席宇何. 地下供水管线渗漏的探地雷达模拟探测试验分析[J]. 物探与化探, 2023, 47(3): 794-803 doi:10.11720/wtyht.2023.1199

WANG Yu-Cheng, WANG Hong-Hua, SU Peng-Jin, GONG Jun-Bo, XI Yu-He. Simulated detection experiments of underground water supply pipeline leakage based on ground penetrating radar[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(3): 794-803 doi:10.11720/wtyht.2023.1199

0 引言

地下供水管线作为城市基础设施的重要组成部分,其正常运行关乎整个城市的生活、企业的生产发展^[1]。然而,地下供水管线由于年久失修、腐蚀、施工质量不佳等原因常常发生渗漏及破裂现象。供水管线渗漏会引起周围土体性质发生变化,渗漏严重的区域土质松软沉降、塌陷,继而压断管线,造成更大面积的渗漏;对于埋深较浅的管线,其渗漏水体会迅速向上方地面流动,进而产生道路积水情况^[2]。

探地雷达(ground penetrating radar,GPR)作为一种以介质电磁性质差异为基础的无损检测方法,已被广泛应用于地下管线检测中,在精准确定管线位置、大小和材质等方面取得了良好效果^[3⇓⇓-6]。近年来,GPR开始应用于地下供水管线渗漏问题探测中,与常规的水压计量分析,听音检漏处理等方法相比^[7⇓-9],具有探测效率高、分辨率高等优点,得到广泛关注。Lai等^[10]开展了砂土材料中金属供水管线和PVC供水管线上侧渗漏的GPR物理模拟探测试验,并分析了2种管线渗漏不同时间的GPR响应特征;Lau等^[11]根据供水管线的双曲线特征,提出了一种渗漏区域介质的电磁波速度估计方法,并通过物理模拟试验得出了供水管线渗漏影响区域的电磁波速度比无渗漏要小5%~10%的结论;李方震等^[12]利用分频技术及道积分技术对供水管线渗漏的GPR探测数据进行了属性分析,结果能有效地反映供水管线的渗漏程度;胡群芳等^[13]通过三维物理探测实验,对比了供水管线渗漏前后的GPR剖面,得出了GPR方法可有效圈定供水管线渗漏区域和渗漏位置的结论;宋涵韬等^[14]利用基于时域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)计算了砂土地层中管线无充填物、充填油污及油污渗漏条件下的GPR剖面,并对结果进行了详细分析;沈宇鹏等^[15]使用GPRMax软件对不同深度、管径、渗漏位置的供水管线渗漏进行了模拟探测,为GPR探测地下供水管线渗漏工程问题提出识别依据。因此,采用无损检测方法对地下供水管线渗漏问题进行探测,显得尤为必要。

本文在上述研究基础上,首先采用GeoStudio软件建立不同渗漏方向、渗漏时间下的地下供水管线渗漏模型,并结合FDTD对不同模型进行GPR模拟与分析,然后与物理模型的探测结果对比,分析不同渗漏位置和渗漏时间的渗漏区域GPR剖面特征,为供水管线渗漏位置及渗漏区域的精确定位提供技术支撑。

1 基于GeoStudio软件构建地下供水管线渗漏模型

GeoStudio软件是一款功能较强的岩土工程和岩土环境模拟计算软件,可用于边坡稳定及支护分析、边坡安全系数分析、不同工况下的地基变形及破坏分析等情况的模拟计算^[16⇓-18]。其中,SEEP/W是基于时域有限元法针对岩土渗漏模拟与分析的计算模块。利用该软件开展地下供水管线渗漏的模拟计算操作步骤如下^[19]:

1)新建项目选择SEEP/W模块,分析类型选择稳态分析并设置其控制、收敛性、时间等参数,如最大迭代次数、允许值、导数改变量、平衡求解器、潜在渗流参数值、开始时间与结束时间。

