试题.习题—--大坝混凝土缺陷检测技术与方法研究结题报告.doc

大坝混凝土缺陷检测技术与方法研究长江水利委员会长江勘测规划设计研究院二一年十二月89主持单位：长江水利委员会长江勘测规划设计研究院参加单位：课题组长:课题副组长： 报告编写： 主要研究人员：主要参加人员： 技术顾问： 内 容 提 要本项目从实际出发，针对大坝混凝土质量无损检测工作的难点和特点，开展了从工作方法到处理方法，从模型试验到现场试验，从理论到实践的多方面研究。基于数学物理正、反问题理论，开发了二维波动方程和Maxwell方程的正、反演数学软件，利用正演理论模拟波在混凝土内部的传播规律，通过反演理论实现混凝土内部的无损检测。同时对正演模拟的结果以及实际数据进行信号处理，分析波在混凝土内部的传播机理，从正演和反演两方面对探测物进行研究，从而判断混凝土内部结构，另外，在可视化方面也做了一些工作。（1）在本项目中，确定了声波及电磁波传播的数学模型，研究了二维情况下两种波场在混凝土中的传播规律，掌握了声波及电磁波的响应特征；（2）信号中包含有各种不同特征的信息，本项目采用有效的信号分析手段，针对声波、电磁波波场特点对瞬时相位谱、小波分析、Hilbert变换、滤波去噪、反褶积、FFT等方法进行研究，提取有效信息，并将其成功应用到数据处理中；（3）采用多次叠加的观测方式，利用速度分析及动校正的结果对共中心点数据进行多次叠加，数据量的提升及多次叠加的去噪功能可以提高波场的分辨率；（4）为了能够更好地解决混凝土无损探伤问题，对混凝土内部的参数（介电常数、电导率或速度）进行反演，使混凝土内部结构的刻画更加精细，同时更具可视性。（5）为了能够使本项目转化为实际应用，我们还在理论的基础上，开发了可视化界面，方便了地质雷达、声波反射实测资料的数据处理。（6）采用本项目的研究成果处理有关工程勘探与检测的实测资料，有效的改善了成像效果，验证了方法技术的正确性。目 录第一章 绪 论11.1 立项依据11.2 国内外混凝土缺陷检测技术与方法研究及应用现状11.3 主要研究内容及技术路线31.4 主要成果及创新点3第二章 二维混凝土检测正演方法研究22.1二维混凝土检测声波模型的建立22.2二维混凝土检测电磁波模型的建立32.3正演数值模拟42.4数值算例72.4.1 电磁波正演模拟72.5 小结25第三章 信号处理263.1信号分析263.1.1 快速傅里叶变换（FFT）263.1.2 一维Hilbert变换273.1.3 小波变换283.1.3.1连续小波变换283.1.3.2正交多分辨分析293.1.3.3正交小波的尺度方程和构造方程293.1.4 二维瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率323.1.5 二维小波变换333.2信号去噪353.2.1 二维中值滤波353.2.2 二维均值滤波363.2.3 Karhunen-Loeve变换373.2.4 FIR频率滤波393.2.5 预测反褶积403.2.6 稀疏反褶积403.3实际资料的处理403.3.1 探地雷达资料的处理403.3.2 声波反射资料的处理473.3小结54第四章 混凝土检测的多次覆盖方法研究554.1多次覆盖观测系统554.2速度分析554.3动校正574.4水平叠加594.5小结62第五章 二维混凝土检测反演研究635.1模型的建立635.1.1 方程的提出635.1.2 边界条件，初始条件及附加条件635.2 H1（全变分）正则化方法645.3 多重网格方法655.4 数值模拟675.4.1 声波反演数值模拟675.4.2 电磁波反演数值模拟705.5 小结73第六章 软件实现746.1 可视化界面746.2 界面参数说明866.3 混凝土无损检测软件使用说明87第七章 结 论88第一章 绪 论1.1 立项依据混凝土是目前工程建筑中最主要的结构材料之一，由于设计、施工质量控制不严、自然灾害或结构老化等原因，混凝土结构在使用过程中不可避免地存在如裂缝、蜂窝、孔洞、磨损和侵蚀等损伤，危及整个结构的安全，混凝土无损探测己成为世界范围内关注的问题。