胡群芳，鄭澤昊，劉 海，陳不了

（1. 同濟大學上海防災救災研究所，上海200092；2. 廈門大學電子科學與技術學院，福建廈門361005；3. 廣州大學土木工程學院，廣東廣州510006）

地下管線作為城市重要的生命線工程，在城市給排水方面發(fā)揮著重要的作用。隨著我國經濟發(fā)展和城市規(guī)模擴大，給排水管線的鋪設總長度逐年增加。根據國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，近15年來我國供水管道長度增長了120%，排水管道長度增長了187%。與此同時，由于管線老化、不規(guī)范施工、超負荷供水等諸多原因，地下管線的滲漏問題日益嚴重。一方面，供水管的滲漏會造成嚴重的水資源浪費。據統(tǒng)計，我國供水管道漏失率超過20%，每年漏失量超過100億立方米，遠遠超過發(fā)達國家平均水平［1］。另一方面，排水管道中工業(yè)廢水和生活污水的滲漏還會造成環(huán)境污染。由于排水管道的滲漏，全國295 個地級以上城市中，有216個存在黑臭水體。此外，一旦帶壓地下管線發(fā)生爆管，則極易在滲漏處形成地下空洞，進而發(fā)生路面塌陷和地基下沉等事故［2］。據不完全統(tǒng)計，僅2018年我國就發(fā)生了上百起道路塌陷事件，嚴重影響了城市的出行安全。因此，對地下供排水管道滲漏點進行快速準確的探測和定位，為管線維護和修復工作提供準確信息，可有效降低經濟損失，避免人員傷亡。

目前，檢測管線滲漏的常規(guī)方法有音聽檢漏法、相關測漏法、管道內窺法、紅外檢測法、聲吶檢測法、時域反射法、電阻率層析成像法、流量計法、壓強法等。其中，音聽檢漏法是使用音聽設備檢測管線漏聲來進行滲漏點定位的一種方法，包括閥栓聽音法和地面聽音法，分別用于漏點的預定位和準確定位，其缺點是極易受到外界環(huán)境噪音的干擾［3］。相關測漏法是使用相關儀（leak noise correlator，LNC）進行滲漏檢測的方法，需要將兩個傳感器分別放在同一管線的兩個相隔有限距離的暴露點上。這種方法適用于環(huán)境噪聲大、管線埋設深的區(qū)域，可以快速測出地下管道漏水點的位置，但是需要在滲漏點兩側的適當距離處有豎井，因此該項技術有較大的局限性［4］。管道內窺法（CCTV）是使用帶有高清鏡頭的機器人在管道內爬行，通過實時傳回的圖像來檢測滲漏點。這種方法一般適用于管徑較大的管線，且需要在探測前先將管線待測段的水排除，大大增加了探測成本［4］。紅外檢測法是利用紅外攝像機檢測由于滲漏導致的溫度差異來識別滲漏區(qū)域，其缺點是容易受到其他熱源的干擾［5］。聲吶檢測法是將聲吶傳感器置于管道內，進而測算管道的斷面尺寸、形狀，以及檢測管內沉積物和凝結物等，可以識別大于3 mm 的開放型裂隙。這種方法的缺點是聲吶傳感器需要通過線纜與位于地面的聲吶處理系統(tǒng)相連，這就要求待測區(qū)域要有檢修井，此外檢測范圍也會受到線纜長度的限制［6］。時域反射法（time domain reflectometry，TDR）是指將電磁探針插入介質中，通過測量反射系數進而判斷滲漏情況的方法。這種方法的缺點是當滲漏時間較長，水擴散區(qū)域較大時，其精度會降低［7］。電阻率層析成像法（electrical resistivity tomography，ERT）是利用電極陣列采集的電阻率數據重建二維或三維電阻率分布圖的方法，可以較好區(qū)分電導率增大的區(qū)域（滲漏區(qū)域），但是分辨率較低，且需要將電極插入土壤中進行測量，在城市環(huán)境中難以適用［7］。流量計法是使用基于霍爾效應的液體流量傳感器檢測水管的流量，當流量低于標準值時，則可以說明此處測量點附近有滲漏發(fā)生。這種方法的缺點是流量計需要接觸管線才能工作，此外該方法只有在管線中的水處于流動狀態(tài)時才能使用，因此具有一定局限性［8］。壓強法是根據一段管線兩點間的壓強差來檢測滲漏，這種方法的缺點是只能判定滲漏管段，不能精準定位滲漏點［9］。

