漏水檢測在檢測地下自來水管漏水的過程中使用了各種儀器和工具，人們常常對各種儀器和工具的功能和操作方法倍加關注，而對檢測過程中所應用的數學和物理過程缺少理解或關注不足。本文就這一問題談談自己的體會，以供參考。
漏水檢測要解決的問題，可歸結為兩個問題：一是有無漏水；二是漏在何處。解決這兩個問題的方法也可歸結為兩個方面：一是定性分析供水過程中各相關物理量的變化，了解如果發(fā)生漏水，將會引起那些異常；二是定量測量這些物理量變化的大小，或相互關系，從而確認漏點所在位置。
一.管網狀態(tài)參數分析。
現在先用一段簡化了的供水管網來看看有哪些相關的物理量及其相互關系，然后逐步深入探討在漏水過程中引發(fā)的問題。（見圖一）
圖一

在管網上加入壓力水后，可能處于三種狀態(tài)：
1.充滿水但無用戶用水，也無漏點，管中水處于靜壓狀態(tài)。
2.正常供水過程，各分支管均有用戶，水在管中有流動。
3.正常供水過程，除用戶用水外，發(fā)生某處嚴重漏水。
現在對應這三種狀態(tài)下，分析管中的壓力，流速，流量的情況。
對應1：管網中的自來水猶如裝滿壓力水的連通器。水是液體，有不可壓縮性。它會均勻傳遞壓強，如不計水管中靜壓的高度差，則水管中水壓處處相等，流速處處為零，當然某時間內的流量也為零。
對應2：正常供水過程中，設管截面為S，流量為Q，流速為V,壓強為P。則主管截面為Sa，各分支管截面分別為Sb,Sc,Sd。在同一時段內，流入主管的流量，等于各分支流量之和，即Qa=Qb＋Qc＋Qd。Sa×Va=Sb×Vb+Sc×Vc+Sd×Vd。相應各處的壓力，一般會從流入端向流出端相應逐步遞減，并在不同管徑處因以流體力學中伯努利原理引起的流速增大，側壓減少的趨勢而變化。了解正常供水過程中管網各點物理量的正常狀態(tài)是分析發(fā)生異常的基礎。
對應3：發(fā)生漏水的情況，分三種情況，（1）如漏水不嚴重，相當于增加某一用戶連續(xù)用水，基本不影響供水過程。一般是無效供水量略有增加，對其他用戶不受影響。（2）較嚴重的漏水，例如在圖中bc分支間有一較大的漏水口e，若總供水能力充分，則Va增加，Pb下降，Vb下降。e點引起壓降，e點以下管路壓力下降，供水能力減低?？偣┧縌a上升，各分支供水能力下降，無效供水量增加。（3）超嚴重漏水的情況下，如e處斷裂，斷前的管線失壓嚴重，斷后管線完全失壓。
如果在管網上有足夠多的可控閥門，管網上在相應分支管上均有壓力表、流量表。則通過逐段關閉閥門，觀察流量表，壓力表的讀數變化，可以確定漏點所在的區(qū)段。由于任何一個正常供水區(qū)間均應存在流入量等于流出量的規(guī)律，也就是通常所說的總表計量（流量計）應為下屬的各分表的計量總和。如果這個總和關系成立，而仍有嚴重漏失，則漏失必不在這些總表和分表之間的管線區(qū)段；如果因關閉某一分支管后而供水過程正常，那漏點肯定在此被關閉的分支管區(qū)間內。這種邏輯的推斷運用，就是區(qū)域裝表法測漏的基礎。
應用實例：二橋水廠漏水實例分析
圖二
1994年夏季，揚州市東郊二橋水廠的一次實測情況：由橋東水廠經橋上明管向西供應居住區(qū)，住戶已無用水。橋西頭有一壓力表p，顯示基本失壓。水廠人員稱橋東用戶區(qū)供水尚較正常，只是壓力較低，懷疑橋上管路堵塞。前些天已拆下水管逐一疏通，但裝好后仍無效。
筆者到現場分析，壓力表p顯示失壓，可能有兩種原因：一是橋東有大漏，因小水廠供水能力有限，供水大量流失后，無水可供入橋上管線，故失壓；二是橋西有大漏，因漏水使管中流速大增，由伯努利原理可知，流速大，壓強小，故顯示失壓。如為種情況，則橋上水管中應無過水振動；如為**種情況，管中應流速很大，必有相當大的過水聲。用傳感器接觸壓力表附近水管測聽，發(fā)現過水聲很大，所以推斷大漏在橋西。
因橋西水管先從泥草地經過，無法實施路面定點檢測。詢問得知，在D處有閥門，試關D閥門觀測，看到壓力表P水壓逐漸升至正常，推斷BD間無漏。
由D點后田間小道開始檢測，成功發(fā)現漏點所在。

