摘要 摘 要：通过建立相关的物理模型, 采用计算机数值模拟的方式对处于不同介质环境中和处于不同分布形态的地下目标体进行正演成像研究, 利用理论分析结论在具体工程案例中对目标体
摘 要：通过建立相关的物理模型, 采用计算机数值模拟的方式对处于不同介质环境中和处于不同分布形态的地下目标体进行正演成像研究, 利用理论分析结论在具体工程案例中对目标体进行探测。结果表明, 当目标体处于介电常数相对较大的介质中时, 地质雷达不能对目标体进行有效探测;另一方面当多个目标体的排布形式不同时, 电磁波反射特征也会有明显的不同, 需在实际工程中采取必要的验证措施。
关键词：地质雷达; 正演模拟; 目标体; 反射特征
探测技术是近几年来新兴的一种地下探测技术, 是利用反射高频电磁波的方式来确定介质内部物质分布规律的一种地球物理探测方法。其操作简单, 使用灵活及无损性的优点, 目前已经广泛的应用于工程勘察, 工程检测, 地质灾害防治, 环境污染物检测等领域。由于各系列地质雷达的型号及用途不同, 其使用的电磁波频带也不同。不同频率的地质雷达探测深度与探测精度都不尽相同, 高频段地质雷达可在浅层探测中满足精度要求, 但是探测深度受限;低频段可在深层探测中满足深度要求, 但不能满足精度要求, 因此探测深度和探测精度具有矛盾性质。为了在工程实践中获得较高的探测精度, 必须在地质雷达使用过程中考虑各种影响因素。
长期的理论探索和工程实践表明地质雷达探测精度与探测深度主要受介质的电性参数和地质雷达的系统参数影响, 虽然许多学者对介质的电性参数 (介电常数、电导率) 、系统参数 (天线中心频率、采样频率、发射接收天线间距等) 做了大量的研究, 也取得很多的成果, 但是地质雷达探测结果怎么与工程实际更好的结合方面仍然是一个值得研究的问题。为此, 本文的研究工作主要是采用计算机数值模拟的方式对处于不同介质环境中和处于不同分布形态的地下管线进行正演成像研究分析后, 利用理论分析结论在具体工程案例中对管线进行探测, 进一步验证和分析了地质雷达在管线探测过程中的有效性和局限性。
1 地质雷达正演模拟分析研究
1.1 基于GPRSIM正演模拟的基本原理
地质雷达正演模拟主要是在假定地下结构的状态 (几何形态和电性参数) 的情况下, 来预测给定的点上的电磁波响应。地质雷达正演模拟不仅可以为实际探测过程中采集、处理、解译提供必要的理论依据, 还可检验实际探测结果的可靠性。本文采用由美国LAUREL公司开发的基于波动方程数值解的GPRSIM软件进行模拟。GPRSIM计算原理采用时域差分法, 是假定探测区域为一无源区域, 且介质的电性参数是恒定的, 因此根据电磁波传播理论麦克斯韦旋度方程, 即可得到时域有限差分算法的标量偏微分方程。之后建立Yee差分网格, 每一个网格点上各场分量的新值依赖于该点在前一时间步长时刻的值及该点周围临近点上另一场量的场分量早半个时间步长时刻的值。因此, 在给定的任一时刻, 场分量的计算可一次算出一个点, 逐个时间步长对模拟区域各网格点的电、磁场交替进行计算, 直到获得需要的时域数值结果为止。
1.2 地质雷达正演模拟成像研究
(1) 介质类型对目标体探测的影响为研究介质电性参数对地质雷达探测精度的影响, 建立了如图1 (a) 的模型, 测线长度为5.0 m, 模型深度为3.0 m。模型自上而下分布共3层土体, 并在第二层介质中间设立一个圆形目标体。各介质层及目标体电性参数。
本模拟实验中, 采用中心频率400 MHz的天线, 采样时窗为100 ns, 扫描样本数为512, 发射与接收天线的间距为0.3 m, 测量的方式从0~5.0 m采用剖面测量方式。图1 (a) 模型模拟得到的结果如图1 (b) 。为得到不同电性参数对探测结果的影响, 在其他参数不变的情况下, 将第二层和第三层介质调换得到如图1 (c) 的模型, 模拟结果如图1 (d) 所示。在图1 (b) 的模拟结果中可以看到明显的分层信号, 第二层中的目标体在电磁波反射图中呈现开口向下的双曲线形状, 在图1 (d) 中由于第二层和第三层电性参数调换, 目标体周围介质电性参数变大, 在其模拟结果中只有一条明显的分层信号和很弱的孤立体的双曲线信号, 而第三层的层信号消失。因此实验结果表明, 如果目标体周围或者上部的介质相对介电常数与电导率较大, 且目标体或下层的介质介电常数和电导率小, 将会导致探测过程中电磁波对目标体反射信号减小, 甚至没有反射, 从而影响探测深度和精度。
(2) 目标体排布形式对探测结果的影响为研究目标体的排布形式对探测结果的影响, 根据城市地下管线的埋置情况, 建立如图2的4种模型进行分析。为便于对比, 模型中分别设置2层介质 (表1中第一层与第二层) 和2个目标体 (直径调整为0.4 m) 进行探测。模型参数见表1, 地质雷达系统参数与 (1) 中相同。图2 (a) 模型中两目标体中心相距1.0 m, 图2 (b) 模型中两目标体并排分布, 间距为0, 图2 (b) 、 (d) 为两种情况下对应的模拟结果。当两个目标体水平方向中间有一定距离的时候, 在模拟结果中可以分别看到2条开口向下的双曲线, 双曲线顶点为目标体所处的位置, 同时由于上部目标体的屏蔽作用, 目标体下部的层信号出现两处不连续的情况;当两个目标体在水平方向紧靠时, 在模拟结果中并不是两条特征明显的双曲线, 只是该双曲线顶部较宽, 近似可以看出有两个顶点, 同样目标体下方的层信号出现1处不连续的情况。