探地雷達（ground penetrating radar，GPR）是一種新型的無損探測方法，其原理是在地表用天線向地下發(fā)射超寬帶脈沖電磁波，通過接收來自地下目標的反射回波，來實現對地下目標的探測和成像［10］。探地雷達具有快速、無損、不易受到干擾等優(yōu)點，被廣泛地應用于土木工程檢測和深空探測中［11-17］。目前，已經有多位學者對探地雷達探測滲漏管線問題進行研究。其中，Lai等［18］在實驗室利用不同頻率的探地雷達天線探測了滲漏金屬管和塑料管，并合成三維數據進行了研究。Demirci 等［19］選擇平行于管線的測線對滲漏塑料管進行了探測，用反投影法重建了雷達圖像并總結了滲漏區(qū)域的特征。Crocco等［20］利用層析成像反演方法研究了管線滲漏早期的雷達圖像。總結現有研究，大多只采集了一條測線或幾條稀疏的測線，無法合成三維圖像，也沒有對雷達數據進行偏移處理。為此，本文在前人研究的基礎上，使用偏移和三維數據合成等方法，結合現場模擬實驗，驗證三維探地雷達在地下水管滲漏探測和漏點精準定位方面的潛在優(yōu)勢。

1 探地雷達

1.1 基本原理

探地雷達系統(tǒng)一般由主機、天線和顯示器組成，其中，天線為其最重要的組成部分，一般包括發(fā)射天線（Tx）和接收天線（Rx）［21］。本文使用的是收發(fā)一體的屏蔽商業(yè)探地雷達，如圖1a所示。發(fā)射天線將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式（脈寬約5 ns）輻射到地下，經地下目標體或不同電磁性質的介質分界面反射后返回地面，被屏蔽盒內另一接收天線所接收，而其余電磁能量則穿過界面繼續(xù)向下傳播，在更深的界面上繼續(xù)反射和折射，直至電磁能量被地下介質全部吸收。電磁波在介質中傳播特性由地下界面上下介質的電性差異（主要包括介電常數和電導率）決定。上下介質的介電常數差異越大，反射波越強。常用的探地雷達掃描方式為橫向掃描（B 掃描），雷達天線沿指定測線移動時，由測距輪或測線盒上的編碼器記錄雷達移動的距離，并每隔一段距離觸發(fā)雷達主機記錄一道反射信號，一條測線上各測點所采集的波形通過堆積，以偽彩色或灰度圖的形式顯示，稱為雷達剖面。通過分析雷達剖面中反射信號的振幅、相位、雙程走時和頻率等，可以對地下目標進行定位，分析其幾何形態(tài)和物理性質。

本文主要研究管線滲漏的雷達圖像特征。一般情況下，地下管線發(fā)生滲漏后，對于地下水位以上的埋管地層，滲漏點周圍土壤的含水量會發(fā)生變化。而土壤的介電常數隨其體積含水量的增加而增大，可以用Topp經驗公式［22］近似表達為

圖1探地雷達天線及其探測方式Fig.1 GPR antenna and detection mode

式中：εr為相對介電常數；θv為體積含水量。當地下水管發(fā)生滲漏時，其周圍土壤的介電常數會增大。滲漏區(qū)與非滲漏區(qū)土壤就會出現介電差異，從而增強雷達波反射信號。