二．聲振檢測分析。
聲振法（聽音法）是當前國內外實施漏水檢測的重要方法。
一般包括：
1.以機械傳聲方式的聽音法（使用工具如聽漏棒，聽漏餅等）。
2.將管道中聲振信號轉為電信號，經電子放大，頻率選擇等處理后的聽音或顯示。
3.將管道中聲振信號用兩個或兩個以上傳感器接收，并計算信號的相關性，由相關系數大小的排列確定*相關的時差，而由管速等參數計算出漏點位置。
不管使用哪種儀器，從物理學看，他們所要解決的問題，都是將漏點作為振動源，檢測漏點就是搜尋振源位置。振源是客觀的存在，振源的特性并不因為檢測的方法不同而改變，所以了解振源的特性及其振動波在管道和周圍介質中的傳播是聲振法檢測的基本問題。對一個檢漏者，他表面所做的工作，是用耳聽，用手操控儀器的各種功能鍵，觀察儀表的顯示狀態(tài)和讀數等等。實質上他在操控儀表的同時，頭腦中應相應理解各種具體操控的目的。要用什么方法更好地追尋分析所得數據所表達的物理內涵，它是否充分表示了此處出現了漏水特征，可能存在哪些問題，可能有哪些不足之處，因而更能減少各種誤判。

<振源特點>
我們來探討一下管道漏水引發(fā)振動的機理，從而了解其作為振動源的特點。1.壓力水從管道破損處沖出，在出口處激發(fā)振動，產生噴注噪聲。2.壓力水沖擊覆蓋管線周圍介質，即周圍土層和地表面，引發(fā)沖擊振動。3.壓力水沖出管道后，要尋求出處，在附近可能沖出空隙，空洞，產生水流擾動，翻滾的流動，并產生相應的聲響。由于這些機理的復雜多樣，特別在現實條件中，管道的材質不同，管徑不同，破裂管口的形式不同，噴射方向不同，水壓不同，埋層介質不同等等，均會影響漏水振動發(fā)生條件。實際檢測也證明，漏水振動是連續(xù)的但振動量有起伏變化的復雜振動。因此，漏水振動往往存在各種復雜振動頻率，從幾十赫茲到幾千赫茲都有分布。當前國內外，許多電子放大式聽漏儀，頻率覆蓋均在此范圍的原因均在此。

