基于gprMax正演分析的道路质量与病害探地雷达探测

丁文蔷,麻昌英,2*,赵文学,闫玲玲

(1.东华理工大学地球物理与测控技术学院,330013,南昌;2.江西省防震减灾与工程地质灾害探测工程研究中心,330013,南昌)

0 引言

近年来,城市道路勘察中越来越多地应用高密度电法、地震映像法、瞬变电磁法等物探方法。然而,在许多情况下,这些方法无法有效应用于沥青、混凝土路面以及车流量大的狭窄场地。探地雷达作为一种具有高分辨率、高效率和无损探测等特点的技术,从1904年Huelsmeye[1]首次将电磁波信号应用于地下金属体的探测起,逐渐发展成系统化的技术。与传统地球物理探测方法相比,探地雷达在道路探测方面具有天然的优势[2-3]。然而,我国的公路建设快速发展,城市化进程加速,地下空间利用需求不断增加。地下管线作为城市基础设施的重要组成部分,对城市的生存和发展至关重要[4]。随着城市道路质量问题日益突出,尤其是道路塌陷问题,由于地下空洞引起,具有隐蔽性、突发性、群发性和多因素性,成为城市道路安全治理的重点和难点。因此,准确高效地进行探测对于道路的养护和维护至关重要[5]。同时,本研究在国内外的研究现状中发现,目前对于基于GPR的道路质量与病害探测的研究还相对较少,现有研究主要集中在其他物探方法的应用上,对于基于GPR的道路质量与病害探测的研究尚未充分展开。此外,现有研究存在一些问题,如探测精度不高、解释分析方法不够完善等,这些问题限制了道路质量与病害探测的准确性和可靠性。

针对以上问题,本研究以探地雷达方法为基础,利用gprMax数值模拟软件,针对城市道路病害的不同类型建立了管线材质、钢筋、空洞和疏松体等异常模型,并进行了正演模拟。同时,结合南昌市实际采集的道路探地雷达数据,旨在指导城市道路病害的质量评价,并进一步识别可能存在的病害类型。对于解决城市道路安全问题、改善道路质量与病害探测的准确性具有重要意义。此外,对于基于GPR的道路质量与病害探测的研究现状进行了梳理,并突出了本文的创新点,填补了相关研究领域的空白。

1 探地雷达方法技术与gprMax数值模拟软件

探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR),是一种非破坏性的地球物理电磁方法,能够有效探测地表之下的物体或结构,其工作原理是向目标介质体发射短脉冲的高频无线电波[4]。天线通过发射电磁波,根据高频脉冲电磁波在地下介质中传播的特性,利用不同介质之间的介电特性,对地下介质界面的反射波进行记录,判断出地下病害的位置、范围、大小、深度等情况。

gprMax是模拟电磁波传播的开源软件,通过使用FDTD的方法数值建模与PML边界吸收条件用来模拟电磁波传播。本文利用gprMax数值模拟软件建立正演模型,如地下管线、空洞、疏松体模型。通过合理设置材料的介电特性,主要是相对介电常数,电导率等参数。常见材料的介电特性通常基于其对电磁波的响应和相互作用来确定。介电特性描述了材料对电磁波的导电、介电和磁性等性质的响应[6-10]。以此编写不同病害类型模型的in文件,输入指定文件命令获得B-scan图像,即雷达正演二维剖面。将程序生成的.vti文件通过paraview软件可视化雷达正演几何模型。常见材料的介电特性见表1。正演模拟流程,如图1所示。

图1 正演模拟流程图

表1 常见材料的介电特性

1.1 模型正演模拟

1.1.1 管线正演模拟 采用圆柱体数学模型来模拟目标体的电磁响应特性。模型的域大小为0.5 m×0.25 m,其中采用了Ricker波作为发射天线波。空间离散度设置为0.002,时间窗口大小为6e-9 s。在模拟过程中,接收器以0.005 m的步长进行移动,并进行了70次迭代。

目标体被埋深约为0.07 m,半径为0.02 m。其介电常数为3,电导率为1e-8 S/m,相对磁导率为1。目标体的电磁响应特征呈现双曲线形状[11]。具体波形为负波,并具有正值的反射系数,符合塑料管线模型的特征。其正演几何模型与雷达剖面图,如图2所示。

