基于GPRMax2D的地下管线精细化探测方法

doi:10.11720/wtyht.2019.1314

基于GPRMax2D的地下管线精细化探测方法

张军伟¹, 刘秉峰¹, 李雪¹, 祝全兵², 任跃勤²

1. 西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都 610500

2. 中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司,四川成都 610081

Refined detection method of underground pipeline based on GPRMax2D

ZHANG Jun-Wei¹, LIU Bing-Feng¹, LI Xue¹, ZHU Quan-Bing², REN Yue-Qin²

1. School of Geoscience and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China

2. Chengdu Hydropower Construction Engineering Co.,Ltd.,China Water Conservancy and hydropower Seventh Engineering Bureau,Chengdu 610081,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2018-09-3 修回日期: 2019-01-16 网络出版日期: 2019-04-20

基金资助:

中国电建集团铁路建设有限公司科技项目. CDDT1820170501

Received: 2018-09-3 Revised: 2019-01-16 Online: 2019-04-20

作者简介 About authors

张军伟(1980-),男,博士,副教授,硕士导师,毕业于中国铁道科学研究院,主要从事地下工程灾害预测与控制理论方面的研究与教学工作。Email:zhangjun_wei@126.com 。

摘要

探地雷达是探测地下结构及其分布规律的一种重要的浅层地球物理探测方法,具有分辨率高、无损、抗干扰能力强、结果直观等优点,在工程物探领域被广泛应用。为提高对地下管线雷达图像特征的认识,确定管线异常体的位置,提高地质雷达的解释精度,利用时域有限差分法(FDTD)对地下管线进行精细化探测,包括对管线埋深、材质、管线内充填物、管线病害等影响因素的数值模拟,以此建立地下管线正演模拟合成图库,进而指导探地雷达实际探测图像的解释工作。现场管线探测结果表明:探地雷达可准确探测出地下管线的埋设位置及运行状态,为今后的维修养护提供了依据。

关键词： 探地雷达 ; 正演模拟 ; GPRMax2D ; 管线探测

Abstract

Ground penetrating radar (GPR) is an important shallow geophysical detection method for detecting underground structures and their distribution regularity.It has the advantages of high resolution,non-destructiion,strong anti-interference capability and intuitive results,and is widely used in the field of engineering geophysical exploration.In order to improve the understanding of the characteristics of the underground pipeline radar image,determine the location of the abnormal body of pipeline,and improve the interpretation precision of GPR,the authors used FDTD method to detect the underground pipeline,which includes the numerical simulation of the factors affecting the depth of pipeline,material,filling material and pipeline disease.On such a basis,a forward modeling synthetic library of underground pipelines was established to guide the interpretation of the ground-penetrating radar images.The field pipeline detection results show that the ground penetrating radar can accurately detect the buried position and operation status of underground pipelines,and provide a basis for future maintenance.

Keywords： ground penetrating radar ; forward simulation ; GPRMax2D ; pipeline detection

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本文引用格式

张军伟, 刘秉峰, 李雪, 祝全兵, 任跃勤. 基于GPRMax2D的地下管线精细化探测方法. 物探与化探[J], 2019, 43(2): 435-440 doi:10.11720/wtyht.2019.1314

ZHANG Jun-Wei, LIU Bing-Feng, LI Xue, ZHU Quan-Bing, REN Yue-Qin. Refined detection method of underground pipeline based on GPRMax2D. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(2): 435-440 doi:10.11720/wtyht.2019.1314

0 引言

近年来我国城市化进程迅猛发展,房屋高层化、交通立体化以及市政管线密集化已经成为现代城市3个重要特征^[1]。地下管线作为城市的生命线,为城市输送养料,与人民的生产生活密切相关^[2]。然而,由于许多城市在规划之初未能形成科学合理的地下管网设计方案,并且埋设的地下管线多使用铸铁管或者流量较小的砼管,长年积累下来,这些管道容易腐蚀老化,加之路面开挖、隧道施工扰动岩土体,极易造成管道破裂并发生渗漏,渗水带走周围土壤,造成土质疏松,进而路面承重能力下降,待到一定程度,形成地下空洞,发生路面塌陷^[3,4]。若能在病害发展成重大灾害之前及时发现并采取补救措施,则可将损害降到最低。然而现阶段我国对市政工程的监测手段主要依靠人工巡视、市民举报等途径,手段落后,发现时为时已晚且整治困难。

