【学术论文】三维成像声呐在水下灌注桩缺陷检测中的应用探讨- 大数跨境

智慧海洋公众交流平台

2023-03-27

摘要

作者：吉同元 1，2，李鹏飞 2，张润2，章定文*1，3（1. 东南大学交通学院，江苏南京 211189；2. 华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014；3. 道路交通工程国家级实验教学示范中心（东南大学），江苏南京 211189）

摘要：桩基是桥梁工程的重要组成部分，桩基水下结构存在混凝土剥落、破损等质量问题，三维成像声呐能够识别和测量水下结构病害情况，基于三维成像声呐进行了“模型试验-数据处理-工程应用”系统性研究，研究表明：数据后处理能够有效去除噪点，清晰呈现试件部分外形轮廓，保留目标物几何信息，并能够较好识别试件缺陷；点云图像大尺寸测量结果准确，尺寸小于 5 cm 时，误差在 2 cm 以内；三维成像声呐在桥梁桩基水下部分的外观完整性检测效果较好，能够识别桩基混凝土剥落，并进行剥落厚度测量，误差在 3 cm 内，满足工程检测需求。

关键词：桥梁桩基；声学可视化；模型试验；点云处理

RECRUITMENT

三维成像声呐在水下灌注桩缺陷检测中的应用探讨

0 引言

灌注桩具有地质适应性强、承载力高等特点，是目前工程建设中最主要的基础形式，广泛应用在桥梁工程中[1-5]。在桥梁服役过程中，由于环境和外部荷载作用，桥梁桩基水下部分会出现混凝土剥落、破损、断裂等质量问题[6-8]，三维成像声呐技术能够直观准确的识别桩基水下及泥面以上部分的结构病害情况，因此基于三维成像声呐的水下试验和点云数据处理技术研究对确保整个桩基工程的质量和安全具有重要意义[9-10]。目前三维成像声呐的研究基本上处于设备硬件研发和实际应用的范围，尚缺少“模型试验数据处理工程应用”系统性的研究，本文基于三维声呐点云的模型试验，进行了水下目标物缺陷识别、尺寸测量以及点云数据后处理方法研究和桥梁桩基现场试验，充分验证了三维成像声呐在桥梁桩基水下部分检测的适用性，为该技术应用于水下结构检测提供了参考。

01 试验

1.1 试验设备

试验由美国 BlueView 公司研制开发三维成像声呐系统对点云数据进行采集，系统硬件部分包括声呐发生器、云台、三角支架、计算机等组成。

1.2 试验方案

试验共设计 3 个试件，圆柱体混凝土试块 2 个，带缺陷圆柱体木质试件 1 个，试件尺寸见表 1。试验主要研究三维成像声呐对水下不同材质、不同尺寸、以及不同缺陷结构形式的识别和测量效果。为减少环境对声呐数据采集造成影响，选择在平面尺寸为 21 m×50 m，深度 1.8 m 的水池中进行声呐试验，并在试验目标物底下垫上粗糙多孔的防滑垫，目的在于减少声波在瓷砖表面发生较强反射，从而获得更加准确的数据。

02 数据处理

试验通过三维成像声呐发射固定频率声波波束，在触及目标物后接收到反射声波，从而获得目标物的外形轮廓坐标数据，最后生成点云图像。由于外部环境影响，原始点云图像存在较多的噪点，如图 1 所示。

为了更好的分析三维成像声呐对水下结构的识别和测量效果，本文提出了数据后处理方案：①人工删减原始数据，去除大面积噪点；②对单次采集点云数据进行滤波处理，对原始数据进行压缩并去除离散点；③对处理后的图像进行尺寸测量。

2.1 点云滤波处理

本文根据点云噪声特征进行不同的滤波处理。（1）半径滤波通过统计一定半径区域内点的个数来去除离散点。可依据点云的不同特征定义多种条件，定义条件为点在 x，y 和 z 维度下的取值同时满足某个值域，则可以在指定 3D 空间内对点云进行裁剪。假设有 n 个点云，对这部分点云进行半径滤波。设定近邻点数量为 k，半径为 r。然后遍历每一个点云。i=1，2，…，n。以第 i 个点云为圆心，在其 r 半径内，若有 k 个点云，则该第 i 个点云将被保留；若其 r 半径内，点云个数少于 k 个，则该第 i 个点云将被去除。