20世纪80年代以来，随着科学技术的发展，无损检测技术已突破了原有的范畴，涌现出一批新的测试方法，包括微波吸收、红外热谱、脉冲回波等新技术。目前，混凝土结构无损检测基础理论方面的研究主要集中在两个方面，其一是混凝土强度理论及无损检测常用物理量的关系；其二是混凝土结构中波的传播机理。但是由于边界条件或初始条件极其复杂，致使物理波场与介质响应的理论分析面临较大困难。就弹性波检测技术方面而言，在混凝土裂缝探测、路基基础及工程质量检测方面，人们开展了很多深入的理论和实验研究，在实验条件下往往都能取得好的检测效果，但真正能在实际工程中取得较好效果的研究成果并不多见。电磁波在混凝土介质中的响应问题，关键是弄清电磁波对地下埋入目标电磁波散射特性，目前主要集中在模型和算法研究上；就实用性而言，目前还没有关于复杂探测对象、浅表媒质及干扰假目标之间电磁波相互作用的定量研究成果的报道，使我们对电磁波在浅层复杂介质中的传播及散射过程缺乏足够认识。电磁波及声波的无损检测是以探地雷达和声波反射为检测工具，但探地雷达和声波反射的数据处理和解释工作，与对空雷达理论系统、地震勘探信号处理、以及日渐成熟的硬件技术相比较时，会发现其还远未达到系统、成熟的阶段。另外，我们发现：(1)混凝土是一种极为复杂的物理介质，其介电常数等参数具有不确定性，人们对混凝土中电磁波及声波作用过程与响应特征还不十分清楚，混凝土中波速无法准确确定。(2)雷达及声波反射图像处理上目前主要靠人工分析和识别，效率不高。并且由于人的主观意识的作用常会出现误判和错判等问题，急需开发高精度的自动识别系统。(3)尽管作为探地雷达和声波反射理论基础的波散射理论研究已有诸多报道，但现有探测目标波散射的理论只能给出探测目标散射的体积效应，没有目标局部细节信息。(4)根据实际问题的需要，求解区域的网格节点数可能会达到上万个。现有的理论和方法均满足不了处理的要求，这对数学理论和方法提出了更高要求，必须研究快速、精细的正反演方法。此外，由于待反演参数向量维数的巨大，问题的非线性性和不适定性的程度都显著增加，导致了解的个数或局部极小点的个数大量增加，因此还要考虑反演方法的全局收敛性问题。因而，对声波及电磁波在有耗色散介质中传播理论为基础的混凝土无损探测方法进行深入、系统的研究，具有十分重要的理论意义和实践意义，发展可视性强、识别精度高的数值反演成像方法并形成可操作强的检测软件。 1.2 国内外混凝土缺陷检测技术与方法研究及应用现状早在30年代初，人们就开始探索和研究混凝土无损检测方法，并获得迅速的发展，1930年首先出现了表面压痕法，1935年格里姆（GGrimet）.艾德（JMIde）把共振法用于测量混凝土的弹性模量。1948年施米特（ESchmid）研制成功回弹仪。1949年加拿大的莱斯利（Leslide）、切斯曼（Cbeesman）和英国的琼斯（Jons）、加特费尔德（Gatfield）首先把超声脉冲检测技术用于结构混凝土的检测，开创了混凝土超声检测这一新领域。接着，又使用放射性同位素进行混凝土密实度和强度检测，这些研究为混凝土无损检测技术奠定了基础。随后，许多国家也相继开展了这方面的研究，如前苏联、罗马尼亚、日本等国家在50年代都曾取得许多成果。60年代，罗马尼亚的费格瓦洛（IFacaoaru）提出用声速、回弹法综合估算混凝土强度的方法，为混凝土无损检测技术开辟了多因素综合分析的新途径。60年代声发射技术被引入混凝土检测体系，吕施（HRusch）、格林（ATGreen）等人先后研究了混凝土的声发射特性，为声发射技术在混凝土结构中的应用打下了基础。