2)设置模型的空间大小,网格间距等参数及供水管线的位置和大小。

3)设置模型的材料参数,如孔隙水压力、体积含水量函数、饱和土水含量、渗透系数函数、饱和渗透率与残余水饱和度,并将构建的材料指定给供水管线周围区域。

4)输入模型的边界条件,分别构建类型为压力水土、单位流量及水头的3个边界条件并设置相应的参数。将类型为压力水土的边界条件指定给模型底边界。输入渗漏位置。

5)输入SEEP/W瞬态分析选择SEEP/W分析为父项,并设置其控制、收敛性及时间等参数,在收敛性选项窗口中设置最大迭代次数、允许值、导数改变量、平衡求解器与潜在渗流参数值;在时间选项窗口中设置持续时间、步长和步长增长方式等参数值。在瞬态分析下,将4)中类型为单位流量的边界条件指定给管线、类型为水头的边界条件指定给渗漏位置。

6)绘制网格属性,设置全局单元尺寸。

7)模型求解,获得模型中不同渗漏时间的体积含水量分布。

根据上述方法,利用GeoStudio软件建立了一个大小为6.0 m×6.0 m的地下供水管线渗漏模型。供水管线如图1中白色圆圈所示,管线圆心位置为(3.0 m,3.75 m),直径为0.5 m。背景介质为砂土,其饱和土水含量为0.35 m³/m³,饱和渗透率为5×10^-5 m/s,残余水饱和度为0.001 m³/m³,孔隙水压力为0.01 kPa。当渗漏位置分别位于上侧(3.0 m,4.0 m)、下侧(3.0 m,3.5 m)、左侧(2.75 m,3.75 m)和右侧(3.25 m,3.75 m)时,渗漏2 h后砂土的体积含水量分别如图1a~d所示。由图可见,当供水管线渗漏时,形成的渗漏区由两部分组成,一部分为管线周边的饱和区域,另一部分为外围的非饱和区域;渗漏位置不同,形成的渗漏区域形态各不相同。

图1

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图1 供水管线不同位置渗漏2.0 h后的体积含水量分布

a—上侧渗漏;b—下侧渗漏;c—左侧渗漏;d—右侧渗漏

Fig.1 Volumetric water content distribution of water supply pipeline after 2.0 h leakage at different locations

a—upper leakage;b—lower leakage;c—left leakage;d—right leakage

根据Topp公式^[20],可将砂土体积含水量转化为相对介电常数,其表达式为

(1)

ε_{r} = 3.03 + 9.3 θ_{v} + 146.0 {(θ_{v})}^{2} - 76.6 {(θ_{v})}^{3}

式中: $ε_{r}$ 为相对介电常数; $θ_{v}$ 是体积含水量。

利用电导率与砂土含水量的经验换算公式^[21]:

(2)

σ = 0.001 \times 4.504 e^{8.2635 θ_{v}}

可计算砂土的电导率。式中 $σ$ 为电导率,S/m。

利用式(1)和式(2)将图1中砂土中体积含水量换算成相对介电常数和电导率,获得的结果如图2和图3所示。

图2

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图2 供水管线不同位置渗漏2.0 h后的相对介电常数分布

a—上侧渗漏;b—下侧渗漏;c—左侧渗漏;d—右侧渗漏

Fig.2 Relative permittivity distribution of water supply pipeline at different leakage position for 2.0 h leakage

a—upper leakage;b—lower leakage;c—left leakage;d—right leakage

图3

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图3 供水管线不同位置渗漏2.0 h后的电导率分布

a—上侧渗漏;b—下侧渗漏;c—左侧渗漏;d—右侧渗漏

Fig.3 Distribution diagram of conductivity of water supply pipeline after leakage of 2.0 h at different locations

a—upper leakage;b—lower leakage;c—left leakage;d—right leakage

2 地下供水管线渗漏模型的GPR正演模拟及分析

鉴于FDTD在模拟精度和计算效率方面的优势^[22⇓-24],本文采用FDTD模拟地下供水管线上侧、下侧、左侧和右侧渗漏情况下不同渗漏时间模型的GPR响应特征,并与未渗漏情况下的模拟结果进行对比分析。

