城市地下供水管线渗漏探地雷达正演模拟与解释方法应用研究

发布时间：2017-03-19 18:00

  本文关键词：城市地下供水管线渗漏探地雷达正演模拟与解释方法应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：摘要：供水管线是城市基础设施的重要组成部分,也是城市居民生活和经济发展的重要基础设施。近年来,城市供水管线由于老化、腐蚀等问题,常常引起了管道破坏漏水。供水管线的漏水不仅浪费了大量的水资源,而且严重影响人们的正常生产和生活。探地雷达作为一种无损、高效、精确的地下介质探测工具,在城市管线的病害探查中已经被广泛的采用。探地雷达的探测图像虽然能够很好的表达地下病害的特征,但是传统的数据解释只是基于反射特征的主观判断,更多的依靠于解释人员的技术和经验。针对探地雷达在市政管线方面的研究不足,提高供水管线渗漏病害的识别率,本文对探地雷达的管线渗漏病害进行了一系列的研究,开展了以下研究工作：(1)采用Geo-Studio渗流模块研究了供水管线的渗漏特点及渗漏区的分布规律；(2)利用Topp模型计算分析了渗漏区的电磁参数；(3)结合渗漏区渗流规律和渗漏区电磁参数特征,采用GprMax探地雷达正演模拟开源程序编写了模型参数,对系列的渗漏病害进行二维正演模拟,得到不同工况下的管线渗漏病害雷达图谱,总结了探地雷达图像判识过程中渗漏区图谱的典型特征；(4)借助分频技术以及道积分技术对部分雷达病害数据做了进一步的属性分析,凸显了渗漏区信号,提高了探地雷达数据的识别率。(5)最后,通过现场试验,验证了正演模拟以及探地雷达属性分析技术的有效性。通过以上研究,得到了以下结论：(1)当管道发生渗漏病害时,渗漏点周围将会形成一定范围的渗漏区域；渗漏区形态特征随着时间推移范围不断增大,且表现为的圆状形区域；渗漏区的中部为饱和的土,边缘部分属于一系列带状分布的非饱和土区域：提出了不同的土壤特性、管线直径、渗漏部位以及渗漏点的管线渗漏区的形态特征与含水量分布规律。(2)当土质为砂质土壤时,土壤介电常数和电导率与土壤的含水量的分布具有较强的相关性,本文结合相关研究,采用了Topp模型提出了土壤含水量与介电常数呈三次函数关系,并且土壤的电导率与土壤的含水量具有指数相关性。(3)从管线渗漏病害的正演模拟来看,探地雷达能够有效地反映地下管线的病害位置和泄漏程度；建立了管线渗漏病害的探地雷达标准电磁波反射模式。通过不同的模式识别,可以直观的判断管线的漏水位置,但对管线与渗漏区的刻画仍存在不足,也不能有效评价渗漏区发育程度。(4)道积分技术能够可以提高数据的整体分辨率,凸显出渗漏部位波阻抗的变化,能实现渗漏程度差异的评价；S变换的分频技术消除了其它噪音的干扰,能刻画不同频带对渗漏程度：综合两种属性分析方法可以实现管线渗漏位置、大小程度综合的刻画和判断；两种属性处理方法在正演分析和现场试验中都得到了很好的验证。综上所述,采用探地雷达正演进行管线的渗漏病害模拟,并通过两种属性技术的综合处理分析,能够比较精确地识别管线的渗漏位置和程度。该研究为管线渗漏病害的探测提供了新的探测思路。
【关键词】：探地雷达 管道渗漏 渗流模拟 正演模拟 Geo-Studio GprMax S变换的分频技术 道积分技术
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU991.38;TN959
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-17
• 1 绪论17-35
• 1.1 研究背景与研究意义17-20
• 1.2 国内外研究现状20-30
• 1.2.1 城市管网漏水原因分析20-24
• 1.2.2 探地雷达检测供水管线泄漏技术24-28
• 1.2.3 探地雷达属性技术28-30
• 1.3 研究不足30-31
• 1.4 本文创新点31
• 1.5 研究内容及技术路线31-35
• 1.5.1 研究内容及方法31-33
• 1.5.2 技术路线33-35
• 2 管线病害渗漏区形态特征与含水率分布规律研究35-53
• 2.1 管线周围土体渗流规律研究35-40
• 2.1.1 非饱和土达西定律35-37
• 2.1.2 土壤的土水特征曲线37-39
• 2.1.3 土壤的渗透系数函数39-40
• 2.2 渗漏区形态特征与含水量分布规律40-51
• 2.2.1 土体为中等渗透性土41-49
• 2.2.2 土体为强渗透性土49-51
• 2.3 小结51-53
• 3 探地雷达探测管线渗漏区病害原理及电磁参数特性53-61
• 3.1 探地雷达探测管线渗漏原理53-57
• 3.1.1 工作原理53-55
• 3.1.2 探地雷达的工作方式55-56
• 3.1.3 探地雷达分辨率56-57
• 3.2 渗漏区的电磁属性分析57-60
• 3.2.1 渗漏区的基本电磁参数57-59
• 3.2.2 渗漏区土壤含水量与电磁参数函数关系59-60
• 3.3 小结60-61
• 4 基于GPRMAX的管线渗漏病害正演模拟61-97
• 4.1 时域有限差分法(FDTD)基本理论61-67
• 4.1.1 FDTD基本方程62-64
• 4.1.2 解的稳定性和数值色散64-65
• 4.1.3 激励源65-66
• 4.1.4 吸收边界条件66-67
• 4.2 管线渗漏病害的二维正演模拟67-69
• 4.2.1 GprMax的探地雷达正演模拟软件67-68
• 4.2.2 正演模型建立68-69
• 4.3 正演模拟结果69-95
• 4.3.1 管线无渗漏情况下的正演模拟69-71
• 4.3.2 不同管线材质对管线病害探测的影响71-72
• 4.3.3 DN=200mm小管线渗漏正演模拟72-82
• 4.3.4 DN=1000mm大管线渗漏正演模拟82-95
• 4.4 小结95-97
• 5 管线渗漏病害的电磁波属性分析97-107
• 5.1 电磁波属性分析方法与应用97-100
• 5.1.1 道积分(相对波阻抗)的原理98
• 5.1.2 S变换的分频技术理论98-100
• 5.2 管线渗漏病害的道积分属性解释100-103
• 5.2.1 PVC管线渗漏100-102
• 5.2.2 金属管线渗漏102-103
• 5.3 管线渗漏病害的S变换分频解释103-106
• 5.3.1 PVC管线渗漏103-105
• 5.3.2 金属管线渗漏105-106
• 5.4 小结106-107
• 6 探地雷达管线渗漏病害的试验方法应用研究107-123
• 6.1 工程条件107-108
• 6.2 试验过程108-111
• 6.2.1 试验设备108
• 6.2.2 管材选取及渗漏条件108-109
• 6.2.3 管线基础开挖与回填109-110
• 6.2.4 测线布置110-111
• 6.3 探测结果分析111-115
• 6.3.1 PVC管111-113
• 6.3.2 钢管113-115
• 6.4 电磁波属性分析115-121
• 6.4.1 PVC管115-118
• 6.4.2 钢管118-121
• 6.5 小结121-123
• 7 结论与展望123-127
• 7.1 结论123-124
• 7.2 展望124-127
• 参考文献127-133
• 作者简历及攻读硕士期间取得的研究成果133-137
• 学位论文数据集137

【参考文献】

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本文编号：256317