土壤中的雷達波速v（m·ns-1）與相對介電常數εr的算術平方根成反比，可近似表達為

式中：c為真空中的光速，約0.3 m·ns-1。

因鄰近管道發(fā)生滲漏后，直接導致管道周邊土壤的介電常數增大，從而引起滲漏區(qū)土壤中的雷達波速減小，則相應目標物對應的雙程走時就會增加。

1.2 探測方法

由于探地雷達天線一般選用偶極子天線或蝶形天線，其輻射的電磁波以線性極化為主，極化方向沿偶極子長軸方向。當探地雷達用于地下細長線性目標探測時，若天線極化方向與線性目標走向垂直，理論上反射信號強度為零［23-24］。因此，在實際測量中，天線極化方向應當與地下管線走向平行以增強反射信號，如圖1b所示。

當地下管道的直徑相對電磁波在地下介質中的波長較短時，在二維剖面中可視為一個點目標，在雷達剖面中其呈現雙曲線的反射信號特征，如圖2 所示。反射信號的雙程走時t與天線水平位置x之間滿足如下關系：

式中：z為管線頂部的埋深，m。

圖2 探地雷達探測地下管線示意圖Fig.2 Schematic diagram of GPR detecting underground pipe

三維雷達數據一般需通過C 掃描方式獲取，即利用二維雷達B 掃描方式，設定相鄰測線的間距小于最小波長的四分之一，然后采集一系列測線相互平行的二維剖面，并將這些二維數據組合成三維數據［25］。最常見的三維數據展示方法是切片法，即對得到的三維數據取水平切片或豎直切片，切片中同樣以灰度值顯示反射波幅度，以便于目標物的辨識。

1.3 偏移成像

管線在二維雷達圖像中顯示為雙曲線，這是由雷達波的散射導致的。為了使散射波收斂以及讓傾斜反射歸位到它真正的地下界面位置，本文使用基爾霍夫偏移處理雷達數據?；鶢柣舴蚱朴址譃槎S和三維兩種情況，分別適用于二維雷達剖面圖和三維雷達數據。在三維條件下，雷達波在媒質中的傳播可用波動方程表示，其遠場條件下的解為［26-27］

式中：Δx和Δy分別為沿著測線和垂直于測線兩個方向的相鄰間距；A為雷達孔徑平面的面積；θ為雷達波傳播方向與豎直方向夾角；r=［（x-x0）2+Pout為點（x0，y0，z0）處的雷達波幅度；Pin為z=0處的雷達波幅度。

2 現場模擬實驗

2.1 場地介紹

為了研究滲漏前后雷達圖像的區(qū)別，在上海市某試驗測試基地開展了地下水管滲漏的探測實驗。實驗場地埋設了一根埋深0.6 m，直徑100 mm 的球墨鑄鐵水管，管道內供水具有穩(wěn)定的壓力約220 kPa。該場地表面鋪設約0.25 m 厚混凝土路面層，其中埋有一根電纜線，混凝土層下方是約0.25 m厚填土層，再往下是砂土層。目標管線位于砂土層中，且位于地下水位（距地面0.8 m）以上，如圖3所示。

圖3 場地地層剖面圖Fig.3 Site stratigraphic profile

待測目標管線穿過一個豎井，在豎井內有一個閥門。閥門打開后管線上會設置一個模擬破損點，管線內有壓水會形成滲漏，并逐漸充滿整個豎井。在此過程中，由于水的滲透作用，豎井周圍土壤的含水量會逐漸增大。豎井內管線的正常狀態(tài)和滲漏狀態(tài)現場如圖4所示。

現場實驗時，先在閥門正常狀態(tài)下采集雷達數據，然后打開閥門，等待約30 min 后關閉閥門，此時豎井中水面已淹沒管線，再使用同樣參數進行測量，得到滲漏后的雷達數據。

2.2 測線和雷達參數設置

本文采用垂直于管線的測線，共31 條，每條測線的長度為2.7 m，道間距10 mm，相鄰兩條測線的間距為100 mm，形成了一個3.0 m×2.7 m 的測點網絡，方形豎井則位于測量區(qū)域的中心，測線分布如圖5a所示。