物探技术的蓬勃发展为地下管线病害探测提供了新思路。在众多物探技术中,探地雷达具有分辨率高、图像直观、操作便捷、无损测试、对施工作业干扰小等优点,应用范围日益广泛^[5,6,7,8,9],主要表现在:地下水污染探测、工程地质勘探、隧道衬砌质量检测、超前地质预报、采矿工程、冰川雪地探测等诸多领域^[10,11]。探地雷达探测成果是时间剖面图,对于复杂时间剖面图的解释工作通常要求大量试验来相互验证,而现场试验常常受到各种条件限制,同时,由于工程技术人员在知识结构和认知上的差异,评价结果往往带有很大的主观性,对雷达图像的判释结果常常出现分歧,甚至缺乏清晰的判别依据^[12,13]。

针对上述难题,以下研究内容从探地雷达工作原理与GPRMax2D正演模拟原理出发,通过GPRMax2D程序和MATLAB软件进行正演数值模拟,探讨管线材质、埋深、管道内不同物质、管道病害与探地雷达反射响应特征之间的关系,并结合工程探测实例进行对比说明,有助于雷达资料的判断和解释,为城市各类市政施工提供参考。

1 基本原理

1.1 探地雷达基本原理

探地雷达(ground penetrating radar,简称GPR)是一种用于确定地下结构及其分布规律的广谱电磁技术,其工作过程是:通过发射天线将宽频带短脉冲的电磁波发射到地下介质中,当电磁波遇到目标体(岩土体、空洞等)或介电常数存在差异的分界面时,就会发生反射与折射现象,反射回来的电磁能量被接收天线接收,而折射的电磁能量则会穿过该层分界面继续向下传播,在更深分界面上继续产生反射和折射现象,直至电磁能量被地下介质全部吸收。反射回来的电磁信号由主机记录,通过分析电磁波的双程走时、震动幅度、同相轴变化等资料,可以推断出目标体的埋深、形状以及内部结构等参数,具体工作原理如图1所示。

图1

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图1 探地雷达工作原理示意

Fig.1 Working principle of ground penetrating radar

探地雷达探测环境复杂多变,导致原始探测资料中既含有有用信息,也含有各种噪声,甚至在某些情况下,噪声会将有用信息掩盖掉^[14],所以必须对接收信号实施适当处理,以改善资料的信噪比,图像处理包括消除随机噪声压制干扰,改善背景,进行自动时变增益或者控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波,进行滤波处理除去高频,突出目的体,降低背景噪声和余振影响等^[15],帮助解释人员对资料进行解释。

1.2 GPRMax2D正演原理

宏观尺度上的电磁现象均能利用Maxwell方程组进行描述。为在有限时空尺度上获得微分方程解的近似值,K S Yee^[16]于1966年提出了时域有限差分理论(finite difference time domain,简称FDTD),该方法可直接求解依赖于时间变量的Maxwell旋度方程:

(1)

\nabla \times E = - \frac{\partial B}{\partial t},

(2)

\nabla \times H = \frac{\partial D}{\partial t} + J,

(3)

\nabla \cdot B = 0,

(4)

\nabla \cdot D = q_{v} 。

式中,E、H、B和D分别是电场强度、磁场强度、磁场感应强度和电位移矢量;J为电流密度;q_v是电荷密度;t为时间。

FDTD方法通过将Maxwell方程进行差分离散,并在时空间隔上对边界电磁场数据抽样,直接模拟电磁波的时域作用过程。为了克服算法本身所导致的网格空间截断边界的非物理性电磁反射,需要在截断处设置边界条件,使得传播至边界的电磁波被吸收而不是产生反射^[17]。而GPRMax2D是以时域有限差分法(FDTD)为基础的探地雷达正演模拟工具,并可将理想匹配层(perfect match layer,简称PML)作为边界条件。GPRMax2D软件假设模拟介质在均匀且各向同性的前提下,通过引入介质的电性参数辅助Maxwell方程组求解而得到正演结果^[18]。

2 GPRMax2D正演模拟

2.1 管线—材质—埋深模型算例

本算例主要是研究不同材质(PVC、金属)的管线在不同埋深处(0.095、0.295 m)的正演模拟图像,雷达天线置于模型上边界并且从左至右完成探测扫描,采用雷克子波作为激发源。具体模型参数如表1所示,介质电性参数如表2所示。