（2）体素滤波主要对点云数据进行压缩，在保证点云图像主体结构不变的情况下减少点的数量。用于密集型点云的预处理中，以加快后续配准、重建等操作的执行速度。

（3）高斯统计滤波是最常用的滤波处理方式，通过统计某个点于相邻点之间的平均距离来去除离散点。设定去除离散噪点前的点云集合为 A  {ai，1,2, }i n ，去除噪声后点云集合i 1,2,mA a i ，。用 bi表示 ai到邻域中 k 个点的平均距离。算法中 A 所有点到其各自邻域的平均距离服从高斯分布且形状由均值和标准差决定。令所估计点平均距离 a 为其标准差，

对点云原始数据进行大面积噪点人工删减后再经上述滤波处理得到图 2 所示点云图像，点云图像能够清晰反映设备扫描侧的形状轮廓。

2.2 尺寸测量

点云滤波处理后，对点云图像进行切面处理，选择一个剖面测量试件尺寸。对试件 WSC -#1、WSC -#2两个试件进行尺寸测量，如图 3 所示，经滤波处理后对点云图像进行测量，测得圆柱高度分别为 15，10 cm与试件实际尺寸基本吻合，由于测量过程存在主观因素影响，试验结果存在一定误差，但误差能够保持在厘米级，完全满足工程应用需求。

对带缺陷圆柱体木桩 WSW-#3 试件的高度和缺陷尺寸进行测量，试件及缺陷尺寸如图 4 所示。为方便试件点云图像尺寸测量，将桩的点云图旋转 90°，右侧为桩底，左侧为桩顶，下侧为缺陷侧，尺寸测量如图 5 所示，测量结果见表 2。

测量结果表明：点云图像能够清晰显示缺陷位置，对数据后处理后的点云图像进行测量，试件各个部位测量尺寸与实际尺寸误差在 2 cm 以内，满足实际工程测量精度需求。

03 工程应用

某高速桥梁左幅建成于 1994 年，桥梁下部结构为桩柱式桥台，桩柱式桥墩，墩柱直径 1.0 m，桩基直径 1.2 m。现场采用声学可视化检测技术对水下结构进行检测，并在检测完成后进行抽水验证。选取其中一根桩基进行声纳扫测分析，原始点云数据如图所示，进行大面积噪点人工删减和软件滤波处理后，得到点云图像如图所示，数据后处理后的点云图像能够清晰显示桩基轮廓。对点云图像断面进行测量，桩基础部分点云断面缩小，结合设计图纸判断该桩基存在混凝土大面积剥落现象。

3.1 声呐数据处理及尺寸测量

为测得混凝土剥落厚度和长度，选取桩基竖向断面并对点云图像 3 个不同位置进行测量，如图 6 所示，测得剥落厚度为 0.12，0.18，0.11 m，平均值为 0.14 m；剥落长度为 0.93，0.94，0.97 m，平均值为 0.95 m。

3.2 现场试验验证

为验证声呐数据的测量精确度，在抽水后采用人工进行测量，现场实测混凝土剥落厚度分别为 0.15，0.16，0.14 m，平均值为 0.15 m；剥落长度分别为 1.01，0.99，0.95 m，平均值为 0.98 m，现场实测照片如图 7所示。

通过对比声呐与人工测量数据，两种方法测量混凝土剥落厚度平均值误差在 1 cm，剥落长度平均值误差在 3 cm，基本满足桥梁检测现场检测需求。

04 结论

（1）三维成像声呐扫测原始数据存在较多噪点，在经过滤波处理后，能够清晰呈现目标物部分外形轮廓，保留目标物几何信息，并能够较好识别试件缺陷。

（2）对滤波处理后的点云图像尺寸测量结果准确，其中混凝土试件高度测量尺寸与实际基本吻合，带缺陷木桩试件部位尺寸在低于 5 cm 时，误差较大，尺寸大于10 cm误差较小，整体误差保持在2 cm以内。

