基于光纖傳感的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)研究

丁 晉

(揚(yáng)州市揚(yáng)子工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

混凝土構(gòu)件的裂縫問題是水利工程建設(shè)和運(yùn)營過程中難以避免的關(guān)鍵性問題之一，其中，微小型裂縫的存在影響水利渠道美觀性的同時(shí)還會(huì)降低其耐久性，而嚴(yán)重的構(gòu)件裂縫會(huì)導(dǎo)致某一混凝土結(jié)構(gòu)損壞，同時(shí)裂縫的存在還會(huì)引起混凝土的老化加速、鋼筋腐蝕、通道滲水等損害，進(jìn)而惡化整體工程的健康狀態(tài)，甚至造成嚴(yán)重的坍塌事故，因此混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)對(duì)于保證水利渠道施工質(zhì)量和安全運(yùn)行具有重要意義[1-2]。目前，相較于其他發(fā)達(dá)國家，我國針對(duì)水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫的檢測(cè)水平較為落后，基于振弦式測(cè)縫計(jì)的裂縫檢測(cè)是目前應(yīng)用較為廣泛的檢測(cè)技術(shù)，但該技術(shù)的穩(wěn)定性較差、易受外界因數(shù)的影響使得檢測(cè)精度較低，從而無法滿足水利工程的建設(shè)需求[3]。

光纖傳感技術(shù)是一種以光纖作為傳輸介質(zhì)、以光作為信息載體的傳感技術(shù)，通過計(jì)算光在光纖中的特征參量變化值，測(cè)量多種物理量，且在實(shí)際應(yīng)用中，抗干擾性強(qiáng)、檢測(cè)精度高、耐久性好。因此本文以光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，深入研究基于光纖傳感的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，從而促進(jìn)我國構(gòu)件裂縫檢測(cè)水平的進(jìn)一步提升。

1 基于光纖傳感的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)模型

大部分水利渠道的混凝土構(gòu)件是不透明的，采用人工探查裂縫的方式無法直接觀察到隱性的裂縫，而傳統(tǒng)基于振弦式測(cè)縫計(jì)的裂縫檢測(cè)技術(shù)針對(duì)細(xì)小裂縫的檢測(cè)準(zhǔn)確率較低，因此本文通過構(gòu)建光纖傳感器檢測(cè)模型獲取準(zhǔn)確的裂縫信息，為裂縫的識(shí)別、預(yù)測(cè)和分析提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，以便提高水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫的檢測(cè)效率[4-5]。

1.1 光纖傳感器檢測(cè)模型

為了使光纖傳感器檢測(cè)效果最大化，本文設(shè)計(jì)的光纖傳感器檢測(cè)模型的核心是利用光反射原理設(shè)計(jì)傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)捕獲公式，對(duì)混凝土構(gòu)件的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行信息采集，利用模糊層次分析算法計(jì)算水利渠道混凝土出現(xiàn)裂縫的物理架構(gòu)參量，最后在架構(gòu)內(nèi)集成水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫特征，完成光纖傳感器檢測(cè)模型的構(gòu)建。光纖傳感器的基本原理如圖1所示。

圖1 光纖傳感器的基本原理

根據(jù)圖1和光纖的直線傳播定理，設(shè)計(jì)傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)捕獲公式為：

(1)

式中，V—光纖在真空的傳播速度；X(n)—水利渠道混凝土接收到光線照射的振動(dòng)頻率函數(shù)；E—混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)的深層裂縫關(guān)聯(lián)系數(shù)；R—混凝土構(gòu)件裂縫之間的距離[6-7]。

其次，通過模糊層次算法將采集到水利渠道混凝土構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行特征檢驗(yàn)，目的是識(shí)別具有裂縫特征的數(shù)據(jù)信息。混凝土構(gòu)件裂縫的模糊層次特征提取公式為：

(2)

