堤坝质量检测中的层析成像技术

Vol16,No15

CHINESEJOURNALOFENGINEERINGGEOPHYSICS

Oct1,2009

文章编号:1672—7940(2009)05—0556—05doi:10.3969/j.issn.1672-7940.2009.05.005

堤坝质量检测中的层析成像技术

刘君利1,卫福旺2,李　新3,杨　磊3,王　锐3

(1.济源市水利勘测设计室,郑州454650;2.济源市水土保持科学研究所,济源454650;3.黄河水利科学研究院,郑州450003)

摘　要:层析成像(CT)技术包括电磁波CT、弹性波CT、电阻率CT、光学CT等多种类型,具有探测结果直

观可靠、信息丰富的优点。随着CT技术的发展和成熟,其在堤坝检测工作中也得到了更多的应用并取得了良好的效果。在介绍了电磁波CT、高密度电阻率CT、声波CT、弹性波CT、光学CT等几种层析成像技术的概念和基本工作原理,在此基础上详细论述了这些方法在堤坝检测中的应用情况,对这些技术的发展过程、参数计算、装置方法、数据处理和层析算法等进行了介绍。对层析成像方法的技术特点、适用范围和注意事项,及其在堤坝检测中的应用前景和推广价值进行了阐述和探讨。

关键词:堤坝检测;层析成像;电磁波CT;高密度电阻率CT;声波CT;弹性波CT;光学CT

中图分类号:P631,U416文献标识码:A收稿日期:2009-09-10

ComputerizedTomographyMethodsforDam

andEmbankmentInspection

LiuJunli1,WeiFuwang

2

,LiXin3,YangLei3,WangRui3

(1.JiyuanWaterSurveyandDesignDepartment,Jiyuan454650,China;

2.JiyuanSoilandWaterConservationScienceInstitute,Jiyuan454650,China;3.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou450003,China)

Abstract:ApplicationofcomputerizedtomographymethodsmakesdamInspectiontechnol2ogymoresimple,efficientandeconomical.Thispaperdescribedtheconceptandbasicprin2cipleofthetomographydetectionmethod.Onthebasis,itanalyzedthedevelopmentprocess,parameters,theinstallationmethods,data-processingalgorithmsandchroma2tographyoftheelectromagneticCT,high-densityresistivityCT,sonicCT,earthquakeCTandopticalCTofdamdetectionandinvestigation.Anditexpoundedtomographymeth2odsoftechnicalcharacteristics,scopeandsoon.Finally,itdiscussedtheapplicationpros2pectsandpromotingvaluesoftomographytechniquesindamInspection.

Keywords:daminspection,tomography;electromagneticCT;high-densityresistivityCT;

sonicCT;earthquakeCT;opticalCT

graphy)是在不破坏地质体结构的前提下,利用数

1　引　言

计算机层析成像(CT,computerizedtomo2

学上的投影原理,通过电磁波、电流、弹性波、射线

光强等探测手段,对被测地质体进行层间扫描观测,并通过数据反演重建地质体内部结构图像,精

作者简介:刘君利(1966-),男,工程师,高级咨询师,注册监理工程师,主要从事水利工程治理规划工作。

　第5期　　　　　　　　　　　　　刘君利等:堤坝质量检测中的层析成像技术557

确描述探测范围内地质目标体的几何形态和介质分布的物探方法,是现代数字观测技术与计算机技术相结合的产物。由于计算机层析成像技术具有成像直观、信息丰富等特点,在堤坝检测[1,2]、桩基检测[3,4]、活断层调查[5,6]、隧道勘察[7,8]、防渗墙检测[9,10]、采空区勘察[11,12]等工程检测与勘察领域得到了广泛应用。