图2 管线正演几何模型与雷达剖面图

1.1.2 钢筋正演模拟 采用多组圆柱体数学模型来模拟目标体的电磁响应特性。模型的域大小为4 m×2 m,发射天线波采用Ricker波。空间离散度设置为0.002 5,时间窗口大小为3e-8 s。在模拟过程中,接收器以0.02 m的步长进行移动,并进行了170次迭代。

目标体的埋深约为 1 m,半径为0.09 m。目标介质体的介电常数为1,电导率为106 S/m,相对磁导率为1。目标体的电磁响应特征呈现连续的双曲线形状。具体波形为正波,并具有负值的反射系数,符合钢筋模型的特征。其正演几何模型与雷达剖面图,如图3所示。

图3 钢筋正演几何模型与雷达剖面图

1.1.3 空洞正演模拟 采用正交平行四边形和圆柱数学模型来模拟矩形和圆形空洞的电磁响应特性。模型的域大小均为3 m×2 m,发射天线波采用Ricker波。空间离散度设置为0.002 5,时间窗口大小为3e-8 s。在模拟过程中,接收器以0.02 m的步长进行移动,并进行了100次迭代。

目标体的埋深约为0.65 m。目标介质体的介电常数为6,电导率为0.01 S/m,相对磁导率为1。根据图4和图5所示,空洞的电磁响应特征表现为双曲线或梯形响应。圆形空洞的响应特征呈现范围较大的双曲线,而矩形空洞的响应特征近似梯形反射,并且反射波有叠加现象。根据经验,脱空层中可能含有空气或水。如波形为负波,则说明反射系数为正值,表明脱空层中充填空气。反之,如果波形为正波,则脱空层中充填水。其正演几何模型与雷达剖面图如图4、5所示。

图4 矩形空洞正演几何模型与雷达剖面图

图5 圆形空洞正演几何模型与雷达剖面图

1.1.4 疏松体正演模拟 采用多组正交平行四边形数学模型相互叠加来模拟多个叠加模型体的电磁响应特性。模型的域大小为1.25 m×0.45 m,发射天线波采用Ricker波。空间离散度设置为0.001,时间窗口大小为2e-8 s。在模拟过程中,接收器以0.01 m的步长进行移动,并进行了90次迭代。

目标体为多个叠加模型体,根据反射系数的概念,模型的介电常数、埋深和分布的差异会导致不同的反射现象,可能形成疏松体。目标介质体的介电常数分别为6、4、10和81,电导率均为0.01 S/m,相对磁导率均为1。根据图6所示,地下疏松体的电磁响应特征表现为双曲线叠加响应,局部区域可能还会出现强烈的响应特征。其正演几何模型与雷达剖面图如图6所示。

图6 疏松体正演几何模型与雷达剖面图

2 探地雷达道路质量检测与病害探测

2.1 工区概述与测线布置

本实验地点在南昌市经开区某处道路,使用GSSISIR-30仪器进行公路病害探测。实验共铺设测线3条,如图7所示。其中每条测线长50 m,测线L1自北往南方向扫描,测线L2、L3自南往北方向扫描。探测速度约为0.3～0.4 m/s。天线的中心频率为400 MHz,扫描速率为150/s,采样点数为512,采样叠加次数为2,并以5 m为间隔进行MARK标记。采用RADAN7软件“时间零点校正、距离归一化、增益调整、背景噪声去除”等处理后,将实测数据生成的雷达剖面图与gprMax正演生成的雷达响应图相对比进行道路质量综合评价[12-14]。测线L1、L2、L3扫描后得到的雷达剖面图,分别如图8～图11所示。

图7 测线布置图

图8 测线L1雷达剖面图

2.2 实验结果与分析

测线L1雷达实测剖面图如图8所示。由图8可知,在水平位置0～32 m之间存在连续的双曲线反应,反射波明显,反射能力较强[15-16]。根据图3钢筋的正演雷达响应特征且管线的“双曲线”为正波,可推测其为连续分布的钢筋。水平位置32～50 m之间存在无明显的双曲线反应,钢筋的雷达响应特征不明显。结合增益后的雷达图像如图9所示,该区域公路路面下无钢筋,推测该段道路施工时可能未铺设钢筋。结合实际道路情况,经实地查看及综合分析,其测线L1公路32～50 m区域内可能缺少或无钢筋。