（3）三维成像声呐应用于桥梁桩基水下部分的外完整性检测效果较好，能够直观呈现桩基外观特征，识别桩基外观缺陷。

（4）经过将三维成像声呐的测试数据与现场测量数据对比，三维成像声呐能够较准确测量桩基混凝土剥落厚度，误差在 3 cm 内，满足工程检测需求。

【参考文献】

[1] 徐艺飞, 万志辉, 戴国亮, 等. 桩端后压浆灌注桩长期承载性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2021, 42(4): 139–146.(XU Yi-fei, WAN Zhi-hui, DAI Guo-liang, et a. Experimental study on long-term bearing behaviors of base post-grouting bored piles[J]. Journal of Building Structures, 2021, 42(4):139–146. (in Chinese))

[2] 万志辉, 戴国亮, 高鲁超, 等. 大直径后压浆灌注桩承载力和沉降的实用计算方法研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(8):2746–2755. (WAN Zhi-hui, DAI Guo-liang, GAO Lu-chao, et al. A practical method of calculation of bearing capacity and settlement of large-diameter post-grouting piles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2020, 41(8): 2746–2755. (in Chinese))

[3] 张立, 张乐, 陈亮锋, 等. 大直径混凝土桩的承载特性试验研究[J]. 石河子大学学报(自然科学版), 2020, 38(3):312–317. (ZHANG Li, ZHANG Le, CHEN Liang-feng, etal. Experimental study on bearing capacity of large diameter concrete piles[J]. Journal of Shihezi University (Natural Science), 2020, 38(3): 312–317. (in Chinese))

[4] 岐峰军, 骆佐龙, 姚远, 等. 桥梁桩基承载能力安全系数研究[J]. 山东农业大学学报(自然科学版), 2018, 49(4): 703–705, 709. (QI Feng-jun, LUO Zuo-long, YAO Yuan, et al. Study on the safety factors of load-carrying capacity of bridges pile foundation[J]. Journal of Shandong Agricultural University (Natural Science Edition), 2018, 49(4): 703–705,

709. (in Chinese))

[5] 李忠庚, 徐金明, 吴红斌. 桥梁工程施工及运营对岩体边坡稳定性的数值分析[J]. 上海大学学报(自然科学版),2014, 20(5): 596–604. (LI Zhong-geng, XU Jin-ming, WU Hong-bin. Influences of bridge construction on stability of cutting slope using numerical simulation[J]. Journal of Shanghai University (Natural Science Edition), 2014, 20(5):

596–604. (in Chinese))

[6] 游尚友, 陈水生. 跨河公路桥桩基上部露筋成因及维修[J].中南公路工程, 2003(3): 108–109. (YOU Shang-you, CHEN Shui-sheng. Causes and maintenance of the reinforcing the steel bar exposition on top piles for highway bridge foundation[J]. Highway Engineering, 2003(3): 108–109. (in Chinese))

[7] 张瑞霞. 水上高桩码头桩基安全性评价[J]. 铁道建筑,2012(10): 36–39. (ZHANG Rui-xia. Safety evaluation of pile foundation of high piled wharf on water[J]. Railway Engineering, 2012(10): 36–39. (in Chinese))

[8] 谭东球, 赵万富. 桩基施工中的形变病害防治对策[J]. 测绘科技通讯, 1995, 4(3): 12–13. (TAN Dong-qiu, ZHAO Wan-fu. Prevention and treatment of deformation disease in pile foundation construction[J]. Geomatics Technology and Equipment, 1995, 4(3): 12–13. (in Chinese))

[9] 杨志, 王建中, 范红霞, 等. 三维全景成像声呐系统在水下细部结构检测中的应用[J]. 水电能源科学, 2015, 33(6): 59–62, 47. (YANG Zhi, WANG Jian-zhong, FAN Hong-xia, et al.

Risk assessment of mountain torrent disaster at yaoan small watershed in qingyuan city based on gis technique[J]. Water Resources and Power, 2015, 33(6): 59–62, 47. (in Chinese))

[10] 胡金龙, 邓居勇. 三维声呐成像系统在防波堤水下安装块石中的运用 [J]. 水运工程, 2019(1): 213 – 217. (HU Jing-long, DENG Ju-yong. Application of 3D sonar imaging system in underwater installation of concrete cube in breakwater project[J]. Port & Waterway Engineering, 2019(1): 213–217. (in Chinese))