不同介质类型下目标体的模型及模拟探测结果 下载原图图2 (e) 模型中两目标体竖向排布, 中心相距1.0 m, 图2 (g) 模型中两目标体间距为0, 图2 (f) 、 (h) 中为两种情况下的模拟结果。当两个目标体竖直方向中间有一定距离的时候, 在模拟结果中可以看到分别为2条开口向下的双曲线, 且2个双曲线呈上下排列, 上部的开口较小, 下部双曲线开口较大, 同样双曲线顶点为管线顶点所处的位置, 同时由于上部目标体的屏蔽作用, 目标体下部的另一个目标体双曲线信号和层信号都出现不连续的情况;当两个目标体在竖直方向紧靠时, 在模拟结果中只有一条双曲线, 类似于单个目标体的特征, 同样目标体下方出现1处不连续的情况。因此表明, 如果介质中有两个或多个目标体, 且目标体中间有一定的距离时, 地质雷达电磁波反射图中呈现两条开口向下的双曲线特征, 处于浅部的目标体对应的双曲线开口较小, 深部的双曲线开口较大, 同时上部目标体可能会对下部的目标体的反射特征产生一定的影响;当目标体距离较近时, 在模拟结果中只有一条双曲线特征, 竖排时双曲线特征类似于单个目标体, 横排时双曲线顶部较单个目标体时宽, 且在顶部近似有两个顶点。
2 工程应用
某电缆隧道工程位于城市中心地区, 隧道沿线分布有给水、排水、燃气等诸多管线, 管线分布错综复杂, 因此查清隧道沿线的管线分布, 能有效避免施工过程中的突发事故, 节约建设成本。为此采用瑞典MALA地质雷达对隧道沿线的地下管线进行了探测工作。根据现场探测的电磁波反射图结果, 图3中并没有明显的管线信号特征, 且信号比较杂乱, 约在深度方向2.3 m以上的区域强反射信号较多, 在2.3 m以下信号衰减较快。因此可以大致推测2.3 m以上土体介电常数和电导率相对较高, 由于电磁波在介电常数相对较高的介质中传播时衰减加快, 导致下部反射信号较弱, 推测2.3 m以下土体可能处于湿-饱和状态。为验证地质雷达结果, 对比该电缆隧道该段的勘察资料, 该处地下水埋深在2.5 m左右, 因此地质雷达探测结果也得到验证。
图3 地质雷达在高含水率土体中的探测结果 下载原图由于该剖面处的地下管线处于介电常数相对较高的介质中, 因此管线信号很不明显, 需采取其他方式对管线进行探测。之后经勘查确认后, 该剖面处有DN400的饮用水管 (顶部埋深约1.5 m, 铸铁材质) 及DN1400的雨水管 (埋深约4.0 m, 砼材质) 等其他管线, 均在该电磁波反射图中没有明显信号, 说明了地质雷达在高介电常数的介质中使用不能有效查找地下管线 (即使是铁质或者管径较大的管线) , 因此地质雷达在介电常数相对较高的介质中探测时具有一定的局限性。图4 (a) 的电磁波反射结果中, 可以看出该测线一共有4处较为明显的管线信号, 分别位于该测线0.2 m, 2.0 m, 4.2 m, 6.0 m处, 且管线均埋置在地下1.0 m以上, 但是在该测线不远处的位置以同样的方式测的图4 (b) 的电磁波反射图, 图4 (b) 中有5处明显的管线信号, 分别位于测线1.8 m, 2.2 m, 5.5 m, 7.4 m, 8.8 m处, 其中有4处管线埋置深度在1.0 m以内, 另外1处埋置深度大于1.0 m。后经勘查确认后, 图4 (a) 测线处也有5处管线, 其中两处管线呈上下紧靠排布, 导致在电磁反射图中只有4处管线特征 (其中左起第三处特征为两条管线) 。
管线探测结果 (上下紧靠型) 下载原图图5的电磁波反射图结果中共有两处开口向下的抛物线, 其中测线7.2 m处的波形代表该处为单根管线, 测线9.5 m处波形可以看到其顶部较宽, 大致有两个顶点, 可以判断该处有两个管线, 且这两管线水平方向距离较近或紧靠一起, 后经过确认该处确实埋有平行并排的两条管线。
管线探测结果 (左右紧靠型) 下载原图3 结论
(1) 通过GPRSIM对处于不同介质类型中的目标体进行正演模拟, 分析不同介电常数和电导率对地质雷达探测结果的影响, 发现当目标体处于高介电常数的介质中时, 目标体在反射电磁波图上基本没有明显的双曲线特征;分析管线的不同排布形式对电磁波反射图的影响时, 发现当两条管线距离较远时, 电磁波反射图中有两个开口向下的双曲线信号, 顶点代表管线顶点位置, 当两条管线距离较近时, 较难区分该处管线的数量。(2) 在具体的工程实例中, 由于探测区域地下水水位较高, 土体的含水率较高, 介质的介电常数和电导率较高, 影响了管线的反射信号, 说明在高介电常数与电导率的介质中对管线的探测效果不佳, 需进行必要的验证或采取其他探测手段。(3) 在探测过程中需对探测结果进行分析对比, 当地质雷达电磁波反射图中出现一个开口向下的双曲线特征时, 可能为距离较近的两条或多条管线, 不代表该处只有一条管线, 需在不同的工程中结合现场实际分析。
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