地下管线渗漏的探地雷达信号分析和定位方法研究

作     者：黄肇刚 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘海

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081403[工学-市政工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：探地雷达 地下管线 渗漏探测 多物理场仿真 小波熵 

摘      要：根据2020年城乡建设统计年鉴数据,中国的城市公共供水管网漏损率达13.4%,与发达国家相比偏高。城市供水管网的渗漏不仅造成水资源的浪费,还会引起水土流失,造成地面塌陷,危及公共安全。而现有的管线渗漏检测方法存在效率低、适用范围有限等缺点,不足以应对目前的复杂情况。探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）法作为一种无损、高效的地球物理探测方法,在管道渗漏的检测上有良好的应用前景。但目前相关研究主要还集中在实验室中,尚缺乏在探测机理上的研究且难以在实际检测中应用。本文在已有研究的基础上进行了以下工作:（1）管道漏水会明显改变周围土体的介电常数,进而影响探地雷达图像特征。本文通过模型箱试验模拟了地下管线发生渗漏后渗漏区的变化过程,利用三维探地雷达测量了不同渗漏量下的渗漏区形状。地下水管发生渗漏后,渗漏区以渗漏点为中心向四周呈球形扩张,同时水在土体中下渗,使渗漏区逐渐发展成类蘑菇状。受渗漏区的干扰,在平行于管道采集的探地雷达图像中管道反射消失。（2）为了得到接近真实情况中地下管道渗漏后的探地雷达图像,并研究管道材质对渗漏前后的探地雷达图像特征的影响,进行了室外砂地试验。结果发现在渗漏前垂直于管道采集的探地雷达图像中,金属管只能看到管道顶部反射,而PVC管能看到管道顶部和底部的反射,且存在多次波。在地下管线渗漏后,雷达图像中出现代表渗漏区边界的反射,管道顶部反射下移且下方出现复杂震荡信号。PVC管道顶部下方的震荡信号比金属管的复杂。（3）为探究管线渗漏的探地雷达图像中震荡信号的形成机理,本文先对地下管线渗漏的渗流场进行仿真,再根据渗流场仿真的结果建立电磁场仿真模型,利用时间域有限差分法模拟地下水管渗漏前后的探地雷达图像。通过分析电磁场的波场快照和比对水管渗漏进行渗流场-电磁场耦合仿真试验的结果与实测的雷达图像,分析了电磁波的传播路径,解释了震荡信号的成因和爬行波所起的作用。（4）通过比对和分析模型箱试验、砂地试验中渗漏前后的雷达图像特征,提出基于小波熵的管道渗漏定位算法。对探地雷达信号中代表管线反射范围内数据的小波熵分析计算,发现在管道渗漏的区域出现高熵现象,并通过实测数据证明了算法有效性。