2.1 供水管线未渗漏

图4a是一个大小为6.0 m×6.0 m的供水管线未渗漏模型示意,其中a、b、c、d分别为供水管线上侧、下侧、左侧、右侧渗漏位置。背景介质为砂土,其相对介电常数为3.03,电导率为0.005 S/m;背景介质中埋有一根直径为0.5 m的充满水管线,其圆心位置为(3.0 m,2.25 m)。利用FDTD对该模型进行计算时的空间步长为0.01 m×0.01 m,激励源为中心频率为400 MHz的Ricker子波。采用剖面法观测方式进行模拟,其收发天线间距0.01 m,测量点距为0.1 m,时窗为40 ns,时间步长为0.02 ns。

图4

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图4 供水管线未渗漏相对介电常数模型(a)及其GPR模拟剖面(b)

Fig.4 No leakage of water supply line relative permittivity model(a) and its simulated GPR profile(b)

图4b为图4a所示的供水管线未渗漏的GPR模拟剖面,由图可见,在约24.0 ns时刻开始出现由供水管线产生的标准双曲线绕射波,且清晰可见;经时深转换,双曲线绕射波顶点出现时间与理论计算时间几乎相同。

2.2 供水管线上侧渗漏

图5为供水管线上侧渗漏0.5 h、1.0 h、2.0 h和3.0 h后的相对介电常数模型,由图可知:渗漏区域呈对称分布,渗漏0.5 h后,供水管线上方砂土含水量增高,因而其相对介电常数变大;水平中心位置(3.0 m)处,从深度1.2 m至管线顶部的相对介电常数值从3.27逐渐增大至81.7,相应的电导率从0.005 S/m增大至9.4 S/m,变化趋势与相对介电常数相同;管线下方由于渗漏时间较短,其相对介电常数无变化。渗漏1.0 h后,渗漏区开始扩大至管线两侧和下方,相对介电常数开始增大;渗漏2.0 h、3.0 h后,渗漏区已经扩大至管线下方,供水管线周围的相对介电常数由内到外逐渐减小。

图5

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图5 供水管线上侧渗漏0.5 h(a)、1.0 h(b)、2.0 h(c)、3.0 h(d)后的相对介电常数模型

Fig.5 The permittivity model of water supply line after upper side leakage 0.5 h(a),1.0 h(b),2.0 h(c) and 3.0 h(d)

图6为图5中供水管线上侧渗漏模型的GPR模拟剖面,由图可知:当供水管线渗漏0.5 h时,约15.8 ns时刻开始出现双曲线绕射波(图6a),与图4b中供水管线未渗漏时双曲线绕射波出现时间24.0 ns相比,双曲线绕射波出现时间更早,这是由于供水管线上侧渗漏后,渗漏区域靠近地表,传播距离变小所致。渗漏1.0 h、2.0 h、3.0 h后双曲线绕射波的顶点出现时间分别为11.7 ns、7.3 ns和6.0 ns。由此可见:当供水管线上侧渗漏时,渗漏时间越久,双曲线绕射波出现时间越早,其顶点保持在水平中心处不变。

图6

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图6 供水管线上侧渗漏 0.5 h(a)、1.0 h(b)、2.0 h (c)、3.0 h(d)后的GPR模拟剖面

Fig.6 GPR simulated profile of water supply line after upper side leakage 0.5 h(a),1.0 h(b),2.0 h(c) and 3.0 h(d)

为进一步分析供水管线上侧渗漏不同时间的GPR信号特征,提取水平中心位置(3.0 m)处的单道波形进行对比,如图7所示。由于渗漏时间越长,渗漏区的砂土含水量越高,电导率越高,电磁波衰减更严重,双曲线绕射波能量越弱。

