三维成像声呐在水下灌注桩缺陷检测中的应用探讨

吉同元; 李鹏飞; 张润; 章定文

doi:10.11779/CJGE2021S2041

三维成像声呐在水下灌注桩缺陷检测中的应用探讨 English Version

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

基金项目:

国家自然科学基金项目 52078129

详细信息

作者简介:
吉同元(1981— ),江苏淮安人,硕士,正高级工程师,主要从事港航工程及地基基础方面检测监测及安全评估工作。E-mail: 47320005@qq.com

通讯作者:
章定文, E-mail: zhang@seu.edu.com

中图分类号: TU473
计量
- 文章访问数: 263
- HTML全文浏览量: 27
- PDF下载量: 95
出版历程
- 收稿日期: 2021-08-14
- 网络出版日期: 2022-12-05
- 刊出日期: 2021-10-31

Application of 3D imaging sonar in defect detection of underwater bored piles

JI Tong-yuan^{1, 2,},
LI Peng-fei²,
ZHANG Run²,
ZHANG Ding-wen^{1, 3, ,}

1.
School of Transportation, Southeast University, Nanjing 211189, China
2.
China Design Group Co., Ltd., Nanjing 210014, China
3.
National Demonstration Center for Experimental Road and Traffic Engineering Education (Southeast University), Nanjing 211189, China

摘要

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。
- 桥梁桩基 /
- 声学可视化 /
- 模型试验 /
- 点云处理
Abstract: The pile foundation is an important part of bridge engineering. The underwater structure of pile foundation has some quality problems such as concrete spalling and damage. The 3D imaging sonar can directly identify and measure the diseases of underwater structure. Based on the 3D imaging sonar, a systematic study of "model test-data processing-engineering application" is carried out, The results show that the post-processing of data can effectively remove the noise, clearly present the outline of the specimens, retain the geometric information of the object, and better identify the defects of the specimen. When the size is less than 5 cm, the error is less than 2 cm. The 3D imaging sonar has a good effect in the appearance integrity detection of the underwater part of bridge pile foundation. It can identify the concrete spalling of pile foundation and measure the spalling thickness. The error is within 3 cm, which meets the needs of engineering detection.
- bridge pile foundation /
- acoustic visualization /
- model test /
- point cloud processing

HTML全文

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。

1. 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。

表 1 试件尺寸参数

Table 1. Size parameters of specimens

序号	试件编号	形状	材质	尺寸r×h/cm	备注
1	WSC - ^#1	圆柱体	混凝土	2.5×10.0	—
2	WSC -^#2		混凝土	5.0×15.0	—
3	WSW-^#3		木质	15×100.0	带缺陷

下载: 导出CSV

| 显示表格

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。

2. 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。

图 1 试件点云原始数据

Figure 1. Original data of point cloud of specimens

下载: 全尺寸图片幻灯片

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 $A =$ ${a_{i},$ $i = 1, 2, n}$ ,去除噪声后点云集合 $A^{'} = {a_{i}, i = 1, 2, m}$ 。用b_i表示a_i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,则记为 $S (μ, σ)$ ,且有如下公式：

$μ = \frac{\sum_{i = 1}^{n} S_{i}}{n}$ ,

(1)

$σ = \frac{\sum_{i = 1}^{n} {(S_{i} - μ)}^{2}}{n}$ 。

(2)

所有位于（μ-std×σ,μ+std×σ）范围外的点即可认为是大尺度噪声点,设k值为估算平均距离的邻域点大小,标准差倍数控制筛选阈值。设目标点坐标为（X_m,Y_m,Z_m）,领域内某点N坐标为（X_n,Y_n,Z_n）,则

$S_{N} = \sqrt{{(X_{m} + X_{n})}^{2} + {(Y_{m} + Y_{n})}^{2} + {(Z_{m} + Z_{n})}^{2}}$ ,

(3)

$\bar{s} = \frac{\sum_{n = 1}^{K} S_{N}}{k}$ 。

(4)

S_N服从一个位置参数μ、尺度参数为 $σ$ 的概率分布,且其概率密度函数为

$f (S_{N}) = \frac{1}{\sqrt{2 π σ}} exp (- \frac{{(S_{N} - μ)}^{2}}{2 σ^{2}})$ ,

(5)

$S_{max} = (\bar{s}) + n σ \cdot std$ ,

(6)

式中,std为标准差倍数阈值。

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。

图 2 原始数据经滤波处理后点云图像

Figure 2. Point cloud images of original data after filtering

下载: 全尺寸图片幻灯片

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。

图 3 试件WSC - ^#1及WSC - ^#2尺寸测量

Figure 3. Dimensional measurements of WSC - ^#1 and WSC - ^#2

下载: 全尺寸图片幻灯片

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。

图 4 WSW -^#3试件模型及缺陷尺寸

Figure 4. Model and defect sizes of WSW - ^#3

下载: 全尺寸图片幻灯片

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。

图 5 试件WSW-^#3尺寸测量

Figure 5. Measurements of specimen sizes of WSW-^#3

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 2 缺陷圆柱试件尺寸测量数据

Table 2. Measured data of defective specimens

序号	位置	实际尺寸	测量尺寸	误差
1	下部缺陷宽度	10	10	0
2	下部缺陷深度	5	4	1
3	缺陷距离	30	29	1
4	上部缺陷宽度	5	3	2
5	上部缺陷深度	10	11	1