表1 模型参数

Table 1 Model parameters

名称	参数
模型尺寸	2 m×0.5 m
天线中心频率	900 MHz
网格步长	Δx=Δy=0.0025 m
时窗	1.4×10^-8
计算步数	93
天线步长	20 mm

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表2 介质电性参数

Table 2 Dielectric parameters of media

名称	相对介电常数ε_r	导电率σ
空气	1	0
围岩1	3	0.01
围岩2	8	0.05
碎石	30	0.1
PVC管线	3	0.01
金属管线	300	10⁸
水	81	0.003

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管线—材质—埋深正演模型如图2所示,图中管线内部蓝色区域为充填的空气,FDTD正演结果如图3所示。从图中可以看出,电磁波遇到管线后会形成明显反射,其同相轴连线为一双曲线(①和③),双曲线的顶点(②和④)即为管线的埋深。金属管线与围岩的电性参数差异较大,因而其反射信号(③)明显,PVC管线与围岩的电性参数差异较小,因而其反射信号(①)较弱,并且,随着管线的埋藏深度增加,雷达波被围岩吸收,PVC管线和金属管线的反射信号均有所减弱。

图2

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图2 管线—材质—埋深正演模型

Fig.2 Forward simulation of pipeline-material-buried depth

图3

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图3 管线—材质—埋深FDTD正演结果

Fig.3 FDTD forward simulation of pipeline-material-buried depth

2.2 充水管线—材质—埋深模型算例

本算例主要是研究不同材质(PVC、金属)、不同埋深处(0.095、0.295 m)管线中充满水后的正演模拟图像,探地雷达天线置于模型上边界并且从左至右完成探测扫描,采用雷克子波作为激励源。模型参数与介电常数如表1、2所示。

充水管线—材质—埋深正演模型如图4所示,图中管线内部黄色区域为充填的水, FDTD正演结果如图5所示。图中,①和②分别为探测到的PVC管线反射和金属管线反射,均呈双曲线形状,双曲线的顶点(即③和④)即为PVC管线和金属管线的埋深。当管线内部被水充填后,在PVC管线(③)下方会形成明显的多次波(区域⑤),而在金属管线(②)下方没有明显的多次波,这主要是由于电磁波对金属材料反应较强,而对PVC材料的反应较弱,且水对电磁波的传播影响较大。

图4

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图4 充水管线—材质—埋深正演模型

Fig.4 Forward simulation of water filling pipeline-material-buried depth

图5

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图5 充水管线—材质—埋深FDTD正演结果

Fig.5 FDTD forward simulation of water filling pipeline-material-buried depth

2.3 充水管线—材质—埋深—空洞模型算例

本算例主要是研究不同材质(PVC、金属)、不同埋深(0.095、0.295 m)的充水管线渗漏形成的空洞的正演模拟图像,探地雷达天线置于模型上边界并且从左至右完成探测扫描,采用雷克子波作为激励源。模型参数与介电常数如表1、2所示。

充水管线—材质—埋深—空洞正演模型如图6所示,图中管线内部黄色区域为充填的水,管线周围蓝色区域为管道渗漏水形成的空洞,FDTD正演结果如图7所示。可以看出,矩形空洞在雷达图像上呈水平和双曲线形态(即①和②),水平特征即为矩形空洞顶部所在位置,双曲线特征为矩形空洞两侧雷达波反射所致,并且随着空洞埋深的增加,雷达波被周围岩体吸收,反射信号会有所减弱。此外,从图中还可以看出,当PVC管线充填水后,会在其下方形成明显的多次波(③)。

图6

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图6 充水管线—材质—埋深—空洞正演模型

Fig.6 Forward simulation of water filling pipeline-material-buried depth-cavity

图7

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图7 充水管线—材质—埋深—空洞FDTD正演结果

Fig.7 FDTD forward simulation of water filling pipeline-material-buried depth-cavity

2.4 充水管线—材质—埋深—渗漏模型算例

本算例研究不同材质(PVC、金属)、不同埋深(0.09、0.295 m)的充水管线渗漏时的正演模拟图像,探地雷达天线置于模型上边界并且从左至右完成探测扫描,采用雷克子波作为激励源。模型参数与介电常数如表1、2所示。

