【正文】 ................................................................................70 小結(jié) ...................................................................................................................................73 第六章 軟件實現(xiàn) .....................................................................................................................74 可視化界面 ...................................................................................................................74 界面參數(shù)說明 ...............................................................................................................86 混凝土無損檢測軟件使用說明 ...................................................................................87 第七章 結(jié) 論 .....................................................................................................................88 1 第一章 緒 論 立項依據(jù) 混凝土是目前工程建筑中最主要的結(jié)構(gòu)材料之一，由于設(shè)計、施工質(zhì)量控制不嚴、自然災害或結(jié)構(gòu)老化等原因，混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中不可避免地存在如裂縫、蜂窩、孔洞、磨損和侵蝕等損傷，危及整個結(jié)構(gòu)的安全，混凝土無損探測己成為世界范圍內(nèi)關(guān)注的問題。 （ 5） 為了能夠使本項目轉(zhuǎn)化為實際應用，我們還在理 論的基礎(chǔ)上，開發(fā)了可視化界面， 方便了地質(zhì)雷達、聲波反射實測資料的數(shù)據(jù) 處理。 同時對正演模擬的結(jié)果 以及實際數(shù)據(jù)進行信號處理 ， 分析波在混凝土內(nèi)部的傳播機理， 從正演和反演兩方面對探測物進行研究， 從而判斷 混凝土 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ， 另外，在可視化方面也做了一些 工作。 大壩混凝土缺陷檢測 技術(shù)與方法研究 長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院 二○一○ 年十二月 主持單 位： 長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院 參加單 位： 課題組 長 : 課 題 副組 長： 報告編 寫： 主要研究人員： 主要參加人員： 技術(shù)顧 問： 內(nèi) 容 提 要 本項目 從實際出發(fā)， 針對大壩 混凝土質(zhì)量無損檢測工作的難點和特點 ， 開展了從工作方法到處理方法，從模型試驗到現(xiàn)場試驗，從理論到實踐 的多方面研究。 基于數(shù)學物理 正、反問題 理論， 開發(fā)了二維 波動方程 和 Maxwell 方程 的 正、反演 數(shù)學軟件， 利用正 演理論模擬波在 混 凝土內(nèi)部的 傳播 規(guī)律 ，通過反演理論實現(xiàn)混凝土內(nèi)部的無損檢測 。 （ 1） 在本項目中， 確定了聲波及電磁波傳播的數(shù)學 模型 ，研究了二維 情況下兩種 波場 在 混凝土 中的傳播規(guī)律，掌握了聲波 及電磁波 的響 應特征； （ 2） 信號中包含有各種不同特征的信息，本項目采用有效的 信號分析手段 ， 針 對 聲波、電磁波波場特點對 瞬時相位譜、小波分 析 、 Hilbert 變換、 濾波去噪、 反褶積、 FFT 等方法進行研究， 提取有效信息， 并將其成功應用到 數(shù)據(jù) 處理 中； （ 3）采用多次疊加的觀測方式， 利用速度分析及動校正的結(jié)果對共中心點數(shù)據(jù)進行多次 疊加， 數(shù)據(jù)量的提升 及多次疊加的去噪功能 可以 提高 波場 的分辨率； （ 4）為 了能夠更好地 解決混凝土 無損探傷問題， 對混凝土內(nèi)部的參數(shù)（ 介電常數(shù)、電導率 或速度 ）進行反演，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的刻畫更加精細，同時 更具可視性。 （ 6） 采用本項目的研究成果處理 有關(guān) 工程勘探 與檢測的實測 資料 ，有效的改善了成 像效果，驗證了方法技術(shù)的正確性 。 20 世紀 80 年代以來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)已 突破了原有的范疇，涌現(xiàn)出一批新的測試方法，包括微波吸收、紅外熱譜、脈沖回波等新技術(shù)。但是 由于邊界條件或初始條件極其復雜，致使物理波場與介質(zhì)響應的理論分析面臨較大困難。電磁波 在 混凝土 介質(zhì)中的響應問題，關(guān)鍵是弄清電磁波對地下埋入目標電磁波散射特性，目前主要集中在模型和算法研究上 ； 就實用性而言，目前還沒有關(guān)于復雜探測對象、淺表媒質(zhì)及干擾假目標之間電磁波相互作用的定量研究成果的報道，使我們對電磁波在淺層復雜介質(zhì)中的傳播及散射過程缺乏足夠認識。 另外， 我們發(fā)現(xiàn)： (1)混凝土是一種極為復 雜的物理介質(zhì)，其介電常數(shù)等參數(shù)具有不確定性，人們對混凝土中電磁波 及聲波 作用過程與響應特征還不十分清楚，混凝土中波速無法準確確定。并且由于人的主觀意識的作用常會出現(xiàn)誤判和錯判等問題，急需開發(fā)高精度的自動識別系統(tǒng)。 (4)根據(jù)實際問題的需要，求解區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)可能會達到上萬個。此外，由于待反演參數(shù)向量維數(shù)的巨大，問題的非線性性和不適定性的程度都顯著增加，導致了解的個數(shù)或局部極小點的個數(shù)大量增加，因此還要考慮反演方法的全局收斂性問題。 國內(nèi)外 混凝土缺陷檢測技術(shù)與方法研究 及應用現(xiàn)狀 早在 30年 代初，人們就開始探索和研究混凝土無損檢測方法，并獲得迅速的發(fā)展， 1930年首先出現(xiàn)了表面壓痕法， 1935年格里姆（ G M 1948年施米特（ E 1949年加拿大的萊斯利（ Leslide）、切斯曼（ Cbeesman）和英國的瓊斯（ Jons）、加特費爾德（ Gatfield）首先把超聲脈沖檢測技術(shù)用于結(jié)構(gòu)混凝土的檢測，開創(chuàng)了混凝土超聲檢測這一新領(lǐng)域。隨后，許多國家也相繼開展了這方面的研究，如前蘇聯(lián)、羅馬尼亞、日本等國家在 50年代都曾取得許多成果。 Facaoaru）提出用聲速、回彈法綜合估算混凝土強度的方法，為混凝土無損檢測技術(shù)開辟了多因素綜合分析的新途徑。 Rusch）、格林（ A Green）等人先后研究了混凝土的聲發(fā)射特性，為聲發(fā)射技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應用打下了基礎(chǔ)。 Garino，實現(xiàn)了在水泥混凝土等集結(jié)型非金屬、復合材料中采用機械波反射法進行無損檢測的目標，此外，無損檢測測的另一個分支－鉆芯法、撥出法、射釘法等半破損法也得了發(fā)展，從而形成了一個較完整的混凝土無損檢測方法體系。 膠體來代替混凝土，通過試驗研究了在乳膠體內(nèi)不同直徑、不同埋深的鋼筋所測得的雷達圖像對鋼 筋的保護層、鋼筋間距、埋深及鋼筋對其下的鋼筋和空洞的影響做了深入細致的研究并得出了具有指導意義的結(jié)論。 [3]研究了跨孔雷達數(shù)據(jù)的全波形反演，用共軛梯度法實現(xiàn)了介電常數(shù)與電導率的同時反演，雖然所使用的反演理論和方法較為經(jīng)典，但其結(jié)果充分說明了全波形數(shù)值反演方法相較于射線方法和逆散射方法的優(yōu)越性，令人振奮。 [5]將探地雷達的應用領(lǐng)域進一步擴大，他們通過對南極洲等地進行雷達探測，研究了冰川消融的問題，為環(huán)境問題的研究提供了一個新穎而有力的工具。 [7]對一般的 Maxwell方程進行了修改和拓展，并將這種模型成功地應用于玻璃鋼混凝土界面的探測。謝雄耀等 [9]在原上海匯豐銀行大樓的加固中，使用 900MHz和 1200MHz 的高頻天線探測出了混凝土保護層的厚度、樓板厚度及內(nèi)部的鋼筋間距、梁內(nèi)型鋼尺寸及箍筋間距。例如，劉四新等 [10]研究了用有限差分法進行頻散介質(zhì)中雷達波的數(shù)值模擬，并提出了一種新的吸收邊界條件。 肖明順 等 [12]引入一種新的吸收邊界 ： 單軸各向異性理想匹配層 （ UPML）， 實現(xiàn)對有損耗介質(zhì)中雷達波傳播的數(shù)值模擬 ， UPML的計算精度都較 Mur二階吸收邊界和 GPML高 。王兆磊等 [14]從二維 Maxwell方程出發(fā)，推導出波形反演公式，實現(xiàn)了介電常數(shù)與電導率的同時反演。王五平等用聲波層析成像方法檢測了混凝土灌注樁的質(zhì)量 [16] 。趙明階用超聲波層析成像方法對混凝土損傷情況進行了研究 [18] 。