考慮到探測深度和分辨率兩方面需求，本文選用中心頻率為200 MHz 的天線，時窗和采樣點數分別設置為60 ns和512個?，F場探測實驗的照片如圖5b所示，該圖中天線位于經過豎井正上方測線上，采用天線右側測距輪觸發(fā)雷達發(fā)射機采集數據。

圖4 豎井內閥門的工作狀態(tài)Fig.4 Working status of valves in shaft

2.3 數據處理方法

為了提高信噪比和增強地下目標信號的辨識度，通常需要對原始的雷達圖像進行處理。本文主要對原始雷達圖像進行了零時校正、去背景、增益、帶通濾波和偏移處理。每個步驟的詳細流程如下：

（1）零時校正。零時校正的目的是修正雷達系統(tǒng)時延，使得地面反射信號基本處在零時刻的位置。

（2）去背景。采用減平均道的方式去除雷達剖面中水平背景信號，即對雷達剖面圖中所有道數據取平均，再從每道數據中減去。

（3）增益。為了補償電磁波在擴散和傳播過程中能量損失，更加清晰地顯示深處的目標信號，研究使用線性增益和指數增益處理雷達數據。其中，線性增益是為了補償波前擴散導致的雷達波幅值衰減，指數增益是為了補償雷達波在有耗介質中的衰減。

（4）帶通濾波。使用通帶為100～500 MHz的帶通濾波器進行濾波，以抑制雷達圖像中的低頻和高頻噪聲。

圖5 實驗現場情況Fig.5 Experiment field conditions

（5）偏移處理。分別使用二維偏移和三維偏移進行數據處理。二維偏移的處理對象是單個二維剖面圖，三維偏移的處理對象則是整個三維雷達數據。偏移速度取0.08 m·ns-1，即地下介質中雷達波速的估計值。

3 實驗結果

3.1 偏移前的二維雷達剖面

本文選取了3條具有代表性的測線對管線滲漏的雷達圖像特征進行解釋，它們分別為測線3（離滲漏位置較遠）、測線15（位于滲漏正中央，豎井正上方），測線20（離滲漏位置很近，而不在豎井正上方）。這3條測線的位置已在圖5a中標出。所選3條測線的二維剖面圖數據如圖6～8所示。圖6～8中，a圖、b圖分別為探測區(qū)域管道滲漏前后的雷達原始數據，并經零時校正、去背景、增益處理和帶通濾波后的雷達圖像。

圖6 測線3的原始雷達圖像Fig.6 Original radar image of No.3 survey line

第3 條測線的雷達圖像如圖6 所示。由于離滲漏中心較遠，滲漏前后土壤含水量無明顯變化，因此，滲漏前和滲漏后目標管線的雙曲線基本保持相同的形態(tài)，基本可以判定該處無明顯滲漏情況。需要注意的是，兩幅雷達圖像中均可以看到上下兩條雙曲線，分別是一條埋深較淺的電纜線和埋深在0.6 m處的目標水管。

圖7 測線15的原始雷達圖像Fig.7 Original radar profile of No.15 survey line

第15條測線的雷達圖像如圖7所示。由于位于豎井正上方，可以明顯看到中間區(qū)域有強烈的井蓋反射信號，對雷達圖像的辨識產生了嚴重的干擾，基本無法分辨目標管線。滲漏后，在井蓋反射信號兩側30～60 ns 范圍內出現了一些多次震蕩的雙曲線反射，可以肯定這些反射信號是由于滲漏造成的。此外可以明顯看出，豎井右側的震蕩信號更多，強度更大，推測是由于右側的滲漏量更大造成的。這些震蕩信號是入射電磁波繞管道一周后返回地表被接收天線所接收，亦稱為爬行波（creeping wave）。