80年代中期，美国的Mary Sahsatone和Nicholas JGarino，实现了在水泥混凝土等集结型非金属、复合材料中采用机械波反射法进行无损检测的目标，此外，无损检测测的另一个分支钻芯法、拨出法、射钉法等半破损法也得了发展，从而形成了一个较完整的混凝土无损检测方法体系。GPR技术对于混凝土结构的探测以英国利物浦大学土木系的 J.H.Bungey和 S.G .Millard1等人所做的各种类型研究为代表。J.H.Bungey等使用一种具有和混凝土相似的电磁性质和导电性能的油水乳胶体来代替混凝土，通过试验研究了在乳胶体内不同直径、不同埋深的钢筋所测得的雷达图像对钢筋的保护层、钢筋间距、埋深及钢筋对其下的钢筋和空洞的影响做了深入细致的研究并得出了具有指导意义的结论。从理论的角度看， Cui等2在频域积分方程Born近似的意义下设计了一些有效的反演算法。J.R.Ernst等3研究了跨孔雷达数据的全波形反演，用共轭梯度法实现了介电常数与电导率的同时反演，虽然所使用的反演理论和方法较为经典，但其结果充分说明了全波形数值反演方法相较于射线方法和逆散射方法的优越性，令人振奋。F.Sol dovieri等4在探测火星地表下的介质结构时，提出了GPR结合微波断层的新技术，得到了满意的结果。O.Brandt等 5将探地雷达的应用领域进一步扩大，他们通过对南极洲等地进行雷达探测，研究了冰川消融的问题，为环境问题的研究提供了一个新颖而有力的工具。在以Maxwell方程为理论依据的基础上，M. Fragiacomo等6提出了一种新的有限元模型对钢筋混凝土横梁进行探测。H.Diab等7对一般的Maxwell方程进行了修改和拓展，并将这种模型成功地应用于玻璃钢混凝土界面的探测。在国内，GPR 技术在混凝土结构中的应用研究以实际工程为主，例如徐美庚等8对后张预应力混凝土铁路桥梁构件进行检测，得出了梁体腹板内最外层钢筋骨架分布及其保护层厚度、预应力钢束的分布和位置，预应力管道灌浆与未灌浆雷达图像的比较。谢雄耀等9在原上海汇丰银行大楼的加固中，使用 900MHz和1200MHz 的高频天线探测出了混凝土保护层的厚度、楼板厚度及内部的钢筋间距、梁内型钢尺寸及箍筋间距。在理论方面还没有基于探地雷达的混凝土检测方面的成果，一些工作是一般性的。例如，刘四新等10研究了用有限差分法进行频散介质中雷达波的数值模拟，并提出了一种新的吸收边界条件。周奇才等11利用基于时间域有限差分法（FDTD）模拟软件GprMax2D，进行探地雷达地质图像模拟，并进行复杂地质条件下的雷达图像识别。肖明顺等12引入一种新的吸收边界：单轴各向异性理想匹配层（UPML），实现对有损耗介质中雷达波传播的数值模拟，UPML的计算精度都较Mur二阶吸收边界和GPML高。底青云等13用有限元方法研究了有耗介质时域GPR速度与介电常数的联合反演。王兆磊等14从二维Maxwell方程出发，推导出波形反演公式，实现了介电常数与电导率的同时反演。在超声波及声波反射方面，杨文采等采用带阻尼的LSQR 迭代算法进行反演成像15 ,将声波CT 技术用于首都机场高速公路某钢筋混凝土桥台的质量检测,取得了良好的效果;王五平等用声波层析成像方法检测了混凝土灌注桩的质量16 ;何良军用弹性波层析成像检测混凝土桥墩灌浆加固情况17 ;赵明阶用超声波层析成像方法对混凝土损伤情况进行了研究18 ;Bond et al. 用声波走时成像对混凝土坝体质量作了研究19 ;张震夏等用声波CT 对混凝土大坝缺陷进行了检测20 ,所用电火花震源产生声波穿透距离可达近百米,实际应用表明:其自行研发的ST - 2100 声波CT 系统优于日本OYO 的层析系统;刘国华等将声波CT 用于检测某商住楼混凝土柱的强度缺陷21 ,取得了较好的效果。以上研究对CT技术在混凝土检测中的应用起到了很大的推动作用。1.3 主要研究内容及技术路线1、混凝土中声波及电磁波作用过程与响应特征研究针对混凝土的缺陷问题，研究电磁波及声波与混凝土缺陷的波场响应过程，研究混凝土缺陷的波散射特征，为数据处理提供理论支撑。