图9 增益后测线L1雷达剖面图

测线L2的雷达剖面图如图10所示。由图10可知,在水平位置15～20 m区域内蓝框部分根据图4矩形空洞的正演雷达响应特征推断其为脱空层,由雷达反射系数可判断蓝框区域中波形为正波,推断该脱空层可能含水[17-18]。水平位置26～28 m区域内及47～49 m处的紫框部分为工区实际现场排水沟所反应的雷达响应图。水平位置28～34 m区域内红框部分推断为管线。区域内管线的“双曲线”为负波,推断该管线为塑料管。水平位置4～15 m;40～45 m区域内绿框和红框部分存在同相轴错乱、不连续、甚至断开的现象。推测此处可能由于多次挖掘,回填覆土导致压实程度差。结合图4～图6的雷达响应特征,推测该区域地下可能含有各种管线与细小孔隙层或者空洞,存在疏松,导致电磁波信号发生多次反射叠加形成。

图10 测线L2雷达剖面图

测线L3的雷达实测剖面图如图11所示。由图11可知,在水平位置1～12 m红框区域的雷达响应特征与图3的正演模拟结果相似,为钢筋的双曲线特征表现。由于该区域频率较大,分辨率低,因此钢筋的反射效果不明显[19]。水平位置16～26 m蓝框区域位于管线下方的地层界面反射同相轴发生间断,这是由于电磁波信号穿过上方管线时的衰减严重,导致管线下方的地层分界面的电磁波反射信号较弱,可能存在地层变形,推测该区域曾被开挖填埋管线。且有连续混乱的双曲线特征反映,上面地层向下突起,推断其因挖掘填埋管线后掩埋压实不均匀所造成。水平位置17～20 m左侧黄框区域内的雷达响应特征与图2管线的正演模拟结果相似,“双曲线”为负波,该管线为塑料管。水平位置32～39 m右侧黄框区域内的雷达响应特征与图2、图5的正演模拟结果相似,其中“双曲线”为负波,反射系数为正。推测其异常响应可能为半径较大的塑料管线或圆形空洞隐患。

图11 测线L3雷达剖面图

结合雷达实测结果及相关道路实际情况,测线L1、L2及L3的综合道路评价见表2。测线L1实际路面情况良好,路面下可能存在钢筋缺失。测线L2实际路面情况较好,路面上存在很多排水沟和一处阴井。且路面风化程度较差,路面有磨损情况。根据生成的雷达剖面图进行分析推测,地下推测阴井处和管线附近可能存在脱空层。测线L3路面情况一般,但由于存在很多排水沟,路面风化程度严重,有一定的磨损情况。地下可能存在较多管线,地层出现间断,空洞[20-22]。

表2 道路实际情况综合分析

综上所述,基于gprMax的道路病害正演模型,通过对其正演模拟结果特点进行剖析,可有效指导实际GPR数据的解译分析,使得GPR实际数据对道路质量评价更真实,病害探测更有指导依据。

3 结论

本文针对道路常见病害类型,使用gprMax软件进行地球物理正演建模[23]并与实际采集数据相结合。对不同类型的城市道路病害探地雷达响应特征进行研究分析,将数值模拟生成的B-scan图与实测数据生成的剖面图有效结合,指导实际道路病害探测。主要得出如下结论。

1)探地雷达检测技术能够准确探测道路下面是否存在脱空、疏松、钢筋等分布。

2)对实际探地雷达生成的剖面图进行解释时,主要依赖检测人员的经验,分析结果主观性较强,存在人工识别效率低、主观因素强、客观因素复杂繁多等特点。特别是地下结构复杂时,探地雷达道路检测存在较大精度差异,不同病害识别和区分难度较大。

3)结合gprMax软件对不同道路病害模型正演模拟结果响应和结果的分析与特点,可有效指导实际GPR数据道路病害探测解释与解译分析,使得道路质量与病害GPR探测数据解释更加可靠,更加精确。