基于gprMax正演分析的道路質量與病害探地雷達探測

丁文薔,麻昌英,2*,趙文學,閆玲玲

(1.東華理工大學地球物理與測控技術學院,330013,南昌;2.江西省防震減災與工程地質災害探測工程研究中心,330013,南昌)

0 引言

近年來,城市道路勘察中越來越多地應用高密度電法、地震映像法、瞬變電磁法等物探方法。然而,在許多情況下,這些方法無法有效應用于瀝青、混凝土路面以及車流量大的狹窄場地。探地雷達作為一種具有高分辨率、高效率和無損探測等特點的技術,從1904年Huelsmeye[1]首次將電磁波信號應用于地下金屬體的探測起,逐漸發展成系統化的技術。與傳統地球物理探測方法相比,探地雷達在道路探測方面具有天然的優勢[2-3]。然而,我國的公路建設快速發展,城市化進程加速,地下空間利用需求不斷增加。地下管線作為城市基礎設施的重要組成部分,對城市的生存和發展至關重要[4]。隨著城市道路質量問題日益突出,尤其是道路塌陷問題,由于地下空洞引起,具有隱蔽性、突發性、群發性和多因素性,成為城市道路安全治理的重點和難點。因此,準確高效地進行探測對于道路的養護和維護至關重要[5]。同時,本研究在國內外的研究現狀中發現,目前對于基于GPR的道路質量與病害探測的研究還相對較少,現有研究主要集中在其他物探方法的應用上,對于基于GPR的道路質量與病害探測的研究尚未充分展開。此外,現有研究存在一些問題,如探測精度不高、解釋分析方法不夠完善等,這些問題限制了道路質量與病害探測的準確性和可靠性。

針對以上問題,本研究以探地雷達方法為基礎,利用gprMax數值模擬軟件,針對城市道路病害的不同類型建立了管線材質、鋼筋、空洞和疏松體等異常模型,并進行了正演模擬。同時,結合南昌市實際采集的道路探地雷達數據,旨在指導城市道路病害的質量評價,并進一步識別可能存在的病害類型。對于解決城市道路安全問題、改善道路質量與病害探測的準確性具有重要意義。此外,對于基于GPR的道路質量與病害探測的研究現狀進行了梳理,并突出了本文的創新點,填補了相關研究領域的空白。

1 探地雷達方法技術與gprMax數值模擬軟件

探地雷達(Ground Penetrating Radar,GPR),是一種非破壞性的地球物理電磁方法,能夠有效探測地表之下的物體或結構,其工作原理是向目標介質體發射短脈沖的高頻無線電波[4]。天線通過發射電磁波,根據高頻脈沖電磁波在地下介質中傳播的特性,利用不同介質之間的介電特性,對地下介質界面的反射波進行記錄,判斷出地下病害的位置、范圍、大小、深度等情況。

gprMax是模擬電磁波傳播的開源軟件,通過使用FDTD的方法數值建模與PML邊界吸收條件用來模擬電磁波傳播。本文利用gprMax數值模擬軟件建立正演模型,如地下管線、空洞、疏松體模型。通過合理設置材料的介電特性,主要是相對介電常數,電導率等參數。常見材料的介電特性通?；谄鋵﹄姶挪ǖ捻憫拖嗷プ饔脕泶_定。介電特性描述了材料對電磁波的導電、介電和磁性等性質的響應[6-10]。以此編寫不同病害類型模型的in文件,輸入指定文件命令獲得B-scan圖像,即雷達正演二維剖面。將程序生成的.vti文件通過paraview軟件可視化雷達正演幾何模型。常見材料的介電特性見表1。正演模擬流程,如圖1所示。

圖1 正演模擬流程圖

表1 常見材料的介電特性

1.1 模型正演模擬

1.1.1 管線正演模擬 采用圓柱體數學模型來模擬目標體的電磁響應特性。模型的域大小為0.5 m×0.25 m,其中采用了Ricker波作為發射天線波?？臻g離散度設置為0.002,時間窗口大小為6e-9 s。在模擬過程中,接收器以0.005 m的步長進行移動,并進行了70次迭代。

目標體被埋深約為0.07 m,半徑為0.02 m。其介電常數為3,電導率為1e-8 S/m,相對磁導率為1。目標體的電磁響應特征呈現雙曲線形狀[11]。具體波形為負波,并具有正值的反射系數,符合塑料管線模型的特征。其正演幾何模型與雷達剖面圖,如圖2所示。