图7

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图7 图6中水平中心位置处的单道波形对比

Fig.7 Comparison of Single waveform at horizontal center position in Fig.6

2.3 供水管线下侧渗漏

图8为供水管线下侧渗漏0.5 h、1.0 h、2.0 h和3.0 h后的相对介电常数模型,由图可知,渗漏0.5 h,1.0 h后,渗漏区逐渐扩大至管线上方与两侧,其相对介电常数随含水量的增高而增大;渗漏2.0 h,3.0 h后,上方与两侧的砂土含水量逐渐达到饱和状态,相对介电常数保持稳定;而下方的含水量和相对介电常数仍在继续增加,供水管线周围的相对介电常数由内到外逐渐减小。

图8

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图8 供水管线下侧渗漏 0.5 h(a)、1.0 h(b)、2.0 h(c)、3.0 h(d)后的相对介电常数模型

Fig.8 The permittivity model of water supply pipeline after below leakage 0.5 h(a),1.0 h(b),2.0 h(c) and 3.0 h(d)

图9为图8中供水管线下侧渗漏模型的GPR模拟剖面,由图可见:供水管线渗漏0.5 h后,约24.0 ns时刻开始出现双曲线绕射波如图9a所示,与图4b中供水管线未渗漏时出现时间相同,这是由于此时供水管线上方未受到渗漏的影响所致。渗漏1.0 h、2.0 h、3.0 h后,管线上方开始受渗漏的影响,出现电性差异较为明显的分界面,因而图中出现2条双曲线绕射波,第一条双曲线绕射波的顶点出现时间分别为21.1 ns、17.4 ns和 15.2 ns,第二条双曲线绕射的顶点出现时间分别为24.1 ns、25.9 ns和27.7 ns。渗漏时间越长,第一条双曲线绕射波出现时间越早且越平缓,第二条双曲线绕射波出现时间越晚且双曲线曲率越大,但2条双曲线绕射波顶点位置都位于水平中心处,保持不变。

图9

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图9 供水管线下侧渗漏 0.5 h(a)、1.0 h(b)、2.0 h(c)、3.0 h(d)后的GPR模拟剖面

Fig.9 GPR simulated profile water supply pipeline after below leakage 0.5 h(a),1.0 h(b),2.0 h(c) and 3.0 h(d)

图10为图9中水平中心位置处的单道波形对比。由图可见,渗漏0.5 h时的波形与管线未渗漏的波形几乎重合,受渗漏影响非常微弱;渗漏1.0 h后,渗漏时间越长,砂土含水量越高,电导率越高,导致电磁波在其中传播时衰减更强,双曲线绕射波能量越弱。

图10

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图10 图9中水平中心位置处的单道波形对比

Fig.10 Comparison of Single waveform at horizontal center position in Fig.9

2.4 供水管线左(右)侧渗漏

图11和图12分别为供水管线左侧和右侧渗漏0.5 h、1.0 h、2.0 h和3.0 h后的相对介电常数模型。由图11可知:当供水管线左侧渗漏时,管线的左侧和右侧形成不对称的渗漏区域,其中左侧渗漏区域呈近似椭圆形且渗漏时间越长,渗漏区域越大;与左侧渗漏区域相比,右侧渗漏区域较小,且渗漏时间越长,渗漏区域扩大速度比左侧慢。当供水管线右侧发生渗漏时,管线左右两侧形成的渗漏区形态与左侧渗漏刚好相反,但渗漏区域变化趋势相同(图12)。

图11

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图11 供水管线左侧渗漏0.5 h(a)、1.0 h(b)、2.0 h(c)、3.0 h(d)后的相对介电常数模型

Fig.11 The permittivity model of water supply pipeline after left leakage 0.5 h(a),1.0 h(b),2.0 h(c) and 3.0 h(d)

图12

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图12 供水管线右侧渗漏0.5 h(a)、1.0 h(b)、2.0 h(c)、3.0 h(d)后的相对介电常数模型

Fig.12 The permittivity model of water supply pipeline after right leakage 0.5 h(a),1.0 h(b),2.0 h(c) and 3.0 h(d)