第20條測線的雷達圖像如圖8所示。由于離滲漏發(fā)生位置很近，滲漏發(fā)生后土壤含水量很高，又由于該測線不在井蓋正上方，從而避免了井蓋的影響，因此這是分析滲漏對管線圖像影響的最佳測線。由于發(fā)生了滲漏，土壤含水量的增大導致其介電常數增大，雷達回波在其中的傳播速度變慢，在圖像中表現為目標管線對應的雙曲線下移（雙曲線頂點由15.1 ns 下降至17.2 ns）。同時，可以看到滲漏后在目標管線以下又出現了震蕩信號，其原因與測線15類似。

3.2 偏移后的二維雷達剖面

圖8測線20的原始雷達圖像Fig.8 Original radar profile of No.20 survey line

上面的二維剖面圖數據未做偏移處理，所以由于散射效應，管線在雷達圖像中都呈現為雙曲線。對上面的數據進行二維偏移處理，之后再做時間-深度轉換。處理后第20條測線的剖面圖如圖9所示。

圖9a 是滲漏前的偏移結果，金屬水管的繞射雙曲線得到了很好的聚焦，深度約為0.6 m，與實際埋深吻合。圖9b 是滲漏后的偏移結果。與圖9a 對比可以看出，金屬水管的反射能量增強，這是由于滲漏后土壤的介電常數較大，因而雷達波反射更強。同時可以看出，滲漏后金屬管的圖像稍向下移動，這是由于水管上方有部分土壤被浸濕，含水量增大導致雷達波速減小所致。在1.5～2.0 m深度處出現了不規(guī)則的反射信號，根據之前對偏移前雷達二維剖面圖的分析，這些是入射電磁波繞管道旅行一周或數周后的爬行波震蕩信號的偏移結果。

3.3 三維雷達圖像的合成

圖9 偏移后的雷達剖面Fig.9 Radar profile after migration

以上只是針對3 條特定位置測線進行分析，討論了管線滲漏的雷達圖像特征。利用采集到的31條測線數據，經過零時校正、去背景、增益、帶通濾波處理后，合成三維數據，再做三維偏移處理，得到三維雷達圖像。最后，取3 個方向的切片觀察圖像特征。

3.3.1y方向切片

平行管線走向的y方向切片如圖10 所示，滲漏前后各取3 個切片，以觀察不同位置的特征。滲漏前，在位于中間的切片中可以看到淺層電纜線和目標管線，同時還能看到金屬井蓋的強烈反射。而位于兩邊的切片中則沒有明顯的目標物。滲漏之后，由于井蓋反射的影響，中間的切片中并未與滲漏前出現明顯差異，但是此時在兩邊切片的底部（約1.5 m深處）可以看到明顯的反射，與滲漏前的切片呈現出明顯不同。按照之前的分析，該反射對應于滲漏后出現的震蕩信號。

圖10 平行管線走向方向的切片Fig.10 Slices parallel to the pipeline

3.3.2x方向切片

垂直管線走向的x方向切片如圖11所示。由于管線軸線沿y方向，因此在所有切片中都能看到目標管線，并且由于此時做過了偏移處理，管線的雙曲線反射得到了很好的收斂，使得目標的幾何形狀解譯成為可能。同時，滲漏后可以在中間兩個切片中看到不規(guī)則的反射，這些同樣是由于爬行波震蕩信號引起。

3.3.3 水平切片

由于地下介質的不均勻性，處于同一深度但是水平位置不同的目標物，其反射波的雙程走時可能有微小差異。因此，在取水平切片時，若取單個切片進行分析，則可能看不到反射能量較弱的目標物。所以在取水平切片時，先對所有道數據取包絡，然后對目標深度上下各20 個采樣點（約2.34 ns）的數據求和，再取平均值，作為該深度的信號值，以此方法得到3個不同深度的切片。使用這種方法可以更容易地看到反射較弱的目標物。