圖2 管線正演幾何模型與雷達剖面圖

1.1.2 鋼筋正演模擬 采用多組圓柱體數學模型來模擬目標體的電磁響應特性。模型的域大小為4 m×2 m,發射天線波采用Ricker波?？臻g離散度設置為0.002 5,時間窗口大小為3e-8 s。在模擬過程中,接收器以0.02 m的步長進行移動,并進行了170次迭代。

目標體的埋深約為 1 m,半徑為0.09 m。目標介質體的介電常數為1,電導率為106 S/m,相對磁導率為1。目標體的電磁響應特征呈現連續的雙曲線形狀。具體波形為正波,并具有負值的反射系數,符合鋼筋模型的特征。其正演幾何模型與雷達剖面圖,如圖3所示。

圖3 鋼筋正演幾何模型與雷達剖面圖

1.1.3 空洞正演模擬 采用正交平行四邊形和圓柱數學模型來模擬矩形和圓形空洞的電磁響應特性。模型的域大小均為3 m×2 m,發射天線波采用Ricker波?？臻g離散度設置為0.002 5,時間窗口大小為3e-8 s。在模擬過程中,接收器以0.02 m的步長進行移動,并進行了100次迭代。

目標體的埋深約為0.65 m。目標介質體的介電常數為6,電導率為0.01 S/m,相對磁導率為1。根據圖4和圖5所示,空洞的電磁響應特征表現為雙曲線或梯形響應。圓形空洞的響應特征呈現范圍較大的雙曲線,而矩形空洞的響應特征近似梯形反射,并且反射波有疊加現象。根據經驗,脫空層中可能含有空氣或水。如波形為負波,則說明反射系數為正值,表明脫空層中充填空氣。反之,如果波形為正波,則脫空層中充填水。其正演幾何模型與雷達剖面圖如圖4、5所示。

圖4 矩形空洞正演幾何模型與雷達剖面圖

圖5 圓形空洞正演幾何模型與雷達剖面圖

1.1.4 疏松體正演模擬 采用多組正交平行四邊形數學模型相互疊加來模擬多個疊加模型體的電磁響應特性。模型的域大小為1.25 m×0.45 m,發射天線波采用Ricker波?？臻g離散度設置為0.001,時間窗口大小為2e-8 s。在模擬過程中,接收器以0.01 m的步長進行移動,并進行了90次迭代。

目標體為多個疊加模型體,根據反射系數的概念,模型的介電常數、埋深和分布的差異會導致不同的反射現象,可能形成疏松體。目標介質體的介電常數分別為6、4、10和81,電導率均為0.01 S/m,相對磁導率均為1。根據圖6所示,地下疏松體的電磁響應特征表現為雙曲線疊加響應,局部區域可能還會出現強烈的響應特征。其正演幾何模型與雷達剖面圖如圖6所示。

圖6 疏松體正演幾何模型與雷達剖面圖

2 探地雷達道路質量檢測與病害探測

2.1 工區概述與測線布置

本實驗地點在南昌市經開區某處道路,使用GSSISIR-30儀器進行公路病害探測。實驗共鋪設測線3條,如圖7所示。其中每條測線長50 m,測線L1自北往南方向掃描,測線L2、L3自南往北方向掃描。探測速度約為0.3～0.4 m/s。天線的中心頻率為400 MHz,掃描速率為150/s,采樣點數為512,采樣疊加次數為2,并以5 m為間隔進行MARK標記。采用RADAN7軟件“時間零點校正、距離歸一化、增益調整、背景噪聲去除”等處理后,將實測數據生成的雷達剖面圖與gprMax正演生成的雷達響應圖相對比進行道路質量綜合評價[12-14]。測線L1、L2、L3掃描后得到的雷達剖面圖,分別如圖8～圖11所示。

圖7 測線布置圖

圖8 測線L1雷達剖面圖

2.2 實驗結果與分析

測線L1雷達實測剖面圖如圖8所示。由圖8可知,在水平位置0～32 m之間存在連續的雙曲線反應,反射波明顯,反射能力較強[15-16]。根據圖3鋼筋的正演雷達響應特征且管線的“雙曲線”為正波,可推測其為連續分布的鋼筋。水平位置32～50 m之間存在無明顯的雙曲線反應,鋼筋的雷達響應特征不明顯。結合增益后的雷達圖像如圖9所示,該區域公路路面下無鋼筋,推測該段道路施工時可能未鋪設鋼筋。結合實際道路情況,經實地查看及綜合分析,其測線L1公路32～50 m區域內可能缺少或無鋼筋。