下载: 导出CSV

| 显示表格

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。

3. 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。

图 6 桥梁桩基三维成像声呐数据处理

Figure 6. Data processing of bridge pile foundation

下载: 全尺寸图片幻灯片

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。

图 7 桥梁桩基水下结构病害现场测量

Figure 7. Field measurements of bridge pile foundation

下载: 全尺寸图片幻灯片

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。

4. 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观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。

图 1 试件点云原始数据

Figure 1. Original data of point cloud of specimens

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 原始数据经滤波处理后点云图像

Figure 2. Point cloud images of original data after filtering

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 试件WSC - ^#1及WSC - ^#2尺寸测量

Figure 3. Dimensional measurements of WSC - ^#1 and WSC - ^#2

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 WSW -^#3试件模型及缺陷尺寸

Figure 4. Model and defect sizes of WSW - ^#3

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 试件WSW-^#3尺寸测量

Figure 5. Measurements of specimen sizes of WSW-^#3

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 桥梁桩基三维成像声呐数据处理

Figure 6. Data processing of bridge pile foundation

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 桥梁桩基水下结构病害现场测量

Figure 7. Field measurements of bridge pile foundation

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 试件尺寸参数

Table 1 Size parameters of specimens

序号试件编号形状材质尺寸r×h/cm 备注

1 WSC - ^#1 圆柱体混凝土 2.5×10.0 —
2 WSC -^#2 5.0×15.0 —
3 WSW-^#3 木质 15×100.0 带缺陷

下载: 导出CSV

表 2 缺陷圆柱试件尺寸测量数据

Table 2 Measured data of defective specimens

序号位置实际尺寸测量尺寸误差

1 下部缺陷宽度 10 10 0
2 下部缺陷深度 5 4 1
3 缺陷距离 30 29 1
4 上部缺陷宽度 5 3 2
5 上部缺陷深度 10 11 1

下载: 导出CSV

参考文献(10)

[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. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJB202104016.htm XU Yi-fei, WAN Zhi-hui, DAI Guo-liang, et al. 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) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJB202104016.htm
[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, et al. 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. doi: 10.3969/j.issn.1000-2324.2018.04.030 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) doi: 10.3969/j.issn.1000-2324.2018.04.030
[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. doi: 10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.007 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) doi: 10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.007
[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. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNGL200303034.htm 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) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNGL200303034.htm
[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. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDJZ201210013.htm ZHANG Rui-xia. Safety evaluation of pile foundation of high piled wharf on water[J]. Railway Engineering, 2012(10): 36-39. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDJZ201210013.htm
[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. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHKJ199503003.htm 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) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHKJ199503003.htm
[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. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SDNY201506014.htm 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) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SDNY201506014.htm
[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. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYGC201901044.htm 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) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYGC201901044.htm

施引文献(16)

期刊类型引用(8)

1.	谢伟华，胡皓，卢文龙，劳文欣，尹铁男. 一种水下桩基三维点云的分割和滤波方法. 海洋测绘. 2025(01): 53-56+61 . 百度学术
2.	刘浩杰，吴勇，张向阳，辉龙贵. 基桩桩底岩溶声呐探测典型波形特征分析研究. 中国水运(下半月). 2024(07): 138-139+142 . 百度学术
3.	庞军，吴红刚，牌立芳，宁峙名，徐汶瀚. 基桩检测中声测管不平行问题及桩身完整性评估方法综述. 铁道标准设计. 2024(07): 78-91 . 百度学术
4.	翟晓强. 基于超声波透射法的大型桥梁基桩内部缺陷检测方法. 重庆建筑. 2024(09): 56-58 . 百度学术
5.	刘浩杰，吴勇，张向阳，辉龙贵. 基桩桩底岩溶声呐探测典型波形特征分析研究. 中国水运. 2024(14): 138-139+142 . 百度学术
6.	张季然，陈德山，李廷文，吕洁印，汪洋. 面向水下未知空间探测的改进RRT路径搜索算法. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2023(02): 256-262 . 百度学术
7.	王鹏，徐时贤，李国红，刘娟红，刘嘉，魏绍斌，陆峰，戴圣龙. 跨海大桥混凝土服役挑战及检测方法综述. 材料导报. 2023(S1): 212-219 . 百度学术
8.	吴志华，罗创涟，刘爱荣，傅继阳，陈炳聪. 桥梁水下结构病害智能检测方法. 结构工程师. 2023(06): 9-17 . 百度学术