<將漏水振動信號作為平穩(wěn)隨機過程的相關分析>
對于一個實際管道漏點，噴射狀態(tài)必然連續(xù)，但也由于噴射狀態(tài)的擾動性，噴射振動實際為一隨機過程。由于水壓相對穩(wěn)定，在所檢測過程所對應的時間內，可將振動信號看成一個平穩(wěn)隨機過程。對于平穩(wěn)隨機過程的各種數學處理方法均可運用，相關漏水檢測儀就是運用管道上兩個不同點同時開始檢測到的振動信號，做互相關運算。并用互相關系數*高值時的時間差，計算出振源位置。為了避開隨機過程中相關函數的數學表達的困難，我們用圖三中三個圖示作簡要說明：
相關系數的概念，原本為概率論中描述兩個事件發(fā)生的關聯性，即若事件A發(fā)生，事件B也必發(fā)生；事件A不發(fā)生，事件B也必不發(fā)生。則這兩個事件發(fā)生的相關系數為1（相關系數值）；若事件A發(fā)生，與事件B的發(fā)生毫無關聯，則相關系數為0（相關系數*小值）。推而至兩個隨機過程，例如圖三a中A、B兩個傳感器同時刻開始接收的兩個振動信號，作為隨機過程，見圖三b。對應在任一時刻ti它代表了過程的所有時刻，觀察ti增大時的曲線取值變化的趨向。數學上即取此曲線在該點的斜率，或取一階導數。若ai變化趨于增大，則bi也趨于增大；ai趨于下降，bi也趨于下降。則可認為A、B兩過程相關系數為1。若ai趨于增大時，bi趨于增大的概率為90%,則相關系數為0.9等等。若ai趨于增大時，bi的趨向無規(guī)可尋，則相關系數為0。
對于由漏點O某時刻發(fā)出的振動信號，經時間tA到達傳感器A，tA=LA/V。經時間tB到達傳感器B，tB=LB/V。若LB>LA，則tB-tA=ΔtAB=（LB-LA）/V。上述關系說明經ΔtAB后，B點的信號過程將重復在A點的信號過程，如圖三b。在一般情況下，ΔtAB不能從記錄中直接觀測到，需要求助于互相關系數的計算，即將時間差每次變動一個微小量（決定于允許的誤差），計算一次兩過程的互相關系數，并將互相關系數的值對應各時間差列出，如圖三c。在圖三c中，互相關的峰值出現在Δti點，就是所求的ΔtAB。由此時間差換算出LB或LA。即求得漏點位置。

兩個被測到的振動隨機過程，由于同時刻開始測得的兩路信號并不一定是振源同時發(fā)出（除非漏點正在AB中點）。一般存在時間差ΔtAB。實際上儀器正確測得ΔtAB和確定管速V這個參數，是該相關檢漏儀性能優(yōu)良程度的關鍵。盡管相關檢漏儀的產品內部已經把上述系列運算由專用計算軟件完成，但實測時的AB間的距離L和管道中振動傳播速度V都要操作者輸入，不當的輸入會造成相應的誤差。特別是上面的圖解是理想化了的。從AB兩點測得的信號，未必僅僅是由傳播距離引起的幅值差。漏水振動信號中，還可能有從管道接頭、轉彎等處的反射貢獻，在傳播距離較長時，不同頻率的傳播速度和吸收也不同，即所謂頻散效應。這就可能造成相關系數計算時，*高值不明確，或產生多個峰值問題，就應結合實際條件去分析。以上情況，仍是在傳感器放置的條件良好，信號接收狀況良好的前提下，如布設傳感器的條件較差（我國管網狀態(tài)大都未設專用檢測點，傳感器放置在陰井或消防栓等位置，甚至難以找到合適的放置點），就會帶來檢測上的麻煩。

<關于信號強度（幅值大?。┑臏y量>
在檢測管道漏水時，一般有兩種方式，一是將傳感器（或聽漏棒等的）直接接觸管道或附屬物，稱為直接聽音法。二是在管道上方的地面上隔著介質層測聽，稱為間接聽音法。間接聽音時當傳感器在漏點正上方時，設距離為R0，（當管徑甚小于埋深時，可認為是管道深度）。當傳感器偏離正上方時，漏點至傳感器的距離為R，由于振動傳播的球面擴張，振動強度隨R2成反比，由于介質吸收和散射會引起指數衰減，強度表達式I=(I0×R02)/R2×e-βR。I0為漏點正上方即R0處的測值，β為介質對振動吸收和散射引起的衰減系數。從此式可以看出振動強度隨距離的增大而減小。在減小的因素中，球面擴張屬于能量分布的擴展，介質的吸收和散射屬于能量的耗散，對球面擴張來說，與介質無關。對于吸收和散射來說，由介質的性質來決定，對于松軟介質吸收很大，這就是隔著松軟土層不易測聽的原因。因為所測信號都是相對量的比較，在此不詳細說明各量的單位。