2、混凝土无损检测模型研究混凝土探地雷达及声波反射无损探测模型来源于探地雷达波方程和声波方程，它描述了电磁脉冲和声波在媒质中的传播特性，和其它波传播现象所遵循的规律一样，它同样也可归结为由方程、本构关系及其边界条件所构成的模型。但与传统探空雷达的不同之处在于，探地雷达与声波反射是在有耗媒质中传播的，存在着高频衰减，并且在应用的频率范围内，类似混凝土等有耗媒质同时还是色散媒质，即其参数与外加激励场的频率有关，因此在模拟计算探地雷达及声波反射的性能时，必须将混凝土的有耗、色散等特性纳入到考虑的因素之中。另外，还要设置合理的吸收边界条件。3、观测系统的研究混凝土是一种比较复杂的介质，传统的单发单收系统由于观测方式的缺陷不足以精细反映混凝土内部的构成，为了压制规则干扰波，提高信噪比，重复利用单发单收和单发多收的观测数据，然后对数据进行抽道，形成多次叠加的观测方式，从而提高观测分辨率。4、快速正演算法研究快速、准确的正演方法不仅是模拟电磁波及声波的一种重要手段，同时也是大规模(large scale)反演问题的重要基础，任何反演方法都离不开反复的正演计算。本项目将研究差分方法，将它应用于Maxwell方程及声波方程的正演模拟。它不仅能够克服问题本身的非线性性，还可以根据求解区域内部参数分布的非规则性和解的奇性，既求出解的整体趋势，同时又很好地描述解的局部特征，从而极大地提高计算效率。5、混凝土无损检测反问题研究反演工作，是一个大规模的计算问题。混凝土是一种非均匀各向异性复合材料，其无损探测问题是一个对分辨率要求很高的问题，想要实现稳定、快速、高效、全局收敛的精细反演方法是一个非常困难的问题，必须考虑用特殊的方法从多个方面综合加以解决。这主要包括：以Maxwell方程及声波正问题为约束的有界变分正则化泛函的构造，它可有效克服Tikhonov正则化方法过度光滑的问题，适合于对边界不光滑介质和裂缝的检测；反演过程中敏感度矩阵与向量的乘积的计算问题（从而大幅度减少存储量）；稀疏矩阵技术的应用，从而实现全局收敛反演并最大幅度地提高效率等。6、实际资料处理初步处理工程勘探与检测的实测资料，形成成像成果剖面，既验证理论和方法，又解决工程实际问题。1.4 主要成果及创新点本项目根据混凝土自身的性质研究混凝土中电磁波及声波作用过程与响应特征，建立了合理的混凝土无损探测模型。研究了混凝土（有耗色散介质）中带有吸收边界条件的电磁波传播的Maxwell方程及声波方程定解问题和快速的正演模拟方法。提出了多次覆盖的观测系统，并实现了多次覆盖的高分辨率及去噪声作用。针对多测量资料，研究Maxwell方程和声波方程反问题理论与稳定、快速、高效、全局收敛的精细反演方法，实现混凝土无损探测技术由定性向定量的转化。成果可用于对混凝土中目的体性质及位置的智能化解释。本项目的主要成果和创新点如下：（1）就实用性而言，目前还没有关于复杂探测对象之间电磁波或声波相互作用的定量研究成果的报道，使我们对电磁波或声波在混凝土中的传播及散射过程缺乏足够认识。本项目基于电磁场TM问题及声波模型给出电磁波及声波与混凝土缺陷的波场响应过程及波散射特征。（2）基于Maxwell方程和声波方程的混凝土检测模型研究了包括了有耗色散和频散等复杂情况，采用了更加符合实际的工程物探吸收边界条件，使勘探结果更准确。（3）多次重复用单发单收及单发多收的观测系统，抽取共中心点的道集，形成多次覆盖的观测系统，压制干扰波、提高信噪比。（4）所提出的混凝土无损检测反演策略、各种反演方法和计算技巧均具创新性，不仅是混凝土探测问题方面的重要工作，同时也是对电磁场和声波反演理论的重要贡献。参考文献:1 J.H.Bungey, S.G. 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