式中，pdi—混凝土構(gòu)件深層裂縫的光纖傳感信息聚類中心；pdj—混凝土構(gòu)件極限抗力誤差反饋特征量。

最后集成光纖傳感器檢測(cè)模型，模型結(jié)構(gòu)為：

(3)

式中，sc(t)—混凝土構(gòu)件深層裂縫光纖傳感信息分布的特征屬性；e2πf—有限數(shù)據(jù)集合；f—傳感信息跟蹤頻率；d—光纖探測(cè)的時(shí)間間隔長度。

1.2 水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫數(shù)據(jù)采集與融合

在上述模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行裂縫檢測(cè)，獲取傳感器采集的裂縫數(shù)據(jù)，在理想狀態(tài)下，光纖傳感器的彎曲光纖段半徑穩(wěn)定，波長恒定，且傳播路徑中溫度恒定，此時(shí)獲取的數(shù)據(jù)可視為理想數(shù)據(jù)。但在實(shí)際情況中，由于溫度變化或傳感器運(yùn)行不準(zhǔn)，獲取的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)參數(shù)誤差，因此在數(shù)據(jù)融合過程中需校正數(shù)據(jù)。且在數(shù)據(jù)融合之前，由于混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量問題，焊瘤或孔洞等構(gòu)件缺陷可能混雜在裂縫數(shù)據(jù)中，因此需要對(duì)裂縫數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，排除無關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，并在數(shù)據(jù)篩選后將采集的數(shù)據(jù)樣本生成可視化樣本集，采用三維排列組合方式進(jìn)行數(shù)據(jù)組合，數(shù)據(jù)組合的相應(yīng)函數(shù)為：

(4)

需對(duì)組合后的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，為進(jìn)一步挖掘深層裂縫信息，采用模糊聚類分析進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，對(duì)混凝土構(gòu)件裂縫數(shù)據(jù)采用以下函數(shù)處理：

(5)

式中，fi—模糊聚類中每一層的數(shù)據(jù)矢量集；*—聚類共軛。

在數(shù)據(jù)融合層，首先對(duì)第一層數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊聚類，輸出該層數(shù)據(jù)期望值，當(dāng)聚類到最后一層時(shí)，采用修正函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)集狀態(tài)進(jìn)行整體修正，得到的數(shù)據(jù)融合函數(shù)為：

(6)

通常情況下，λ是一個(gè)常數(shù)(0<λ<1)，根據(jù)多維傳感器獲取的裂縫物理信息，得到的多種信息融合結(jié)構(gòu)為：

(7)

2 基于光纖傳感的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)

基于光纖傳感的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)依據(jù)海量的數(shù)據(jù)計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的初步識(shí)別、參數(shù)敏感性分析及物理分布信息估計(jì)，從而為裂縫的后期處理問題提供有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)提升水利渠道的施工質(zhì)量、降低維修成本、保證運(yùn)行安全性具有重要的研究意義[8-9]。

2.1 水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫初步識(shí)別

混凝土構(gòu)件裂縫的初步識(shí)別分為3種類型。第一種類型為初始裂縫類型，即剛形成的裂縫，裂縫周邊的混凝土處于受拉狀態(tài)。第二種類型為中級(jí)裂縫類型，指發(fā)展成具有裂縫形態(tài)的裂縫，具有一條明顯的主裂縫及多條分裂縫，且隨著負(fù)荷力的增加，裂縫的長度和寬度在不斷增加，混凝土構(gòu)件的應(yīng)力逐漸釋放。第三種類型為穩(wěn)定裂縫類型，是指已具有完全裂縫形態(tài)的裂縫，裂縫發(fā)展情況穩(wěn)定，不再向外擴(kuò)展，此時(shí)混凝土構(gòu)件幾乎完全喪失工作能力[10-12]。3種類型裂縫之間存在低階演變過程，混凝土構(gòu)件的開裂原理如圖2所示。