圖11 垂直管線走向的切片Fig.11 Slices vertical to the direction of pipeline

滲漏前后的三維水平切片如圖12所示。第1個切片的深度約0.20 m，在此切片中可以看到一段電纜線。可以看出該電纜線僅在y＜1.3 m 的區(qū)域出現，而之前展示的幾條測線中，只有測線3位于這一區(qū)域，也只有測線3中出現了這個電纜線，這從另一個角度說明了三維圖像和二維圖像是對應的。第2個切片的深度約0.75 m，此切片中可以看到管線，管線的方向平行于y軸。第3 個切片的深度約為1.80 m，滲漏后可在切片中看到強烈的散射，如圖中虛線框內所示。由于這些反射在滲漏后才出現，可以斷定它們來自于爬行波震蕩信號。根據震蕩信號所在的區(qū)域，可以估計浸潤區(qū)（滲漏水擴散所至的區(qū)域）在水平方向的范圍。但是震蕩信號并不反映實際深度，因此為了估計浸潤區(qū)在豎直方向的范圍，需要結合測量數據進一步計算。根據圖8，滲漏后管線對應的雙曲線頂點的雙程走時由t1=15.1 ns 下降至t2=17.2 ns。由時域反射計（TDR）估計滲漏前后地下介質中的雷達波速分別為v1=0.08 m·ns-1和v2=0.06 m·ns-1。假定滲漏后浸潤區(qū)頂部距管線的距離為Δh，則

由式（5）可解得Δh=0.254 m。通過這種方法可以確定浸潤區(qū)上界。由于管線底部較為接近地下水位，因此可以認為浸潤區(qū)底部與地下水位相接。

圖12 偏移后的水平切片Fig.12 Horizontal slices after migration

3.3.4 目標物三維顯示

為了更加直觀地顯示目標物的實際尺寸和位置，在每個切片中用不同顏色手動標記出目標物，然后再組合成立體圖形，就得到了各個目標物的三維顯示。

滲漏前后的目標物三維顯示圖如圖13 所示。在滲漏前后的圖形中均可看到電纜線和目標管線，其位置已在圖中標出。其中電纜線深度較淺，且長度較短，這與z方向切片圖對應。

滲漏之后在目標管線的下方可看到立體顯示的浸潤區(qū)，其位置已在圖13b 中標注?？梢愿鶕S圖形估計浸潤區(qū)的尺寸和位置，其在x方向介于1.0～2.2 m，y方向介于 1.0～2.0 m，z方向介于0.39～0.90 m。而滲漏點可以近似認為處在浸潤區(qū)的中心，即（x，y，z）坐標位于（1.6，1.5，0.65）位置，這一區(qū)域位于管線上的閥門（滲漏點）附近。

圖13 主要目標物的三維顯示Fig.13 3D view of main objects

4 結論

本文利用探地雷達探測了地下管線正常和滲漏兩種不同狀態(tài)下的反射信號，并總結出滲漏前后雷達圖像的差異。當滲漏發(fā)生時，由于介質含水量增加導致雷達波速減小，在二維雷達剖面圖上可以看到管線稍向下移動。同時，由于滲漏后地下分層兩側介質的介電常數差異比滲漏前更明顯，分界面的反射增強，在管線下方還會出現一些多次震蕩反射信號。利用二維雷達剖面圖合成三維雷達數據后，可以更直觀地看到滲漏發(fā)生的區(qū)域，并能夠估計浸潤區(qū)的分布范圍和滲漏中心的位置。

本文通過實例說明，三維探地雷達技術可以準確判斷供排水管線發(fā)生滲漏的位置，并可以估計滲漏區(qū)域的大小。需要指出的是，本文實驗中的目標水管位于地下水位以上，因此滲漏區(qū)的雷達圖像特征十分明顯。如果管線位于地下水位以下，考慮到地下管線周邊土層含水量已經飽和，因此，探地雷達可能無法準確探明滲漏區(qū)，需要研究其他方法來進行更為有效的探測。