圖9 增益后測線L1雷達剖面圖

測線L2的雷達剖面圖如圖10所示。由圖10可知,在水平位置15～20 m區域內藍框部分根據圖4矩形空洞的正演雷達響應特征推斷其為脫空層,由雷達反射系數可判斷藍框區域中波形為正波,推斷該脫空層可能含水[17-18]。水平位置26～28 m區域內及47～49 m處的紫框部分為工區實際現場排水溝所反應的雷達響應圖。水平位置28～34 m區域內紅框部分推斷為管線。區域內管線的“雙曲線”為負波,推斷該管線為塑料管。水平位置4～15 m;40～45 m區域內綠框和紅框部分存在同相軸錯亂、不連續、甚至斷開的現象。推測此處可能由于多次挖掘,回填覆土導致壓實程度差。結合圖4～圖6的雷達響應特征,推測該區域地下可能含有各種管線與細小孔隙層或者空洞,存在疏松,導致電磁波信號發生多次反射疊加形成。

圖10 測線L2雷達剖面圖

測線L3的雷達實測剖面圖如圖11所示。由圖11可知,在水平位置1～12 m紅框區域的雷達響應特征與圖3的正演模擬結果相似,為鋼筋的雙曲線特征表現。由于該區域頻率較大,分辨率低,因此鋼筋的反射效果不明顯[19]。水平位置16～26 m藍框區域位于管線下方的地層界面反射同相軸發生間斷,這是由于電磁波信號穿過上方管線時的衰減嚴重,導致管線下方的地層分界面的電磁波反射信號較弱,可能存在地層變形,推測該區域曾被開挖填埋管線。且有連續混亂的雙曲線特征反映,上面地層向下突起,推斷其因挖掘填埋管線后掩埋壓實不均勻所造成。水平位置17～20 m左側黃框區域內的雷達響應特征與圖2管線的正演模擬結果相似,“雙曲線”為負波,該管線為塑料管。水平位置32～39 m右側黃框區域內的雷達響應特征與圖2、圖5的正演模擬結果相似,其中“雙曲線”為負波,反射系數為正。推測其異常響應可能為半徑較大的塑料管線或圓形空洞隱患。

圖11 測線L3雷達剖面圖

結合雷達實測結果及相關道路實際情況,測線L1、L2及L3的綜合道路評價見表2。測線L1實際路面情況良好,路面下可能存在鋼筋缺失。測線L2實際路面情況較好,路面上存在很多排水溝和一處陰井。且路面風化程度較差,路面有磨損情況。根據生成的雷達剖面圖進行分析推測,地下推測陰井處和管線附近可能存在脫空層。測線L3路面情況一般,但由于存在很多排水溝,路面風化程度嚴重,有一定的磨損情況。地下可能存在較多管線,地層出現間斷,空洞[20-22]。

表2 道路實際情況綜合分析

綜上所述,基于gprMax的道路病害正演模型,通過對其正演模擬結果特點進行剖析,可有效指導實際GPR數據的解譯分析,使得GPR實際數據對道路質量評價更真實,病害探測更有指導依據。

3 結論

本文針對道路常見病害類型,使用gprMax軟件進行地球物理正演建模[23]并與實際采集數據相結合。對不同類型的城市道路病害探地雷達響應特征進行研究分析,將數值模擬生成的B-scan圖與實測數據生成的剖面圖有效結合,指導實際道路病害探測。主要得出如下結論。

1)探地雷達檢測技術能夠準確探測道路下面是否存在脫空、疏松、鋼筋等分布。

2)對實際探地雷達生成的剖面圖進行解釋時,主要依賴檢測人員的經驗,分析結果主觀性較強,存在人工識別效率低、主觀因素強、客觀因素復雜繁多等特點。特別是地下結構復雜時,探地雷達道路檢測存在較大精度差異,不同病害識別和區分難度較大。

3)結合gprMax軟件對不同道路病害模型正演模擬結果響應和結果的分析與特點,可有效指導實際GPR數據道路病害探測解釋與解譯分析,使得道路質量與病害GPR探測數據解釋更加可靠,更加精確。