張震夏等用聲波 CT 對混凝土大壩缺陷進行了檢測 [20] ,所用電火花震源產(chǎn)生聲波穿透距離可達近百米 ,實際應用表明 :其自行研發(fā)的 ST 2100 聲波 CT 系統(tǒng)優(yōu)于日本 OYO 的層析系統(tǒng) 。以上研究 3 對 CT技術(shù)在混凝土檢測中的應用起到了很大的推動作用。 混凝土無損檢測 模型研究 混凝土探地雷達 及聲波反射 無損探測模型來源于探地雷達波方程 和聲波方程 ，它描述了電磁脈沖和聲 波在媒質(zhì)中的傳播特性，和其它波傳播 現(xiàn)象所遵循的規(guī)律一樣，它同樣也可歸結(jié)為由方程、本構(gòu)關(guān)系及其邊界條件所構(gòu)成的模型。另外，還要設(shè)置合理的吸收邊界條件。 快速正演算法研究 快速、準確的正演方法不僅是模擬電磁波及聲波的一種重要手段，同時也是大規(guī)模 (large scale)反演問題的重要基礎(chǔ)，任何反演方法都離不開反復的正演計算。它不僅能夠克服問題本身的非線性性，還可以根據(jù)求解區(qū)域內(nèi)部參數(shù)分布的非規(guī)則性和解的奇性，既求出解的整 體趨勢，同時又很好地描述解的局部特征，從而極大地提高計算效率。 混凝土是一種非均勻各向異性復合材料 ，其無損探測問題是一個對分辨率要求很高的問題，想要實現(xiàn) 穩(wěn)定、快速、高效、全局收斂的精細反演方法是一個非常困難的問題，必須考慮用特殊的方法從多個方面綜合加以解決。 實際資料處理 初步處理 工程勘探 與檢測的實測 資料 ，形成成像成果剖面，既驗證理論和方法，又解決工程實際問題。研究了混凝土（有耗色散介質(zhì)）中帶有吸收邊界條件的電磁波傳播的 Maxwell方程及聲波方程定解問題和快速的正演模擬方法。針對多測量資料，研究 Maxwell方程和聲波方程反問題理論與穩(wěn)定、快速、高 4 效、全局收斂的精細反演方法，實現(xiàn)混凝土無損探測技術(shù)由定性向定量的轉(zhuǎn)化。 本項目的主要成果和創(chuàng)新點如下： （ 1） 就實用性而言，目前還沒有關(guān)于復雜探測對象之間電磁波 或聲波 相互作用的定量研究成果的報道，使我們對電磁波 或聲波 在 混凝土 中的傳播及散射過程缺乏足夠認識。 （ 2）基于 Maxwell 方程和聲波方程的混凝土檢測模型 研究了 包括了有耗色散和頻散等復雜情況， 采用了更加符合實際的工程物探吸收邊界條件，使勘探結(jié)果更準確。 （ 4）所提出的混凝土 無損檢測 反演策略、各種反演方法和計算技巧均具創(chuàng)新性，不僅是混凝土探測問題方面的重要工作，同時也是對電磁場 和聲波 反演理論的重要貢獻?；炷敛牧显谧鳛檎w力學性質(zhì)上等效成為一種勻質(zhì)材料，這種材料的缺陷反映了混凝土強度的變化。低應變動力測試中，由于激振力很小，并且是可以控制的，故混凝土構(gòu)件的振動近似可滿足這一假設(shè)條件。這就是說，構(gòu)件受激振動時，同一截面上所有質(zhì)點位移的方向和大小都是一致的，也不存在相位的 差別或振動的超前或滯后現(xiàn)象。我們選取 選取雷克子波作為震源： 2211s i n ( 2 ) e x p ( 4 ln 2 )f A f t f t??? (24) 其中：參數(shù) A 表示震源函數(shù)振幅， 1f 表示震源頻率， t 表示震源作用時間。x, z分別為水平方向和垂直方向的坐標。 二維混凝土檢測 電磁波 模型的建立 GPR 是一種電磁波類探測方法。探地雷達系統(tǒng)將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式由發(fā)射天線向被探測物發(fā)射，該雷達脈沖在傳播過程中，遇到不同電性介質(zhì)交界面時，部分雷達波的能量被反射回來，由接收天線接收。 本節(jié)對混凝土構(gòu)件的要求與 的假設(shè)相同。 Maxwell方程的正演過程 可以采用 FDTD 方法求解 ， 利用 吸收邊界條件最大限度地克服在邊界處反射帶來的影響。將 xH 、 yH 消元，得到 2200 2 ()zzz EEE s ttt? ? ? ???? ? ? ? （ 220） 當探地雷達高頻雷達波在地下介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的位移電流遠大于傳導電流（磁導率認為不變），所以，對高頻電磁波在地下二維介質(zhì)傳播的麥克斯韋方程就可寫成： 2 2 2 202 2 2 2 21z z z zE E E Ex z t V t??? ? ? ?? ? ?? ? ? ? (221) 其中，01V ??? 為波速。由此，我們可將麥克斯韋方程的所有分析方法和處理方法應用于反射聲波探測。差分法的基本思想是“以差商代替微商”。將波動方程 (21)中的偏導數(shù) 2222 2 2,uuut x z???? ? ?都用中心差商來逼近，這樣得到差分格式： 11, , , , 1 , , 1 1 , , 1 ,22,2 2 22 2 2 0n