图13为图11中供水管线左侧渗漏模型的GPR模拟剖面。如图13所示,当左侧渗漏0.5 h后,在水平位置2.8 m处约18.6 ns出现双曲线绕射波,与未渗漏时水平位置3.0 m出现时间为24.0 ns的双曲线绕射波相比,其顶点明显向左上偏移,双曲线绕射波出现时间更早。由于供水管线及其右侧渗漏区的影响,在约27.6 ns出现另一条非对称的双曲线绕射波。渗漏1.0 h、2.0 h、3.0 h后,第一条双曲线绕射波的顶点分别向左移动至2.75 m、2.65 m、2.5 m,双曲线绕射波顶点出现时间分别为31.2 ns、10.5 ns、7.8 ns。由此可见:当地下供水管线左侧渗漏时,渗漏时间越长,双曲线绕射波出现时间越早,顶点位置越往左上侧偏移。右侧渗漏时,GPR模拟剖面中的双曲线绕射波分布特征与左侧渗漏时刚好相反,渗漏时间越长,双曲线绕射波出现时间越早,顶点位置越往右上侧偏移(图14)。

图13

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图13 供水管线左侧渗漏 0.5 h(a)、1.0 h(b)、2.0 h(c)、3.0 h(d)后的GPR模拟剖面

Fig.13 GPR simulated profile of water supply pipeline after left leakage 0.5 h(a), 1.0 h(b), 2.0 h(c) and 3.0 h(d)

图14

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图14 供水管线右侧渗漏 0.5 h(a)、1.0 h(b)、2.0 h(c)、3.0 h(d)后的GPR模拟剖面

Fig.14 GPR simulated profile of water supply pipeline after right leakage 0.5 h(a), 1.0 h(b), 2.0 h(c) and 3.0 h(d)

为进一步分析供水管线左(右)侧渗漏不同时间的GPR信号特征,提取图13或图14中水平中心位置处的单道波形进行对比(图15)。左(右)侧渗漏时,出现明显的2个能量较强的绕射波。渗漏时间越久,第一个绕射波出现时间越早且绕射波能量变化不大;第二个绕射波出现时间越晚且因电导率对电磁波的损耗,能量越来越弱。

图15

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图15 图13或图14中水平中心位置处的单道波形对比

Fig.15 Single channel waveform comparison at horizontal center in Fig.13 or Fig.14

3 供水管线渗漏的物理模拟探测与分析

为进一步分析GPR应用于地下供水管线渗漏探测的可行性和有效性,建立了一个供水管线渗漏的物理模型,如图16所示。模型背景介质为砂土,供水管线采用直径为5 cm的PVC管,埋深约25.0 cm;渗漏位置为一直径为0.5 cm的圆孔,位于管线中部(图16a)。图16b为现场测线布置,测量过程中将自来水通过图中的注水口注入到供水管线中,测线位于管线渗漏位置正上方且与管线走向垂直,长度为2.0 m。采用GSSI公司生产的SIR-4000型GPR系统和中心频率为1 600 MHz的天线探测,测量方式为点测。

图16

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图16 地下供水管线渗漏物理模型(a)与现场测线布置(b)

Fig.16 Physical model of underground water supply pipeline leakage(a) and layout of survey lines(b)

图17为供水管线上侧渗漏物理模拟探测的GPR剖面,其中图17a~d分别为供水管线未渗漏、渗漏20.0 min、40.0 min、60.0 min后的GPR探测剖面。图中可见明显的由供水管线产生的双曲线绕射波,由于模型内介质分布不均匀及模型大小限制,GPR剖面中出现明显的干扰波。渗漏时间越长,双曲线绕射波出现时间越早,能量越弱,如图17b~d中顶点出现时间分别为2.6 ns、2.4 ns、2.4 ns,且顶点保持在水平中心位置(1.0 m)不变,这与数值模拟结果一致。

