非接觸式地質(zhì)雷達(dá)正演模擬試驗(yàn)研究

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

引言

隨著越來(lái)越多的隧道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，截至2014年，我國(guó)已建成12404座/10756.7公里公路隧道；又據(jù)國(guó)家規(guī)劃預(yù)測(cè)，未來(lái)其規(guī)模仍將持續(xù)增加。隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)，特別是運(yùn)營(yíng)隧道質(zhì)量檢測(cè)，目前市場(chǎng)上的傳統(tǒng)方法的對(duì)于隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)時(shí)速度慢，效率低，人力成本高且存在安全隱患，因此，在我國(guó)公路隧道面臨長(zhǎng)期、繁重、艱巨的養(yǎng)護(hù)任務(wù)的背景下，本文作者研究非接觸式地質(zhì)雷達(dá)用于隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)。

一、基于FDTD的gprmax軟件的正演模擬：

FDTD(Finite-Difference Time-Domain)是1966年K.S.Yee發(fā)表的一篇論文建立起來(lái)的，后被稱(chēng)為Yee網(wǎng)格空間離散方式。核心思想是把帶時(shí)間變量的Maxwell旋度方程轉(zhuǎn)化為差分形式，模擬出電子脈沖和理想導(dǎo)體作用的時(shí)域響應(yīng)[1]。GprMax是一款基于FDTD的開(kāi)源程序，本文使用GprMax v2.0版本中的2D模式，通過(guò)編寫(xiě)后綴為.in的輸入文件，進(jìn)行模擬運(yùn)算，生產(chǎn)后綴為.out的輸出文件，再利用Matlab讀取輸出文件進(jìn)行成像[2]。具體步驟如下：

(1)依據(jù)實(shí)際需求建立模型，用記事本編寫(xiě)輸入文件。相關(guān)命令語(yǔ)句參見(jiàn)GprMax中英文說(shuō)明書(shū)。文件命令參照最好使用自帶例子進(jìn)行改寫(xiě)，以免運(yùn)行出錯(cuò)。

(2)使用GprMax2D運(yùn)行輸入文件注意文件路徑必須全英文，否則將會(huì)出錯(cuò)。

運(yùn)行后GprMax2D會(huì)生成一個(gè)后綴為.geo的幾何信息文件和一個(gè)后綴為.out的二進(jìn)制輸出文件。注意最好將這兩個(gè)文件放入tools文件夾下，即與Matlab成像所需的幾個(gè)后綴.m的文件放在一起，以免出錯(cuò)。

二、正演模擬的實(shí)現(xiàn)

模型1幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示(其他模型幾何結(jié)構(gòu)類(lèi)似圖略)，雷達(dá)天線取400MHz頻率，綠色部分為空氣層，紅色部分為混凝土及藍(lán)色表示鋼筋，不同介質(zhì)的電磁學(xué)特性均按常規(guī)取值，幾何參數(shù)按照下表取值。圖2分別為6個(gè)模型的雷達(dá)圖，上排為原圖像，下排為經(jīng)過(guò)圖像后處理的雷達(dá)圖。

表1 針對(duì)不同保護(hù)層厚度以及鋼筋直徑建立模型表

a.模型1 b.模型2 c.模型3

a.模型4 b.模型5 c.模型6

由以上圖像看出，本文采用的后處理方法對(duì)于正演模擬圖像效果明顯，經(jīng)過(guò)圖像后處理，可以看到明顯的鋼筋圖像雙曲線特征，并且通過(guò)尖角可以定量分析出鋼筋根數(shù)，通過(guò)雷達(dá)圖像中雙曲線頂點(diǎn)的時(shí)程可以計(jì)算出保護(hù)層厚度。但對(duì)于不同鋼筋的直徑，400MHz天線并不能有效區(qū)分。本文通過(guò)GPRMAX軟件，成功建立了相關(guān)工況下非接觸式雷達(dá)檢測(cè)公路隧道襯砌，特別是經(jīng)過(guò)有效的圖像后處理建立了針對(duì)頭層鋼筋的典型雷達(dá)圖，為今后的非接觸式雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌打下基礎(chǔ)。

[1]呂高.公路隧道襯砌缺陷幾何形態(tài)及填充物FDTD 正演分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2014，33(7):1415-1419.

[2]李堯等.隧道襯砌病害地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)正演模擬與應(yīng)用[J].巖土力學(xué).2016，37(12):3927-3930.