圖2 混凝土構(gòu)件的開裂原理示意圖

由圖2可知，水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫初步識(shí)別目的在于判斷構(gòu)件是否存在裂縫，傳統(tǒng)的基于振弦式測(cè)縫計(jì)的裂縫檢測(cè)技術(shù)以聲學(xué)傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，不僅受外界噪聲影響較大，且針對(duì)細(xì)小裂縫的檢測(cè)準(zhǔn)確度較差，使其在實(shí)際應(yīng)用中往往忽略裂縫，對(duì)于裂縫的及時(shí)維護(hù)不夠便捷。為提升裂縫初步識(shí)別的準(zhǔn)確度，本文研究的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫的初步識(shí)別主要應(yīng)用分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)。根據(jù)光纖射光的頻移量與溫度變化和光纖應(yīng)變成線性相關(guān)這一基本特征，可通過測(cè)量光纖射光的頻移量獲取光纖通過射程內(nèi)混凝土構(gòu)件的溫度及光纖應(yīng)變信息，3者所滿足的關(guān)系式為：

(8)

式中，v0、t0、x0—光纖射光的頻移初始量、初始溫度及光纖應(yīng)變的初始量；d—光纖通過的路程；v、T、x—光纖射光的頻移量、溫度及光纖應(yīng)變的末位量[13-15]。

分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)炷翗?gòu)件進(jìn)行分布式裂縫檢測(cè)，不僅檢測(cè)全面且裂縫辨識(shí)率較高。由于該技術(shù)的脈沖寬度受空間分辨率的影響，因此獲得的裂縫信息本質(zhì)上為光纖應(yīng)變的綜合反映：

(9)

式中，dz—空間分辨率；W—入射光纖的脈沖寬度；V1—光纖分布式傳播的速度。

2.2 水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫參數(shù)敏感性分析

參數(shù)敏感性分析是決定光纖傳感器實(shí)際安裝位置的主要依據(jù)，針對(duì)不同類型裂縫對(duì)處于不同位置的傳感器的敏感性不同，本文研究水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫參數(shù)敏感性分析以斜交裂縫組光纖檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，改變光纖傳感器位置，從獲取的結(jié)果中計(jì)算參數(shù)敏感性，從而分析出最佳應(yīng)用方案，以此提升光纖檢測(cè)的準(zhǔn)確率和檢測(cè)效率，斜交裂縫組光纖檢測(cè)技術(shù)的基本原理如圖3所示。

圖3 斜交裂縫組光纖檢測(cè)技術(shù)的基本原理

當(dāng)2條從不同角度發(fā)射的光線穿過混凝土構(gòu)件裂縫后，每根光纖在裂縫寬度的影響下產(chǎn)生長度變化，二者滿足的幾何關(guān)系式如下：

(D1sinθ1)+(D2cosθ1)=L

(10)

(D1sinθ2)+(D2cosθ2)=L

(11)

θ1+θ2=90°

(12)

式中，θ1和θ2—2條光線的入射角度；L—裂縫的寬度；D1—光纖變化前的長度；D2—光纖變化后的長度。

通過上述計(jì)算參數(shù)，通過多次嘗試分析，可分析出，針對(duì)第一種類型裂縫的檢測(cè)，采用300mm標(biāo)距的光纖傳感器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，光纖的長度變化較小，因此易出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，為提高準(zhǔn)確率，可將光纖傳感器粘貼在混凝土構(gòu)件的兩側(cè)，并采用全面的粘貼方式。針對(duì)第二種類型裂縫的檢測(cè)，由于裂縫較長但寬度較小，此階段的混凝土構(gòu)件接近應(yīng)變極限，此時(shí)采用300mm標(biāo)距的光纖傳感器測(cè)試效果良好，可將光纖傳感器粘貼在混凝土構(gòu)件的兩側(cè)上方位置[16-18]。針對(duì)第三種類型的裂縫，此時(shí)裂縫形態(tài)較為明顯，且裂縫的擴(kuò)展速度較快，寬度變化明顯，因此針對(duì)該類型裂縫的檢測(cè)可將光纖傳感器粘貼在混凝土構(gòu)件的正上方較遠(yuǎn)位置，以此獲取裂縫的整體形態(tài)特征。