圖四

在管線上測聽時，可以認為振動波被壓縮于管線上傳播，沒有球面擴張問題，可用I=I0’×e-β’R表示。由于管道的吸收散射系數遠小于土層，所以管道傳聲的衰減很小，所以管道中的振動傳播距離可以很遠，甚至可達數百米。檢測者在測量振動大小的時候，實際上已抹去了振動的起伏變化，即將振動的起伏狀態(tài)平滑化。不同的檢測儀器實際使用的平滑化方法也不同。例如指針式的電表，是通過機械或電磁阻尼的方式使指針減少擺動，阻尼越大，信號形式上越穩(wěn)定。但它實際上可能已包含了許多外界振動干擾，所以人們希望在夜深人靜時去檢測而減少外界干擾。性能較優(yōu)的放大式檢漏儀，會對突發(fā)干擾進行排除，例如采用短時間的沖擊信號不予計入，或采用取樣時*小值的錄入法等等。操作者應明了其中的用意。

<關于頻率分析的測量>
頻率分析在漏水檢測中越來越顯示其重要性，一般理解有如下的幾種意義：
1.了解振動信號的構成，對判斷是否漏水振動有益。一般地說，頻譜應較為豐富，才可能是漏點，對于頻率單一的振動，一般不是漏水振動。
2.用不同的頻段檢測，可以排除外界大部分干擾。通常外界干擾偏于低頻，例如變壓器等干擾為50赫茲或60赫茲。
3．不同條件下的漏點，振動信號可能有不同的主頻段。一般來說，深度較深，距離較遠時，偏于低頻，埋層較淺，距離較近時，頻率偏高。
4.振動信號在管道傳播時，高頻成分衰減的速率比低頻成分快。對同一個漏點，測聽者聽到的高頻成分較多的情況，漏點已比較近，反之如低音很豐富，漏點較遠。對有經驗的測聽者，甚至可以用這種方法初步估測漏點的距離。使用聽漏棒或有頻率分析的電子放大式檢漏儀，應注意這種分析。

<實測技巧>
1.地面值定位的臨界值比較法。
沿管線上方路面巡測時，如發(fā)現漏水疑點，定位時要測中心值。實際上測值的大小并無意義。我們需要的是中心值的位置，而不是測值的大小。用臨界值法觀察測值的變化趨勢，可以快速定位。具體實施如下：在疑點附近放置傳感器，細心調節(jié)放大倍數，使測值指示一個臨界位置。例如光柱正好在頂端抖動。以此為比較點，稍稍使傳感器各向移位，若測值均呈下降趨勢，光柱離開頂端，則所測點已在中心值。若向某方向移動時，有上升趨勢，即光柱顯示由抖動趨于穩(wěn)定，則將傳感器移至新位，將放大倍數減小，使光柱再次呈現抖動狀態(tài)，如此反復，直至各向移均呈下降趨勢，此點即為中心值。
2.管道上高頻豐富趨向的漏點定位法。
在南京某啤酒廠，測得一漏水疑點，開挖后已暴露出管道，但未發(fā)現漏水口。用傳感器接觸管線測聽，發(fā)現偏左方向高頻成分豐富。由此推斷，漏點在左側。后向左挖0.5米后尋得漏點。
3.用相關儀初測有無漏水，即看是否存在相關峰值，再用聽漏儀或聽漏棒定點，可以發(fā)揮各種儀器的長處。
4.用直接聽音或間接聽音交叉測試，可以減少操作的辛勞，增加巡查速度。例如在浙江永嘉，街道上入戶管呈明管狀態(tài)。夜間用直接聽音法在管道上測聽，立即可知附近數十米有無漏點。僅當在管道上聽得附近有漏水疑點時，再用地面巡測定位。
這些方法，均基于對振源和振動傳播特性的理解，可見分析問題的重要性。

 

　 
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