置,也可以同步移动发射器和检波器来进行测量。实际测量时,常设置多个接收钻孔,通过交换激发装置和接收装置的位置进行重新测量来比较和校正数据。具体操作装置见图1。

2　电磁波CT

电磁波CT通过研究电磁波在地下不同位置的传播规律和场强大小来探测地质体异常。由于不同介质对电磁波的吸收能力不同,可以通过对吸收系数的判断来确定地质异常,得到地下体的精细结构。电磁波理论表明,有耗介质中半波偶极天线的发射、接收可由下式地下电磁波法中的场强观测值公式确定[13～15]:

θθE=E0fs(dl)R-1,s)fR(R)exp(-β

L

图1　电磁波层析成像操作装置

Fig.1　TypicalarrayofelectromagneticCT电磁波层析数据的处理软件常采用代数重建法(ART)来建立反演程序。ART法是一种迭代逼近算法,将要求的未知解看成是已知解的平面投影,通过建立迭代格式逐步逼近所求解。

∫

(1)(2)

A=βdl,

L

∫

式中:E相距R处的接收天线接收点的场强值;

θθE0初始辐射常数;fS(发射天线和S),fR(R)

接收天线的方向分布函数;θ天线的辐射角度;β吸收系数;L射线路径;dl积分单元;R发射与接收点之间的距离;A电磁波振幅衰减量。

式(2)由式(1)变换得到,反映了电磁波振幅衰减量与介质吸收系数β值的关系,由此可通过计算机建立地下介质衰减的二维分布图像,重建堤坝体内部结构。

应用电磁波CT的基本条件是探测目标与周围介质存在介电常数和吸收系数差异。由于电磁波波速大,准确测量存在难度,因此在实际工作中,一般以振幅反演成像为主,辅以走时反演成像。在各种CT方法中,电磁波CT的分辨率较高但探测距离较小,且探测距离与电磁波频率成反比。由于坝体含水率对电磁波衰减系数和介电常数影响很大,因此电磁波CT用于大坝坝体和坝基渗漏、破碎带和裂隙发育程度等检测有优势。实际工作中,常采用跨孔法来测定坝体参数,接收器数量一般多于发射器(发射器和接收器数量满足一定倍数关系),相邻检波器间距、孔间距离、发射频率根据实际工程情况和地质条件来设定。数据采集时可以固定发射器和检波器在钻孔中的位

3　地震波CT

地震波CT是利用数学上的投影原理,通过观测地震波穿越地质体时的走时、能量(幅值)和波形等的变化来探测地质体异常[16,17]。当探测目标与周围介质存在波速、泊松比差异时,即可采用地震波CT进行检测。根据弹性波理论,不同外力作用下介质体中存在着纵波(VP)和横波(VS)这两种不同类型的波,他们的传播速度可分

别表示为[18]:

VP=VS=

λ+2μ=ρμ=ρ)E(1-σρ(1+σ)(1-2σ)

(3)(4)

Eρ(1+σ)2)2(1-σ(1-2σ)

纵波和横波速度的比值可表示为:

VP=VS

λ+2=μ(5)

式中:E切模量。

弹性模量;σ泊松比;ρ密度;μ剪

由上式可以看出,在探测过程中通过确定纵波和横波的速度比值,可以求出大坝内部介质的泊松比,进而查找和判读坝体的异常。

现场工作过程中,一般沿土层钻探两道垂直

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目标地物、相互平行且距离适中(根据实际工程情

况而定)的检测孔,一个孔内置放震源,另一孔内置放接收器(检波器)。检测过程中重复激发震源,接收器不断接受震波信号,并将信号实时传输到地面数据采集器中,如图2。实测过程中,地震波的投射和接收器的排列将被测剖面划分成若干个等距的地质体单元,假设每一单元范围内的地质体都是均匀无差别的,那么,一旦某些单元存在地质异常,成像过程中就能发现这些异常并判读它们的位置和状态。

j=E/ρ(6)

式中:E电场强度;ρ电阻率。

对式(6)两边取散度,并令E=-

犝，得到

电位U的解:

)]1ρ[・j+U・(1/ρU=dv

4πσr

∫(7)

这是将已知的电位U与未知的电阻率ρ联系起来的第一类非线性积分方程,是电阻率层析成

像的基本方程[20]。

图3是一种常用的高密度电阻率层析成像装置。与其他层析成像方法相似,在操作装置的布置过程中,首先将成像区域划分为若干个矩形单元,在垂直于地面的方向,将多个发射电源和接收电极按照一定间距分别置于两个平行的钻孔中;同时,在平行地面方向,地表设置若干发射电源,地下设置若干接收电极。在实测过程中,发射电源发射稳定电流,接收点持续接收携带地质体信息的电信号。电信号的发射和接收器的排列将被测剖面划分成若干个等距的地质体单元,如果某些单元存在地质异常,可以通过成像技术发现异常并判读其位置和状态。

高密度电阻率法常采用的测量装置有温纳装置、微分装置、偶极装置等,不同装置具有不同的分辨率和探测深度,需要根据实际探测工作需要进行选择[21]。

图2　地震投射层析成像数据采集示意Fig.2　TypicalarrayofseismicCT

地震波CT可以采用炸药、电火花等多种大功率震源,因此其探测距离要优于电磁波CT、声波CT等方法。利用走时反演成像,可以得到波在探测区内的速度分布;利用振幅反演成像,可以得到测区介质对波的吸收系数分布,通过波速分布和吸收系数分布可以重建测区混凝土弹模或强度分布,定量的反应探测区材料性质的分布情况和缺陷位置,与电磁波CT和电阻率CT相比,成果更为直接。

根据井间地震波层析成像数据的走时特点和离散、线性特征,数据处理一般采用最小二乘法、共轭梯度法等方法。获得波速图像的反演迭代步骤为:①建立模型,准备数据;②正演计算,完成射线追踪;③反演计算,迭代修改模型;④重复上述②、③步骤,直到一定次数;⑤输出波速图像[19]。

图3　高密度电阻率层析成像操作装置

Fig.3　ArrayofelectricCT(electricimaging)

inborehole数据处理过程中,比较有代表性的算法是岛裕雅等(Shima,1987)[22]提出的电阻率层析算法,该算法具体步骤如下:①用有限元法对实测数据作地形校正;②用电阻率反投影技术(RBPT)建初始模型;③用α中心法作正演计算;④用混合非线性最小二乘法作模型修改;⑤用有限元法修饰[23]。进行电阻率CT要求测区接地条件良好,没有电流干扰,以保证探测效果。由于电阻率易受含水率影响,因此该方法对渗漏探测效果较好,在测区岩体或坝体破碎,弹性波衰减严重的情况下,

4　孔间电阻率CT

高密度法电阻率层析成像(highdefinitionresistivitytomography)是近年来兴起的一种探测新技术。较之电磁波层析成像和地震波层析成像技术,电阻率层析成像具有穿透深度大,分辨率高,精度高,施工成本低,穿透深度大,数据信息易于解释的特点。

在稳定电流场中任一点的电流密度满足微观欧姆定律:

　第5期　　　　　　　　　　　　　刘君利等:堤坝质量检测中的层析成像技术559

该方法可以获得比弹性波CT更大的探测距离。

5　声波CT

声波CT(ultrasonictomography)是通过观测声波(超声波)的波速、能量在地质体内部的变化来探测地质体异常的方法。使用声波层析技术进行坝体的探测,可分别在坝体的上下游分别设置发射孔和接收孔,根据对孔间各条声波射线走时、振幅的测定来确定坝体内部介质的波速、吸收系数等,进而对坝体内部构造进行判断和分析。

根据弹性波理论,岩体纵波速度、横波速度与岩体参数有如下关系[18]:

222

ρVS(3VP-4VS)(8)Em=22

VP-VS2

6　光学CT

光学CT(opticaltomography)技术使用阵列

点光源沿某一角度垂直照射在透明介质断面上,进行多方位扫描测量,并使用CCD线针图像传感器接收,并通过计算机信息处理后,得到断面物理量图像。

位移和变形是大坝质量安全检测的重要技术指标,近些年来,有学者[24～27]将光学CT技术引入大坝位移和变形的检测中,并获得了一定的成果。光学CT的原理如图5所示,沿θ方向入射的平行光束照射在与其垂直放置的CCD线阵传感器表面,W为待测物体的横截面,由于几何挡光作用,CCD上接收到的光信号是W在s方向上的一维投影,垂线横截面的挡光效应以二维分布函数f(r)表示,光线穿过f(r)在坐标s处产生的投影值是f(r)沿光线路径的线积分,所有沿θ方向光线在CCD上的投影值的集合构成f(r)的一个一维投影[24]。

VP-2VSσm=

2(VP2-VS2)Gm=ρVS

2

2(9)(10)

式中:Em动弹性模量(动杨氏模量);Gm

变模量(刚度系数)。

动切

通过对超声波纵波和横波速度的确定可以初步判断坝体内部情况,还可根据纵波和横波的速度来推算岩体的动弹性参数,进一步构建坝体内部信息图像。

在超声波层析成像的数据反演过程中,常常会将探测区域划分成若干个较小的无差别的均匀地质体,每条声波射线在穿透单元地质体到达检波器时,都携带着所经过单元的地质信息,如图4。计算过程中,通过射线追踪法来确定射线的传播路径,采用阻尼最小二乘法对线性数据进行反演计算。

图5　光学CT的原理示意

Fig.5　PrincipleofopticaltomographyCT图像的重建比较普遍地采用在雷登(Ra2don)变换和级数展开的基础上采用联合代数重

建、最大熵等方法。联合代数重建将同一像素内多有与之橡胶的扫描光束投影的误差修正值累计起来,与代数重建法相比较,其重建速度更快,重建精度更高[28,29];而最大熵准则在图像处理中已

图4　声波层析射线传播示意图Fig.4　Pathsofsoundwaves

声波CT的基本理论和特点都和地震波CT类似,两者也被统称为弹性波CT,声波CT的震源功率一般较小,震源和主机轻便,适合较小范围的检测工作。

受到广泛关注,从信息论的观点来看,它是从最少投影数据信息中重建出我们希望的图像,因此特别适合少数投影的重建问题,最大熵现在已经逐渐成为少数投影重建图像的主要优化准则[28,30]。

光学CT是通过接受目标体的透射光或反射光进行成像,利用透射光成像时,如果目标体透光性不好,则探测距离将极为有限,利用反射光成像

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[11]李清林,谢汝一,王兰甫,等.应用电阻率层析成像

时,该技术主要用于物体表面的变形观测和监测。

探测采空区、斜风井巷道稳定性计算[J].CT理论

7　结　语

在堤坝质量检测工作中,可以根据工程实际

和地质条件选择合适的CT方法或者综合应用多种CT方法进行检测。较之其他物探技术,CT技术在堤坝检测工作中具有很多优点,如:能够较为直观地反映坝体的内部结构;比较清晰、准确地揭示坝体病害异常的分布、大小和属性;成果信息丰富,数据密度大,经过计算机数据处理和图像重建,可以获得堤坝内部较为精细的信息。另一方面,与其他工程领域相比,CT技术在堤坝检测领域中的应用仍然较少,在成像方法、数据反演、重建算法上还有许多问题需要商榷和解决,特别是如何结合堤坝的结构、材料特征开发更为高效、准确的成像技术仍然需要深入研究。

我国大坝数量多,堤坝隐患种类多,亟需采用各种新技术、新方法来加强对堤坝质量的检测,预防病害的养成和事故的发生。CT技术作为探测方法中的高、新、精、尖技术必将得到更广泛的应用。参考文献:

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