2.3 裂縫物理分布信息參數(shù)優(yōu)化估計(jì)

裂縫物理分布信息參數(shù)優(yōu)化估計(jì)是分析裂縫走向、惡化趨勢(shì)的重要參考數(shù)據(jù)之一，為獲取準(zhǔn)確的裂縫分布信息，利用屈服線模式對(duì)混凝土構(gòu)件裂縫的物理信息進(jìn)行融合，根據(jù)信息的融合結(jié)果，提取特征分布信息參量，將獲得的特征分布信息參量生成特征集F(x，y)，則有以下關(guān)系成立。

(13)

式中，F(xiàn)(x)—混凝土構(gòu)件裂縫特征分布信息參量概念集；xi—裂縫特征對(duì)應(yīng)的分布參量。

在訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)訓(xùn)練下，對(duì)特征集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行彈性估計(jì)，得到與裂縫分布特征相關(guān)的物理分布參數(shù)為：

(14)

由以上分布參數(shù)，構(gòu)建核模型，增強(qiáng)參數(shù)的加權(quán)量，在幾何領(lǐng)域中，輸出混凝土構(gòu)件裂縫的光纖傳感信息，并在滿足關(guān)聯(lián)規(guī)則的前提下，對(duì)混凝土構(gòu)件裂縫進(jìn)行全局統(tǒng)計(jì)分析，及結(jié)合全部的已知裂縫信息，對(duì)混凝土構(gòu)件裂縫進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，輸出的優(yōu)化估計(jì)函數(shù)為：

(15)

對(duì)上述函數(shù)進(jìn)行求解，得出最優(yōu)解，根據(jù)最優(yōu)求解結(jié)果，將各物理參量放置在幾何空間中進(jìn)行分布模擬，即可得出裂縫的相對(duì)分布信息和傳播態(tài)勢(shì)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本文研究的基于光纖傳感的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選用傳統(tǒng)的基于振弦式測(cè)縫計(jì)的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)技術(shù)及本文研究的技術(shù)，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)對(duì)4組試件進(jìn)行裂縫檢測(cè)，對(duì)比2種檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際檢測(cè)能力。4組試件的物理參數(shù)見表1。

表1 4組混凝土構(gòu)件的物理參數(shù)

為提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)首先利用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)2種主要檢測(cè)器材進(jìn)行集中線荷載施加，驗(yàn)證檢測(cè)器材是否處于正常工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，為降低外界環(huán)節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的影響，采用環(huán)氧樹脂AB膠將光纖傳感器和振弦式測(cè)縫計(jì)粘貼于試件裂縫的兩側(cè)，其中，采用光功率計(jì)記錄光纖傳感器的光損耗情況，采用聲波感應(yīng)器記錄振弦式測(cè)縫計(jì)的振動(dòng)情況，光纖傳感器的連接示意圖如圖4所示。

圖4 光纖傳感器的連接示意圖

對(duì)比實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟如下：

(1)在傳感器下方和上方放置2根實(shí)心鐵棒，將鐵棒一端連接電極，另一端連接萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，擺動(dòng)鐵棒，并通過萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行集中線荷載施加。

(2)取出鐵棒和萬能試驗(yàn)機(jī)，采用環(huán)氧樹脂AB膠將傳感器的毛細(xì)鋼管分別粘貼在試件裂縫的兩側(cè)。

(3)將傳感器的一端連接電源，另一端連接光功率計(jì)或振弦感應(yīng)器，當(dāng)電源通電穩(wěn)定后，開始進(jìn)行裂縫測(cè)量。

(4)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄光功率計(jì)或振弦感應(yīng)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和匯總，生成裂縫的檢測(cè)樣貌圖像，與試件的裂縫真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