图17

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图17 供水管线上侧渗漏 0 min(a)、20.0 min(b)、40.0 min(c)、60.0 min(d)后的GPR物理模拟剖面

Fig.17 GPR physical simulation profile of water supply line after upper leakage 0 min(a), 20.0 min(b), 40.0 min(c) and 60.0 min(d)

当供水管线下侧渗漏不同时间后,进行模拟探测获得的结果如图18所示。由图可见,下侧渗漏20.0 min 、40.0 min、60.0 min后都出现3条能量较强的双曲线绕射波;第一条绕射波顶点出现的时间分别为2.5 ns、2.2 ns、2.2 ns,与管线未渗漏时双曲线绕射波顶点出现时间3.1 ns相比更早;水平位置分别为0.92 m、0.96 m、0.92 m,由于测量误差的原因,水平位置有微小的偏差。由此可见,渗漏时间越长,双曲线绕射波的顶点出现时间越早,水平位置基本保持不变。

图18

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图18 供水管线下侧渗漏 0 min(a)、20.0 min(b)、40.0 min(c)和60.0 min(d)后的GPR物理模拟剖面

Fig.18 GPR physical simulation profile of water supply pipeline after bellow leakage 0 min(a), 20.0 min(b), 40.0 min(c) and 60.0 min(d)

图19是由供水管线左侧渗漏的GPR物理模拟剖面,供水管线渗漏后,由于渗漏区域和周围砂土的相对介电常数差异较大,出现明显的多次双曲线绕射波。与供水管线未渗漏时双曲线绕射波顶点出现时间约2.9 ns相比,渗漏20.0 min、40.0 min、60.0 min后的双曲线绕射波顶点出现时间都有所提前,分别为2.1 ns、1.9 ns、1.7 ns,且顶点位置相较中心位置向左侧分别偏移0.03 m、0.04 m、0.05 m。由供水管线右侧渗漏的GPR物理模拟剖面图20可知,右侧渗漏后,渗漏时间越长,双曲线绕射波出现时间越早,且双曲线绕射波顶点位置越往右上侧偏移,这与数值模拟结果分析一致。

图19

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图19 供水管线左侧渗漏 0 min(a)、20.0 min(b)、40.0 min(c)、60.0 min(d)后的GPR物理模拟剖面

Fig.19 GPR physical simulation profile of water supply line after left leakage 0 min(a), 20.0 min(b), 40.0 min(c) and 60.0 min(d)

图20

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图20 供水管线右侧渗漏 0 min(a)、20.0 min(b)、40.0 min(c)、60.0 min(d)后的GPR物理模拟剖面

Fig.20 GPR physical simulation profile of water supply line after right leakage 0 min(a), 20.0 min(b), 40.0 min(c) and 60.0 min(d)

4 结论

本文针对地下供水管线渗漏GPR探测问题,首先利用GeoStudio软件构建了供水管线渗漏模型,后利用FDTD模拟了供水管线未渗漏及渗漏位置分别为上侧、下侧、左侧和右侧不同渗漏时间的GPR数值模拟剖面,并与GPR物理模拟剖面进行对比分析,结果表明:与管线未渗漏时产生的双曲线绕射波相比,渗漏时间越长,渗漏区域越大,砂土含水量越高,电导率越高,电磁波衰减更严重,双曲线绕射波能量越弱。上侧渗漏时,渗漏时间越长,渗漏区域越大,双曲线绕射波出现时间越早,能量越弱,其顶点水平位置保持不变;下侧渗漏时,出现2条分别向上和向下移动双曲线绕射波,且渗漏时间越长,2条双曲线绕射波越弱且越分离,其顶点水平位置保持不变;左(右)侧渗漏时,渗漏时间越长,双曲线绕射波能量越弱,双曲线绕射波出现时间越早,且顶点越向左(右)上偏移。模拟探测结果可为精确判别供水管线渗漏位置及其渗漏区域提供可靠的技术支撑。

参考文献

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金鑫.

管线渗漏异常探地雷达数据的电场分量成像分析

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