充水管线—材质—埋深—渗漏正演模型如图8所示,图中管线内部黄色区域为充填的水,管线周围黄色矩形区域为管线渗漏出的水,FDTD正演结果如图9所示。不难看出,当管线周围矩形区域内充满水后,其雷达反射图像与空洞图像相似,呈水平和双曲线形态(即①和②),且反射波随埋深的增加而减弱。但是,当矩形区域内充满水后,在PVC管线和金属管线下方均会形成多次波(即③),这是由于水的相对介电常数较高,导致电磁波发生强烈反射所致。

图8

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图8 充水管线—材质—埋深—渗漏正演模型

Fig.8 Forward simulation of water filling pipeline-material-buried depth-leakage

图9

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图9 充水管线—材质—埋深—渗漏FDTD正演结果

Fig.9 FDTD forward simulation of water filling pipeline-material-buried depth-cavity

3 工程应用

3.1 测区概况

测区一位于成都市武侯区天府立交桥下,成都轨道交通18号线(在建)正上方。由施工资料可知,在施工段,区间隧道为下坡,且开挖断面为复合地层,在该范围内受盾构施工影响范围的地下管线较多,包括污水、雨水、给水等各类市政管线。鉴于盾构隧道在复合地层中掘进时难以控制地面沉降,可能造成既有管线破损或断裂,为避免发生重大灾害事故,使用探地雷达对该区域内的地下市政管线进行探测。

测区二位于西南石油大学二期图书馆旁。鉴于成都市夏季雨量较大,为确保排水管线的正常运行,保证师生学习、生活的顺利进行,使用探地雷达对该区域内的多条水管线进行探测。从埋于路面下方的多条水管线中选取其中两条作为本次探测目标,较浅的一根约为0.3 m,较深的一根约为0.6 m。

3.2 测区一雷达探测结果与分析

本次探地雷达选用的是美国劳雷公司生产的GSSI SIR-4000型雷达,搭配使用100 MHz主频雷达天线。

雷达实测剖面图如图10所示。在10682下方(即黄圈内),雷达反射波呈双曲线形状,双曲线顶点位于地面下方约0.5 m处,且雷达波下方出现多次波(见图像右下角处放大图),结合本文中正演数值模拟结果,判断该处管线为水管线且运行正常,埋深约为0.5 m。在其下方约5 m处,反射同相轴呈近水平形状,根据工程地质资料,判断此处为粉质粘土层与砂卵石层分界面,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。

通过现场开挖对上述结论进行验证,结果表明,该处的管线确实为一水管线且未发现渗漏。探地雷达探测剖面图上的双曲线形反射波准确地指示了管线的具体位置及顶部埋深,可为工程施工提供依据。

图10

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图10 雷达实测剖面图

Fig.10 Image of GPR detection

3.3 测区二雷达探测结果与分析

本次探地雷达选用的是美国劳雷公司生产的GSSI SIR-4000型雷达,搭配使用400 MHz主频雷达天线。雷达实测剖面如图11。从图中可以看出,在x=2 m,深0.58 m处以及x=9 m,深0.3 m处,各有一道十分明显的双曲线形反射同相轴,结合正演数值模拟结果,判断这两处各有一条管线,且两条管线下方没有明显的多次波,判断这两根管线无渗漏水且管道内含水量较少。在左边一条管线上方,有大量不规则双曲线形反射信号,同相轴发生错乱、不连续甚至断开,判断这是由于回填覆土不密实,形成较多小型空洞,导致电磁波信号发生多次反射叠加形成。经验证,探测结果与实际情况基本吻合。

图11

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图11 雷达实测剖面图

Fig.11 Image of GPR detection

4 结论

管线病害检测能否成功,取决于探地雷达扫面图像的解释是否准确,由于探地雷达的探测环境复杂多变,因此,探地雷达无损检测必须遵循从已知到未知、从单一到多样、从简单到复杂的原则,通过总结归纳电磁波的传播规律,并结合基于FDTD的正演数值模拟方法,可以对地下目标体的分布形态进行准确的识别。从上述正演模拟和现场实测中不难得出以下结论:

1)随着目标体埋深的增加,电磁能量逐渐被周围岩土体吸收,目标体的反射信号减弱;

2)目标体与周围岩土体的相对介电常数差异越大,反射信号越强烈;反之,反射信号越微弱;

3)水对电磁波的传播影响较大,水的存在会导致目标体下方形成多次波。

因此,将探地雷达用于城市地下管线病害检测是可行的,可为地下管线的维修养护和后期建设工程施工提供可参考的依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

曹振

西安地铁盾构施工安全风险评估及施工灾害防控技术

[D]. 西安:西安科技大学, 2013.