(5)重復(fù)上述步驟，對(duì)其他試件進(jìn)行裂縫檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，安裝完實(shí)驗(yàn)器材后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)選擇2種混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)進(jìn)行檢測(cè)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)迭代次數(shù)規(guī)定為200次，選擇裂縫寬度作為參考數(shù)據(jù)，得到的裂縫寬度對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 寬度對(duì)比結(jié)果

由圖5可以看出，混凝土構(gòu)件裂縫的起始位置到裂縫的終端位置，對(duì)應(yīng)不同長度裂縫的寬度估計(jì)。本文研究的基于光纖傳感的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)技術(shù)所估計(jì)的寬度與裂縫的真實(shí)數(shù)據(jù)吻合度較高，而采用傳統(tǒng)的基于振弦式測(cè)縫計(jì)的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)技術(shù)所估計(jì)的寬度與裂縫的真實(shí)數(shù)據(jù)差異性較大，由此可以得出結(jié)論，本文研究的檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確度較高。原因在于，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)以聲信號(hào)作為裂縫識(shí)別信號(hào)，在數(shù)據(jù)采集、分析和計(jì)算中易受噪聲污染，導(dǎo)致數(shù)據(jù)計(jì)算誤差，且對(duì)于細(xì)小裂縫的數(shù)據(jù)采集不夠精準(zhǔn)，造成數(shù)據(jù)缺失，影響裂縫估計(jì)。而本文研究的檢測(cè)技術(shù)，利用光學(xué)原理對(duì)裂縫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和融合計(jì)算，通過特征提取獲取裂縫的物理分布信息，進(jìn)行高密度的寬度估計(jì)，針對(duì)細(xì)小裂縫的敏感性較強(qiáng)，激光發(fā)射穩(wěn)定性較高，抗干擾性強(qiáng)，其綜合性能較傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)也具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

對(duì)比2種技術(shù)的寬度估計(jì)準(zhǔn)確性后，針對(duì)2種檢測(cè)技術(shù)的裂縫還原仿真度進(jìn)行對(duì)比，并采用Redtugh算法進(jìn)行相似度計(jì)算，2種技術(shù)的裂縫還原圖像對(duì)比如圖6所示。

圖6 裂縫還原圖像對(duì)比

由圖6可以看出，采用本文檢測(cè)技術(shù)獲取的裂縫圖像較為清晰，邊緣整齊，能夠完整地描繪出裂縫基本樣貌。而傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)獲取的裂縫圖像層次感模糊，裂縫邊緣模糊，所還原的裂縫樣貌不完整。造成這種差異的原因在于，本文研究的檢測(cè)技術(shù)采用光纖傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用屈服線模式融合混凝土構(gòu)件裂縫的物理信息，能夠準(zhǔn)確地表達(dá)裂縫樣貌及分布信息。而傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面略有缺陷，且由于裂縫的大小參差不齊，無法清晰辨識(shí)細(xì)小裂縫的準(zhǔn)確樣貌，使得還原圖像與真實(shí)樣貌相差較大。

4 結(jié)語

本文以光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)基于光纖傳感的水利渠道混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)進(jìn)行了深入研究，首先利用光纖傳感器構(gòu)建光纖傳感器檢測(cè)模型，獲取混凝土構(gòu)件的裂縫數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，為數(shù)據(jù)計(jì)算和檢測(cè)奠定基礎(chǔ)，其次采用分布式檢測(cè)法對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行全面檢測(cè)，通過對(duì)其裂縫參數(shù)敏感性進(jìn)行分析，總結(jié)出針對(duì)不同類型裂縫的光纖傳感器檢測(cè)位置，然后對(duì)裂縫物理分布信息參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化估計(jì)，最后通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。但該方法也有不足之處，與傳統(tǒng)方法相比，雖然該方法的檢測(cè)更加精準(zhǔn)，但是缺少傳統(tǒng)檢測(cè)方法的詳細(xì)過程，因此，要加強(qiáng)檢測(cè)方面的細(xì)節(jié)工作，促進(jìn)光纖傳感技術(shù)在水利工程構(gòu)件檢測(cè)中的進(jìn)一步應(yīng)用。